0 引　言

为应对全球气候变暖的严峻问题，联合国颁布了《京都议定书》《巴黎协议》及《格拉斯哥气候公约》等一系列公约和协定，以加强对温室气体排放的管控。船舶运输作为全球贸易运输的主要途径，根据碳排放量占全球总碳排放量3%，由此产生的环境问题已影响到人类生存^[1]，因此，国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）在MEPC80次会议通过了《2023年IMO温室气体（GHG）减排战略》，提出三步走船舶减碳目标，最终在2050年左右，实现净零排放^[2]。面临极具挑战性的船舶减碳目标，行业急需发展船体节能、船舶动力节能及尾气处理等技术，以满足未来多样性的船舶减碳需求。面向未来高标准的减碳目标，旧改船舶可采用尾气处理技术即碳捕集及存储技术（Onboard Carbon Capture and Storage, OCCS）实现^[3]。

目前，醇胺化学吸收法是技术最为成熟和工业应用最广泛的碳捕集手段，也是针对船舶尾气低CO₂浓度使用工况下最主流的研发方向，但该技术仍存在设备体积大的劣势，一定程度上限制了其在船舶应用^[4]。其中，CO₂吸收塔是整个系统中体积最大的设备，直接关乎船舶安装空间需求。塔内气体的均匀分布，能够有效提高设备反应效率^{[5 − 6]}，降低设备尺寸，利于船舶有限空间内的安装。

气体分布器是填料塔中的气体均布主要部件之一，气体分布器对填料塔的性能有重要影响，学者们已经进行相关研究 ^{[7 − 9]}。余帅等^{[10 − 11]}利用CFD仿真模拟技术对双相环流憋压式气体分布器进行了气体流动特性研究，得到了分布器主要结构参数对其性能的影响规律，为分布器的设计和选型提供参考。朱灿朋等^[12]利用CFD仿真模拟技术对双列叶片式和双切向环流式气体分布器进行了气体流场模拟，并认为CFD仿真模拟技术可为填料塔初始气体分布器结构的改进提供理论依据和技术支持。但目前的研究，大多以单一气体分布器进行研究分析，还缺乏针对OCCS的不同气体分布器对尾气在吸收塔内的均布性能全面研究，无法对目前的船舶碳捕集装置设计提供参考。

本文通过CFD仿真模拟技术，对不同气体分布器对尾气在OCCS吸收塔内的流动进行分析，以确定适合吸收塔的促进尾气分布方式，并对该分布方式进行关键设计参数优化，以保证塔内气体流动性能最佳，提升吸收塔效率。

1 模型与方法 1.1 物理模型

目前，工业生产中常用的气体分布器有多孔直管式、直管挡板式、双切向环流式和双列叶片式气体分布器^[13]，同时随着工业应用需求增加，也逐渐发展出新型的气体分布器，如进气口缓冲挡板式和筛孔式。同时，尾气的进气方式也是影响气体在塔内分布的因素之一。本文以市场需求最大的2 t/h CO₂捕集量的OCCS为研究对象，设计直径3 m的吸收塔，其初始设计参数如表1所示，对2种常用进气方式和6种气体分布器进行塔内气体流动研究，模型如图1和图2所示。

1.2 计算模型

尾气扩散过程控制方程包括连续性方程、能量守恒方程、动量守恒方程及湍流模型方程。

1） 连续性方程（质量守恒）

$ \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \nabla \left( {\rho \overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\rightharpoonup}$}} {\nu } } \right) = {S_m} 。$

(1)

2）能量守恒方程

$ \frac{{\partial \left( {\rho E} \right)}}{{\partial t}} + \nabla \left[ {\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\rightharpoonup}$}} {\upsilon } \left( {\rho E + p} \right)} \right] = k{\nabla ^2}T - {\sum {_ih} _i}{J_i} + \varPhi + {S_h}。$

(2)

