CAESES助力船舶废气清洁系统优化

背景

国际海事组织(IMO)，根据全球海域船舶限硫规定MEPC.259(68)决议，要求各成员国船级社注册的船舶积极履行该决议，于2020年1月1日起，船舶烟气硫氧化物排放必须<0.5%。中国交通部也出台中国海域相关"限硫"规定，加快了船舶脱硫市场的发展。

目前，减少船舶硫氧化物排放的有效方法之一是安装废气清洗系统(EGCS)进行处理，无论脱硫过程中采用何种脱硫剂，势必产生脱硫洗涤废水。国际海事组织(IMO)对该洗涤废水排放提出了严格要求，规定了pH、浊度、多环芳烃PAH等排放限值。

MEPC.259(68)规定决议中要求排放口4m半径处海域的PH值应不小于6.5

同时允许使用calculation-based methodology(Computational Fluid Dynamics)手段来进行验证，预示着从法规的角度CFD计算的需求量将会逐渐增多。

CAESES作为设计仿真优化平台，结合CFD求解器，可以更好的为脱硫塔设计优化进行服务。

模拟方法及优化方向

CFD模拟排放口附近的洗涤水与海水的PH值中和，并计算出排水口附近4m的PH值。

完整的CFD分析模拟流程应包括，建立几何模型、计算域生成、网格划分、物理场及边界条件、计算及结果分析。

根据计算结果确认方案可行性，如不满足要求，需要调整设计方案以最终满足要求。

案例分享

对某船脱硫塔排放PH模拟，并使用CAESES进行方案的优化修改。

1.几何模型

根据船舶图纸以及脱硫塔布置方案，建立模型需要的几何模型：

2.计算域

计算域大小如下，共有三个排放口outlet1、outlet2和outlet3。

3.网格划分

  采用六面体（Trimmer）网格和边界层（Prism Layer）网格对计算域进行离散。为保模拟精度并控制网格数量，对计算域采用密度渐变的网格布局，将排放口附近做为网格数量最集中的区域，逐渐向边界扩散。
 

4.物理模型及边界条件

数值计算采用稳态、多组分液体、分离流、常密度、湍流等物理模型，在多组分液体中定义海水和洗舱水。

酸性的洗舱水排入碱性的海水中，可以看作酸碱中和滴定的过程。

5.初步计算结果

*PH计算分布

*出口处4m为半径PH监测计算结果

根据计算结果，目前设计方案无法满足PH6.5的要求，需要修改方案！

修改方向-增加排放端口扩散器，使得混合更加均匀。

6.方案的修改-CAESES-Diffuser 参数化模型

选取以下设计控制变量：

*Diffuser 的叶数

*Diffuser的hub直径

*Diffuser叶片角度

7.方案的修改-CAESES-DOE结果

设置自动连接后，使用Sobol方式进行DOE计算，计算结果如下：

8.结果分析

分析各个参数对PH值的敏感度

结论：增加diffuser后，出口对应位置PH值明显提高，满足了法规的要求。

同时叶片数量与轴毂直径较叶片角度，对PH值的影响更明显！

9.延伸思考

增加扩散器会导致压力损失，压降也需要单独考虑

设计时，综合考虑PH的计算结果和压降数据。

总结

CAESES作为通用的设计仿真优化平台，可在各个领域进行应用，并获得很好的效果。本次案例是其在船舶EGC系统排放优化的方面的一部分应用，还可以应用到例如洗气塔布置等方面，这方面在发电废气清洗领域已经得到了广泛的应用。

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