船舶新增废气脱硫塔结构的优化设计

朱 晔

（南通中远海运船务工程有限公司， 江苏 南通 226000）

引言

自2020 年1 月1 日开始，由国际海事组织（IMO）海上环境保护委员会（MEPC）提出的IMO 全球0.5%低硫燃油标准正式实行，规定在船舶上使用的燃料含硫量不得超过0.5%m/m。此外，为了保护海洋环境，维护海洋生态系统，包括我国在内的许多的国家也开始设置限限制停靠区域。这些举措要求船舶控制SOx排放，减少船舶的大气排放污染。目前有以下三种方法达到IMO 全球0.5%低硫燃油标准：

1）使用低硫燃料；

2）使用液化天然气替代传统化石燃料；

3）使用船用废气脱硫系统。

目前大部分船舶通过使用低硫燃料的方法来达到标准。虽然采用低硫燃料是解决船舶硫排放的有效措施，但它的费用相对较高，船舶废气脱硫系统以其方便、实用、可持续的优点得到了广泛运用。从国际海事组织海上环境保护委员会提出该项标准以来，越来越多的船舶开始使用船舶脱硫系统。据统计，到2020 年年底，全世界将有15%的船舶使用船载废气脱硫系统。废气脱硫技术在工业领域已经取得了广泛的应用，到2017 年年底，我国已投入火电厂的废气脱硫机组容量已经达到9.13亿kW，约占全国火电机组的83.2%.。然而在船载领域，废气脱硫技术的应用还处在起步阶段，有着十分广阔的前景。

1 船舶废气脱硫塔结构设计的研究现状

目前整个脱硫市场80%采用湿法工艺，而脱硫吸收塔是该工艺的核心设备。船用废气脱硫塔和陆用脱硫塔相比，在基部荷载和外部结构设计上有较大的差异。现有的船用废气脱硫塔主要有以下三种：

1）开式废气脱硫塔，使用海水对船舶废气中的硫化物进行中和反应，达到脱硫和净化目的。适用于海水水域，成本较低，安装简单。但是该方式耗能较大，在脱硫过程中可能会产生有害物质，污染海域，许多国家明确限制使用。

2）闭式废气脱硫塔，使用混有化学物质的工作水对船舶废气中的硫化物进行中和反应，脱硫后的废水装入船载收集柜中，不直接排放入水域中。适用于淡水水域和限制区域，不会污染环境。缺点是成本较高，废水处理频繁，有时会影响到工作效率。

3）混合式废气脱硫塔，结合以上两种废气脱硫装置，在不同的海域可以根据相关政策和成本预算灵活切换。但是该系统比较复杂，成本也最高。

据挪威船级社和德国劳氏船级社（DNV&GL）统计，到2019 年年底，开式脱硫塔占现有船舶废气脱硫装置的80%，混合式脱硫塔约占18%。但不管是何种废气脱硫装置，与陆地脱硫塔相比，船载脱硫塔的结构稳定性目前还有待研究。特别是当有时船上的激励频率和船载废气脱硫塔的固有频率一致时，脱硫塔的结构震动可能会导致装置结构变形甚至断裂。鉴于以上一些问题，作者通过有限元模型对船载脱硫塔的荷载状况、振动特性和屈服强度进行评估，提出船舶新增废气脱硫塔结构的设计优化。

2 船舶废气脱硫塔的有限元模型

2.1 有限元模型的建立

以船载脱硫塔塔底为原点搭建有限元模型，在模型中使用毫米（mm）作为长度单位，使用吨（t）作为质量单位。在模型中，由于喷淋管位于脱硫塔外侧且没有支撑作用，不对其进行结构模拟，将其质量通过修改装置密度的方法赋予塔壁。在塔壁内部有一圈扁钢对装置除雾器进行支撑，在模型中以质量力的方式将其分布在扁钢上。塔壁、烟道、支座和脱硫塔地板的受力复杂，同时受到剪力、轴力和弯矩的作用，采用壳（Shell）单元进行模拟。加劲肋，支撑梁和喷淋层管道由于受力的复杂性，采用梁（Beam）单元进行模拟。搭建后的结构模型如图1 所示。

