阅读说明：本技术 一种利用船舶脱硫废水能量的推进系统及方法 (Propelling system and method utilizing energy of ship desulfurization wastewater ) 是由 李博洋 杨庆勇 杨化林 杨倩倩 张瑞 吕竞泽 郭超 于 2020-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用船舶脱硫废水能量的推进系统及方法,该系统包括脱硫系统、废水推进系统、废水推进管路调节系统。由于脱硫塔距海平面的高度较高,开式脱硫系统用于脱硫的海水流量大,所以为利用脱硫塔中洗涤废气的废水中含有的机械能,本发明设计了废水推进系统将这些机械能进行利用,为船舶的航行提供部分推进力,降低船舶的燃油消耗。本发明中所述的废水推进管路调节系统保证了船舶在航行过程中,废水从废水喷口处能够水平喷出,最大化利用废水中蕴含的机械能,提升能量转化率,为避免废水喷口处喷出的废水不连续,本发明提供了废水喷口内径的计算方法。且由于开式脱硫系统的市场占有率较高,本发明的应用前景广阔,实际意义较大。(The invention discloses a propulsion system and a propulsion method by utilizing ship desulfurization waste water energy. Because the height of the desulfurizing tower from the sea level is higher, and the flow of seawater used for desulfurizing by the open desulfurizing system is large, in order to utilize the mechanical energy contained in the waste water for washing the waste gas in the desulfurizing tower, the invention designs the waste water propulsion system to utilize the mechanical energy, thereby providing partial propulsive force for the navigation of the ship and reducing the fuel consumption of the ship. The wastewater propulsion pipeline adjusting system ensures that wastewater can be horizontally sprayed out from the wastewater nozzle in the sailing process of a ship, the mechanical energy contained in the wastewater is utilized to the maximum extent, the energy conversion rate is improved, and the method for calculating the inner diameter of the wastewater nozzle is provided for avoiding the discontinuity of the wastewater sprayed out of the wastewater nozzle. And because the market share of the open type desulfurization system is higher, the invention has wide application prospect and larger practical significance.)

一种利用船舶脱硫废水能量的推进系统及方法

技术领域

本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种利用船舶脱硫废水能量的推进系统及方法。

背景技术

随着国际社会对环境的愈发重视，人们节能减排的步伐不断加快，世界各国纷纷采取措施来倡导“绿色”发展。在航运业，国际海事组织(IMO)为实现“绿色”船舶，对船舶的排放提出了更高的要求，规定：自2020年1月1日起，船舶排放的废气中硫含量不得超过0.5％。可现如今，超过90％以上的船舶都是使用柴油机作为主动力装置，又以廉价且含硫量高的重油为主要的燃料油，燃烧重油虽然达到了减少成本的目的，但会产生大量含硫废气，对环境造成很大的影响。因此，面对如此严格的限硫令，船东们纷纷采取措施来降低废气中硫氧化物。

其中，在船舶上应用最广的脱硫方式就是在船舶上安装脱硫塔废气清洗系统(EGCS)，EGCS有开式脱硫系统、闭式脱硫系统和混合式脱硫系统，其中开式脱硫系统直接将海洋中的海水抽入到脱硫塔并在脱硫塔内实现喷淋，与流经脱硫塔的烟气发生反应，脱硫后的烟气直接排入大气，而中和了硫化物的海水溶液变成废水向下排放到大海。由于无需添加化学药剂、系统简单、易于管理等原因，开式脱硫系统成为现阶段最受欢迎的脱硫方式，目前有80％的船选用开式脱硫系统脱硫。

与此同时，船舶脱硫塔在船舶上的安装位置较高，大型散货船上脱硫塔距海平面的高度一般能达20m，再加上船舶主机功率大，因燃油而产生的废气多，所以供给脱硫塔用于洗涤废气的海水流量大，通常约为1000m³/h。对于干舷高度更高的集装箱船来说，其上脱硫塔距海平面的高度更是多达30m，大型集装箱船主机功率更大，供给脱硫塔用于洗涤废气的海水流量能超过2000m³/h。而船舶在海洋中航行时，开式脱硫系统一直是处于运行状态，因此脱硫塔中用于洗涤废气的海水中蕴含着较大的机械能。通常情况下，开式脱硫系统中洗涤废气后的废水往往从舷侧直接排入大海，其中蕴含的机械能并未得到合理有效的利用，造成了能量的浪费。因此，如若能把脱硫塔中高度较高，流量较大的脱硫废水中蕴含的大量机械能利用起来，用于船舶的喷水推进，为船舶的航行提供部分推进力，实现船舶的助航，将能减少船舶的燃油消耗，提高船舶的经济性。另外，由于目前开式脱硫系统已成为主流脱硫系统，所以上述方法有非常广阔的应用前景，实际意义更大。

发明内容

本发明针对上述提到的问题，提出了一种利用船舶脱硫废水能量的推进系统及方法，将船舶脱硫废水中蕴含的大量机械能利用起来，用于为船舶助航，从而降低船舶的能耗，提高船舶的经济性。

