船舶废气湿法脱硫系统布置及结构强度研究

摘 要：该文围绕洗涤水系统、排气系统这两部分，针对船舶废气湿法脱硫系统的结构设计方案进行说明，并对船舶废气湿法脱硫系统的硬件设计与布设要求做出分析与阐述。在此基础上，通过对洗涤塔重要结构的强度有限元分析，探讨设备的振动对于结构强度的影响，结果表明，船舶的艉甲板比较适合新加塔房结构的承重;洗涤塔单元基础具有足够的承载能力承受设计载荷。

关键词：船舶废气;湿法脱硫系统;结构强度;有限元分析;结构设计

中图分类号：X736.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）34-0085-04

Abstract： Focusing on the two parts of the washing water system and the exhaust system， the article explains the structural design plan of the ship exhaust gas wet desulfurization system， and analyzes and expounds the hardware design and layout requirements of the ship exhaust gas wet desulfurization system. On this basis， through finite element analysis of the strength of important structures of the washing tower， the influence of equipment vibration on the structural strength is discussed. The results show that the stern deck of the ship is more suitable for the load-bearing of the newly added tower house structure; the unit foundation of the washing tower has sufficient bearing capacity to withstand the design load.

Keywords： ship exhaust gas; wet desulfurization system; structural strength; finite element analysis; structural design

湿法脱硫技术具有较为理想的经济性与可操作性，因此在当前的船舶废气除硫处理中更为常用。实践中，为确保相应脱硫技术可以得到可靠应用，必须要落实对船舶废气湿法脱硫系统的合理布设，确定各类底座结构和塔房结构对原船的结构和重量分布会产生的影响，避免相应系统的设置对船舶运营的经济性和安全性产生负面影响。

1 船舶废气湿法脱硫系统的结构设计

1.1 洗涤水系统

在开式除硫系统中的洗涤水系统实际运行期间，主要结合对洗涤海水泵的应用，实现从海水总管中取水的操作，以此将提取到的海水作为洗涤水;在加压的条件下，控制提取出的部分海水（洗涤水）顺利通过管路并转移至洗涤塔的引流段进行引流和冷却，部分海水会转移至吸收段，依托对喷嘴的应用实施雾化除硫。在重力的作用下，提取出的海水普遍会汇集在洗涤塔的底部位置，并在洗涤水排出管的支持下，顺利排出到舷外。在当前的实践中，更多使用离心泵作为洗涤海水泵，而由于离心泵并不具备自吸能力，所以如果想要实现在海水总管内顺利取水，就必须要将该洗涤海水泵（离心泵）在机舱的底层区域布设。对于洗涤塔而言，其在实际的运行过程中需要从各燃油设备的排气管汇总的排气总管内完成取气作业，而在正常情况下，高温排气会自动向上排出，以此需要确保排气总管的布设位置始终保持在不低于最高燃气设备布设位置的条件下。废气组合锅炉为布设在机舱棚内最高点位置的燃油设备，结合上述的分析可以明确的是，必须要在高于废气组合锅炉布设位置的区域，落实对排气总管的设置。与之相对应的是，要保证洗涤塔的布设高度与废气组合锅炉基本保持在相同水平[1]。然而，受到机舱棚位置本身较为狭小的影响，普遍只能够将洗涤塔在废气组合锅炉上面一层的位置进行布设。而对于改装船而言，受到机舱棚内原有布设的复杂性较为明显的影响，只能够在机舱棚的外部区域进行船体结构的加设，并在附加结构内布设洗涤塔，如图1所示。

在闭式除硫系统中的洗涤水系统实际运行期间，主要结合对处理水循环泵的应用，实现从处理水柜中取水的操作;在加压的条件下，控制提取出的水（洗涤水）顺利通过管路并转移至洗涤水冷却器中，在相应冷却器内完成对高温洗涤水的冷却处理;控制经过冷却处理后的洗涤水向着洗涤塔内转移，为废气冷却、废气内硫氧化物的吸收提供有力支持。

1.2 排气系统

在排气系统内，排气管与洗涤系统之间始终保持在相连接的状态下。在开式模式的条件下，原本存在于海水箱内的洗涤水在泵的作用下迅速转移至洗涤单元内;在进入到洗涤塔内后，洗涤水被划分为3层喷出。其中，第一层洗涤水存在于文丘利管中，用于对废气流速的增大，促使背压下降，减少硫化物以及颗粒物;第二层、第三层洗涤水存在于洗涤塔内，将除雾装置加设在洗涤塔的塔顶末端，能够有效降低水滴随排出气流带出这一现象的发生概率。加设旁通管，确保洗涤单元在发生故障（无法正常运行）的状态下，燃烧设备依旧可以维持在稳定运行的条件下。基于开式模式的应用，洗涤废水可以迅速、有效地排放到舷外。