图1 船载脱硫塔有限元模型

2.2 模型结构的分析

在模型中，考虑到实际应用中防腐蚀的要求，脱硫塔材料使用SM0254 超级奥氏体不锈钢，该不锈钢参数如表1 所示。在模型中，将塔壁厚度设为4 mm，从表中可以看出所选材料的屈服强度为310 MPa，采用1.5 作为应力安全系数，所以许用应力为206.7 MPa。

表1 材料参数

在脱硫塔模型底座施加刚性固定约束力（DISP_low）， 在塔壁吊架端部施加约束力（DISP_up）。模型中的载荷包括自重（g），船舶的运行加速度（0.5 g），处理后液体产生的压力，工作状态下高温产生压力和内外壁之间的气压差。为了模拟在不同工作状态下脱硫塔模型的受力，作者设计了以下几种工作状态：

1）工作状态1，模型受自重、液压和x向加速度的影响；

2）工作状态2，模型受自重、液压和y向加速度的影响；

3）工作状态3，模型受自重、液压、温度压力、内压和z向加速度的影响；

4）工作状态4，模型受自重、液压、温度压力、内压和y向加速度的影响。

通过模拟计算，在各种工作状态下最大应力如表2 所示。

从表2 可以看出，在以上四种不同工作状态下，脱硫塔的最大应力都小于装置的许用应力（206.7 MPa）。工作状态1、2 的最大应力都出现在支座底部，塔壁受到的压力较小。工作状态3、4 的最大应力转移是因为在工作状态下，塔壁受到高温影响，产生形变。但是在塔基座处形变会受到影响而产生较大应力。

对于脱硫塔在工作时产生的屈服问题，因为一般塔壁较薄，所以在模拟时表现为向底座施加约束力（DISP_low）。对上诉四种工作状态进行模拟计算，所得屈服应力如表3 所示。

表2 模型不同工作状态最大应力

表3 不同工作状态下屈服应力一阶特征值

由上表可得，模拟设备的一阶特征值都大于3，该脱硫塔不会发生失稳现象。

2.3 模型振动分析

为了模拟脱硫塔在工作时的积水状态，把工作液以作用力的方式作用在模型底部。系统的激励频率如表4 所示（为了消除误差，频率储备取值为±0.15）。

表4 主机最大功率时激励频率

应用有限元软件对模型进行动态分析，得到该模型的一阶固有频率为20.224 Hz，并且频率储备小于0.15，原有的脱硫塔模型结构需要加强。

3 基于有限元模型的船舶废气脱硫塔结构的优化设计

根据上文可以得到，在脱硫塔进行工作有温度载荷时，脱硫塔的底座外部会产生很大的应力，所以在实际的脱硫工作中在塔底可以采用物理降温的方式，防止由于温度过高产生形变，损坏装置。

针对共振产生的结构问题，可以通过增加壁厚来改变脱硫塔的固有频率。但是该方法可会增加装置的底部和侧面应力而造成装置损坏。此外，成本也很高，所以可以在塔外壁增加加强筋来解决这个问题。

4 结论

船载废气脱硫塔与陆用相比，不仅要考虑自重，液压，高温引起的载荷和塔壁内外的压强差，还需要考虑船舶在运行时产生的加速度对装置的影响。本文对现有的船舶废气脱硫塔进行有限元分析（结构强度和振动的讨论），根据分析结果提出了相关装置的优化，包括加强脱硫塔塔底的强度，克服工作应力，对其采用物理降温缓解装置形变，在塔外壁加设加强筋防止共振。这些优化经济有效，适用于各种方式的船舶废气脱硫塔。