3）动量守恒方程

$ \frac{{\partial \left( {\rho \mathop \upsilon \limits^ \rightharpoonup } \right)}}{{\partial t}} + \nabla \left( {\rho \mathop \upsilon \limits^ \rightharpoonup \mathop \upsilon \limits^ \rightharpoonup } \right) = - \nabla p +\overline {\overline \tau} + \rho \mathop g\limits^ \rightharpoonup 。$

(3)

4）湍流模型方程

$ {\upsilon _t} = {C_\mu }\frac{{{k^2}}}{\varepsilon }。$

(4)

式中：S_m为质量源项，kg/(m³·s)；E为内能，J；k为导热系数，W/(m·K)；h_i为i组分的焓，J/kg；J_i为扩散通量，kg/(m²·s)；Φ为能量耗散项，J/(m³·s)；S_h为能量源项，J/(m³·s)；τ为切应力，N/m²；m_i为质量分数；S_i为i组分的质量源项，kg/(m³·s)；k为湍动能，J；ε为湍动耗散率。

1.3 性能评价模型

气体流通性的评价指标包括气体流速不均匀度M和气体压降ΔP。不均匀度表示气体分布均匀性，M越小，速度分布均匀性越好。气体压降定义为吸收塔尾气进口与出口压差，压降越小，气体分布器性能越好。

$ M = {\left[ {\frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {\frac{{{u_i} - u}}{u}} \right)}^2}} } \right]^{0.5}}，$

(5)

$ \Delta P = {P_i} - {P_0} 。$

(6)

式中：n为平面取点个数；u_i为第i个点的气体流速，m/s；u为平面平均气体流速，m/s；P_i为吸收塔尾气进口压力，Pa；P₀为吸收塔尾气出口压力，Pa。

1.4 求解设置

本文采用Fluent 2021作为求解器，利用压力基求解器来求解稳态扩散过程。流场迭代求解方法选择SIMPLE，湍流模型选择k-ε模型，利用标准避面函数法来处理流动中的边界问题。边界条件的设置：尾气进口为质量入口，塔内出口尾气选择压力出口。其他壁面边界条件选择无滑移绝热壁面，计算结果要求所有残差值小于10⁻³，重力加速度为9.81 m/s²，为了简化计算，对尾气扩散过程作了以下假设：

1）尾气在塔内扩散过程中不发生化学反应和相变；

2）尾气在塔内的扩散通量为恒定值；

3）重力加速度不随空间高度而改变。

1.5 网格无关性检验

为了降低网格数量对仿真结果影响，提升结果准确度，本文以水平进气模型为基础，进行网格无关性验证，对气体不均匀度进行监控，当尾气分布均匀度随着网格数量的增加基本维持不变时（变化率<1%）确定网格数量，模拟计算结果如表2所示，网格数量选择66000。

2 气体进气方式及气体分布器型式对塔内尾气流动影响 2.1 进气方式对尾气流动影响

不同进气方式对尾气在塔内的运动轨迹影响如图3所示，尾气在塔内距进口顶端0.4 m截面处的流速分布如图4所示。

由图3可知，水平进气、下倾5°进气均不能使尾气在塔内实现充分的均匀分布，尾气通过进气口高速进入塔体后，会撞击塔壁，从而使尾气具有沿塔壁横向运动的速度，最终尾气在塔内呈螺旋形上升，存在径向的回流区。

本文通过气体在塔内的流动速度反映气体在塔内分布情况，气体流动速度越高，表明气体分布越多。由图4可知，水平进气、下倾5°进气使尾气在塔内出现较为严重的壁流，该现象会导致尾气在进入填料后大部分气体沿塔壁流动，降低吸收塔工作效率。

由图5(a)可知，水平进气使尾气在塔内的分布不均匀度随距尾气进口顶端距离增加而增加，下倾5°进气使气体在塔内的不均匀度随距尾气进口顶端距离增加呈现先增后平稳的规律，在0.6 m处达到不均匀度最大值。但整体来看，水平进气方式使尾气在塔内分布不均匀度更低，有利于尾气在塔内均布。