在洗涤塔内，废水与水混合后受到清洗;在排气烟囱与燃油机械之间的位置加设洗涤塔，在引流管的支持下，废气可以顺利转移至洗涤塔内部;洗涤塔内部，废气会转入冷却状态，其中所存在着的部分颗粒物、硫氧化物会被带走，同时废气会在洗涤塔内受到进一步清洗。旁通装置是废气清洗系统的重要结构，在旁通阀转入到开启状态后，废气会迅速向着烟囱中移动，洗涤塔被旁通。在取气阀转入到开启状态后，废气可以顺利通过洗涤塔。对于旁通阀与取气阀而言，要求确保二者之中始终有一个阀门维持在开启状态下，以此体现出对燃油机械的更好保护。

2 船舶废气湿法脱硫系统的硬件设计与布设

2.1 基于洗涤水洗涤及其处理的排放系统

2.1.1 脱硫海水泵

对于脱硫海水泵来说，其在实际运行过程中，主要在海底阀箱或海水总管位置取水，并在加压的条件下，将提取到的海水转移至高位的洗涤塔内。在脱硫海水泵的运行期间，主要由电机驱动，以此实现对泵启动、停止的有效控制。脱硫海水泵的扬程主要与下述2项参数息息相关，即洗涤塔的布设位置，其与系统的重力压头紧密关联;洗涤塔内所设置的水喷嘴（用于海水喷射）在雾化作业期间所需要的压力大小，与系统的动压头息息相关。要求确保脱硫海水泵的扬程能够始终保持在超过上述2项参数之和的条件下。

2.1.2 脱硫洗涤塔

在除硫系统中，脱硫洗涤塔占据着核心地位。U型脱硫洗涤塔主要由吸收器段和射流器段两部分构成。其中，吸收器段可以进一步划分为3段，即上段、中段与下段;射流器段可以进一步划分为2段，即导管段与射流段，如图2、图3所示。

2.2 燃油设备的排气与后处理系统

2.2.1 废气加热锅炉

对于燃油设备而言，其实际所排出的废气普遍具有相对较高的温度。其中，主机排出废气的温度普遍维持在220～340 ℃的水平;发电机排出废气的温度普遍维持在290～360 ℃的水平。基于这样的情况，出于对推动能源利用率有效提升的考量，应当控制主机、发电机所产生的高温排气转移至废气加热锅炉内，促使相应排气所具有的热量能够传递至锅炉水，使得锅炉水可以汽化并转变为蒸汽，为机舱舱柜的加热、其他用热用户使用提供支持。

2.2.2 消音器

中高速机在实际的运行过程中，由于排气的高速、高频，会随之产生中高频噪音。基于这样的情况，为减小实际排气过程中中频、高频噪声的产生，就需要将消音器加设在排气管道上，以此实现对排气噪声的减少，推动船舶舒适程度的进一步提高。

2.2.3 排气压力平衡风机

对于主机、主锅炉、发电机、辅锅炉等设备而言，其所排出的气体主要在相同的洗涤塔内通过。在此过程中，所面对的主要问题为，多个设备排气在洗涤塔后的备压保持在一致的状态下，然而，由于上述几种设备实际所使用的燃烧形式不尽相同，因此对于备压所具备的敏感性程度也存在着明显的不一致现象，与之相对应的是，各个设备对于排气备压的要求也有所差异[2]。基于这样的情况，必须要投放排气压力平衡风机，切实参考不同设备的排气量落实对风机排量的灵活性、动态性调节，保证洗涤塔后段的备压始终保持为零。

2.3 洗涤塔重要结构的布设要求

2.3.1 空间要求

设备处所和操作空间是塔房设计的基本出发点。首先根据设备的外形尺寸，塔房的基本外形尺度可以做出合理的预估。然后，脱硫洗涤塔需要合理地布置在塔房内的底座上，其高度需要和烟囱内排烟管的高度匹配，尽量避免备压损失，同时保证底部留有足够的绞机操作高度;但是又不能高过烟囱或者生活区[3]。在宽的尺度要求上，要求宽度不能超过船宽的1/4，长度的覆盖范围最高不能影响舵轴工艺孔的位置。另外，在满足这些前提条件下，设备的边缘到塔房壁板的距离还需要考虑塔房内水平桁的宽度和过道宽度要求。

机舱里的设备，特别是海水泵，需要留出足够的安装空间和操作空间。同时要求必须保证机舱过道600 mm的净宽度不被占用;高度尽量靠近3 781 mmA/BL高度位置。

2.3.2 位置要求

除了在前文中提到的脱硫系统位置对船舶重量重心的影响，洗涤水泄放管入舱位置也决定着设备（脱硫塔）及塔房的最终位置。由于洗涤水泄放管的使用要求和材料的特殊性，管路布置时尽量竖直布置、避免弯头。在本案例中，因为塔房区域和缆绳工作区域的重叠，在结构立柱布置时，还需要考虑缆绳的走向。立柱的位置既不能和缆绳干涉，也不能影响绞机的操作。

2.3.3 强度要求

脱硫系统的塔房在日常使用中主要承受的是设备的重量、风载和船舶航行时在3个方向上的加速度。由于结构所处的高度和位置，一般的甲板载荷和波浪抨击对结构的作用不大。在后面的结构强度分析中，主要考察的也是在船舶航行状态下的结构强度。在满足强度要求的基础上，尽量选用轻便的材料和结构形式也有利于船舶的重量控制和工程成本控制[4]。

3 洗涤塔重要结构强度的有限元分析

3.1 洗涤单元强度的有限元分析

洗涤单元强度的有限元分析，设定的模型范围为，FE模型包括纵向上FR10-FR20+400的结构，纵向上从船甲板到EL39735mm的结构。模型理想化：所有结构，如甲板、舱壁和梁腹板建模与壳单元。所有甲板、舱壁和梁翼缘的加强筋都用梁单元表示。以管为梁单元，以连接为板单元。模型如图4所示。

附加荷载设定如下：洗涤单元自重24 t，用MPC连接到洗涤单元的基座。加速度由船舶所有者提供，并将基本载荷工况合并为最终载荷，见表1。

分析中，得到的额外压力数据值见表2。

采用Norsok N-004规则对立柱进行屈曲强度校核，所得到的结果表明，洗涤塔单元基础具有足够的承载能力承受设计载荷。

3.2 海水泵基座以及支撑结构强度的有限元分析

海水泵基座以及支撑结构强度的有限元分析期间，搭建并使用的有限元模型包括纵向FR30-FR36的结构。甲板、舱壁和梁腹板建模成壳单元。所有甲板、舱壁和梁翼缘的加强筋都用梁单元表示。以管为梁单元，以连接为板单元。模型如图5所示。

附加荷载设定如下：海水泵自重1.6 t，用MPC连接到洗涤单元的基座。加速度由船舶所有者提供，并将基本载荷工况合并为最终载荷。分析中，得到的额外压力数据值见表3。

采用Norsok N-004规则对底座支架进行屈服强度校核，所得到的结果表明，洗涤塔单元基础具有足够的承载能力承受设计载荷。

3.3 结论

通过对塔房结构和底座结构的强度有限元模拟计算校核，得出以下结论：第一，在船舶正常航行时，塔房的结构和设备的底座完全可以满足设备正常运行的保护需求。第二，塔房与机舱棚平台的两层连接在有限元模拟中没有体现，实际工程中由于这两道约束的存在，塔房结构的振动（晃动）会更小。第三，海水泵的位置对内底结构不会造成较大载荷。第四，结构设计符合规范要求，且满足正常使用。

4 结束语

综上所述，本文围绕船舶湿法脱硫系统实现的需求，从船舶湿法脱硫系统组成、系统布置、结果强度3个方面进行了深入研究，主要结论如下：①在目前的市场情况下，选择加装尾气脱硫系统，是比较安全且经济的脱硫排放选择。②开式脱硫系统具备比较高的经济性和可操作性，对船舶的稳定性和结构影响较小。③通过结构的强度有限元分析可以得出，船舶的艉甲板比较适合新加塔房结构的承重;机舱底的结构完全可以满足海水泵的强度布置要求。

参考文献：

[1] 赵婉莹.船舶舱底油污水与废气洗涤废液的协同处理方法[D].大连：大连海事大学，2023.

[2] 姜春晓.新型液体氧化剂在船舶柴油机废气一体化脱硫脱硝中的应用研究[D].济南：山东交通学院，2023.

[3] 郭士义，程俊其，韩志涛，等.船舶废气CaO浆液闭式湿法洗涤的脱硫性能与机理[J].船舶工程，2022，44（11）：69-75，117.

[4] 邹天宇.CaO浆液湿法洗涤同位协同O3氧化脱硫脱硝性能实验研究[D].大连：大连海事大学，2021.

基金项目：江苏航运职业技术学院横向课题（H2020019）

第一作者简介：吴灿（1985-），女，硕士，讲师。研究方向为船舶与海洋结构物设计与制造。