高速流动的气体会对塔内件，尤其是填料产生冲刷腐蚀，导致其使用寿命缩短，因此，气体在塔内的最高流速也是流动性能指标之一。由图5(b)可知，水平进气和下倾5°进气使气体最高流速在塔垂直方向上呈先升后降的规律，其原因为气体进入塔内后先向塔壁聚集，导致流速升高，随着气体沿塔径方向扩散，气体逐渐分布开来，最高流速便降低。同时，在距尾气进口距离较近的位置，水平进气方式的尾气最高流速低于下倾5°进气。

水平进气和下倾5°进气都不能使尾气在塔内具有较为均匀的分布，但水平进气可使气体不均匀度更低，利于尾气在塔内均布。另外，由于船舶空间有限，OCCS吸收塔总高受到限制，尾气进口顶端距填料底部的距离不宜过高，即尾气进入吸收塔后扩散距离有限，在此需求下，水平进气的塔内气体最高流速较低，利于延长填料寿命。因此，水平进气方式较下倾5°进气更适用于直径3 m的OCCS吸收塔。

2.2 气体分布器对尾气流动影响

本文以水平进气方式，对不同气体分布器对尾气在塔内的流动进行了模拟。尾气运动轨迹如图6所示，尾气在塔内距进口顶端0.4 m截面处的流速分布如图7所示。

由图6可知，多孔直管式、双切向环流式、进口缓冲挡板式、筛孔式等分布器使尾气在塔内呈螺旋形上升，存在径向的回流区。直管挡板式和双列叶片式分布器使尾气在呈垂直上升，但在轴向存在回流现象，部分轴向区域存在尾气分布不均的空隙。

图8为吸收塔内的气体分布不均匀度与距尾气进口顶端距离的关系。由图8(a)可知，直管挡板式、双切向环流式、进气口缓冲挡板式等分布器使气体在塔内的分布不均匀度与尾气进口顶端的距离成反比，表明以上3类分布器顶部的气体扩散距离越长，气体分布均匀性越好，其中进气口缓冲挡板式分布器对气体分布的促进作用最为明显，在距尾气进口顶端1.8 m处，气体分布不均匀度达到最低0.288，气体分布最为均匀。双列叶片式气体分布器使气体在塔内的不均匀度随距尾气进口顶端距离增加呈现先增后平稳的规律，均在0.8 m处达到不均匀度最大值。筛孔式分布器使气体在塔内随距尾气进口顶端距离增加，分布不均匀度呈先增后降的变化规律，表明气体在塔内分布均匀性在靠近尾气进口顶端0.2～0.4 m与超过尾气顶端1 m后具有良好的分布，在低扩散距离的使用工况中较其他分布器对气体的均布效果更优。

由图8(b)可知，多孔直管式、直管挡板式、双切向环流式、双列叶片式、进气口缓冲挡板式等分布器使气体最高流速在塔垂直方向呈现出逐渐降低的规律，这类气体分布器直接安装在尾气进口处，对气体流速影响集中在进口区域，气体进入塔内后逐渐扩散，流速最高流速便随扩散距离增加而降低。其中，双切向环流式分布器可是尾气在塔内最高流速最低。而筛孔式分布器使气体在塔垂直方向上的最高流速呈现先降后增再降的规律，其原因是筛孔式分布器通过横截面开孔迫使气体分布，在此过程中，气体在筛孔分布器下方时受到节流作用流速降低，而通过筛孔时流速增加，之后在塔内进行扩散流动，最高流速逐渐降低。

图9为不同进气方式和气体分布器对尾气造成的压降。可知，直管挡板式分布器对气体造成的压降最大，为241.3 Pa，其次为双切向环流式分布器和筛孔式分布器，压降分别为209.5 Pa和195.1 Pa。其余进气方式和气体分布器对气体的压力影响较小，均低于100 Pa。

通过对不同气体分布器对尾气在塔内的流动分析，结合船舶OCCS吸收塔高度限制，在短气体扩散距离限制条件下，筛孔式分布器使尾气分布均匀性最佳，同时能有效降低尾气在塔内的壁流现象，是最适合船舶OCCS吸收塔进行尾气均布的分布器。但筛板式气体分布器还存在尾气流速偏高、尾气压降大等劣势，需通过优化设计以提高其适用性。

3 筛孔式气体分布器优化设计 3.1 尾气进塔流速对筛孔式气体分布器性能影响

在水平进气、筛板开孔率为10%时，对吸收塔尾气进塔流速15、17、19、21、23、25 m/s进行了塔内气体流动模拟。图10为进气流速对塔内气体流动参数的影响。可知，尾气进塔流速对气体在塔内的速度分布不均匀度的影响几乎可以不计，而塔内最高流速与尾气进塔流速与成正比，进塔流速越高，塔内相同高度截面上的最高流速越高。因此，降低尾气进口流速能有效降低气体在塔内对填料等附件的冲刷腐蚀。在处理尾气量一定的情况下，尾气进口流速决定进口口径，流速越低，口径越大，因此，低尾气进口流速会导致进口口径增加，从而使得吸收塔高度增加。表3为不同进气流速下尾气进口直径，进气流速从15 m/s增加至25 m/s时，进口直径由1040 mm降低至806 mm，塔高相差234 mm。

图11为筛板式气体分布器压降随进气流速的变化。可知，进气流速由15 m/s增加至25 m/s，分布器压降也由64 Pa增加至179 Pa。

综合塔内气体分布均匀性、最高流速、压降及塔高，尾气进口流速设计为20 m/s，相较最初25 m/s进气流速，气体分布均匀度几乎相同、塔内最高气体流速降低约2.8 m/s、压降降低约60 Pa，塔高增加95 mm。

3.2 开孔率对筛孔式分布器性能影响

在水平进气、进气流速为20 m/s时，对筛孔式分布器的10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%等开孔率进行了塔内气体流动模拟。图12为筛孔式分布器开孔率对塔内气体流动参数的影响。可知，在距尾气进口顶端低于0.6 m时，气体流速不均匀度与开孔率成正比，表明分布器开孔率越小越有利于气体在塔内均匀分布。当气体距进气口顶端距离超过0.6 m后，气体流速不均匀度与开孔率成反比，表明分布器开孔率越大越有利于气体在塔内均匀分布。而开孔率超过30%后，开孔率对气体的流速不均匀度影响较小。在塔内气体最高流速方面，整体看来，分布器开孔率对气体最高流速影响并不明显，仅开孔率为10%时，与其他开孔率的最高流速相差较大，但最大流速差也仅相差1.5 m/s左右。图13为开孔率对压降的影响，结果显示，开孔率越大，分布器对气体造成的压降越小，但开孔率超过30%后，增大开孔率对压降的降低作用会逐渐减弱。

考虑船舶OCCS吸收塔气体扩散距离短，分布器选用低开孔率能保证气体具有良好的分布均匀性。同时，为了降低气体最高流速、减少气体压降，开孔率不可太低，综合考虑，开孔率选用15%。

4 结　语

1）水平进气方式能使尾气在短扩散距离条件下中具有较优的分布均匀性和较低的最高流速，比下倾5°进气更适合船舶OCCS吸收塔。

2）在短扩散距离条件下，筛孔式气体分布器能使尾气在塔内具有最优的分布均匀性，同时能有效改善气体在塔内的壁流现象。但会导致尾气在塔内的最高流速增加和压降升高。

3）降低尾气进塔流速对筛孔式分布器的尾气均布性能影响甚微，但尾气进塔流速由25m/s降低至20 m/s，能降低尾气最高流速2.8 m/s，降低尾气压降60 Pa，但吸收塔总高增加95 mm。因此，综合气体流动性能和塔高要求，尾气进口流速宜选择20 m/s。

4）低开孔率的筛板式气体分布器在扩散距离低于0.6 m的工况中可使气体分布具有良好均匀性，但开孔率过低，则导致塔内气体最高流速和压降升高，综合考虑，筛孔式气体分布器开孔率设为15%最适宜。