本发明的第一个目的是提出一种利用船舶脱硫废水能量的推进系统，该系统包括：脱硫系统、废水推进系统、废水推进管路调节系统。

所述脱硫系统包括：阀箱、海水泵、脱硫塔入口、脱硫塔、废水收集口、废水管道。

所述废水推进系统包括：软管入口、软管、废水喷管、废水喷管入口、废水喷口。

所述废水推进管路调节系统包括：球体、固定圈、转动螺杆、螺杆固定座、固定销、转轮、球体端盖。

在所述的脱硫系统中，废水收集口位于船舶脱硫塔的底部。

所述软管分别连接废水管道和废水喷管，废水管道和废水喷管都是刚性管道。

所述废水喷管在靠近废水喷口处为一球体，所述固定圈套在废水喷管上，船体上设有球形凹槽，恰能与球体相配合，但球体与船体并未刚性连接。球体端盖用于将球体固定在船体上。

所述球体中间有与废水喷管内径相同的通孔，从废水喷管中喷出的废水可通过球体经废水喷口排出船外。

所述螺杆固定座刚性固定在船舶上，转动螺杆旋接在螺杆固定座上。

本发明的第二个目的是基于上述的系统，提出了一种利用船舶脱硫废水能量的推进方法。

在此方法中，转轮与转动螺杆上端刚性连接，转轮的转动可以控制转动螺杆相对于螺杆固定座向上或者向下运动。转动螺杆的下端通过固定销，与固定圈相配合。当转轮顺时针或者逆时针转动时，可以推动或拉动废水喷管绕着软管向下或者向上运动，从而调节废水喷口的方向。

进一步的，废水喷口为废水喷管出水一端，位于螺旋桨尾轴的上方。废水喷管的轴线为一条直线，且该直线过船舶的中线面，无论船舶满载航行还是空载航行，废水喷口始终处在水面之下。

进一步的，为最大化利用船舶脱硫废水中的机械能，在开航之前需对废水喷管的位置进行调整，以保证船舶在航行时废水喷口处喷出的废水的方向为水平方向。

船舶航行时，海水在海水泵的抽吸作用下，由阀箱经海水泵的增压，被送入脱硫塔中。海水在脱硫塔入口处被喷淋，在重力的作用下，海水自上而下运动。此时，船舶柴油机排出的废气自下而上进入脱硫塔中，与自上而下的海水进行反应，洗涤后的废气继续上行排入大气，洗涤废气后的海水变成废水先汇入脱硫塔的废水收集口，之后沿着废水管道从软管入口进入软管中，然后经由废水喷管入口进入废水喷管中，最终废水通过球体、废水喷口被排入大海。由于脱硫塔距水平面的高度较高，所以在重力的作用下，废水中的部分势能转化为动能，废水在废水喷口处具有较高的速度。而废水向船后喷射，可使得船舶产生向前的推力，这些推力可为船舶的航行提供部分推进力，减少船舶燃油消耗。

进一步的，船舶在空载航行时，脱硫塔废水收集口距海平面的高度差△h比满载时大，在这种情况下，根据流体的流量连续性方程，废水在废水喷管中更容易出现断流现象，导致从废水喷口处喷出的废水不连续，造成废水推进效率下降。为了避免这种现象，需保证废水喷口的内径D小于临界值D_c。

根据能量守恒：

得到：

式中：

m——流体质量，kg；

g——重力加速度，m/s²；

△h——船舶空载时废水收集口至海平面的高度差，m；

η——流体的水力效率；

v——废水喷口处水流速度，m/s；

根据流量的计算公式：

式中：

Q——废水喷口处废水流量，m³/s；

A——废水喷口处截面积，m²；

D_c——废水喷口的临界内径，m；

将公式(2)代入公式(3)，得：

此时，废水喷口的内径D：

式中：

D为废水喷口的内径，m。

本发明的有益效果：

1.本发明可以实现船舶航行过程中对船舶脱硫的废水中蕴含的机械能进行利用，将废水中的大量势能转化为船舶的部分推进力，降低了船舶的燃油消耗，实现了船舶的节能减排，提高了船舶的经济性。

2.本发明中所述的废水推进管路调节系统保证了船舶在航行过程中，废水能够在废水喷口处水平喷出，最大化的利用废水中蕴含的势能，提升能量转化率。

3.本发明中，废水在船尾附近排出，由于船尾螺旋桨的存在，废水能够更加快速充分地与周围海水进行混合，降低了因扩散速度较慢而导致对废水排放附近海水的污染。

4.本发明方法简单，易于实现，装置维修简单，且由于开式脱硫系统的市场占有率较高，所以本发明应用前景广阔，实际意义较大。

附图说明

图1是本发明中脱硫系统的原理图；

图2是本发明中系统的侧视简图；

图3是废水推进管路调节系统的轴测图；

图4是废水推进管路调节系统另一视角的轴测图；

图5是软管附近连接示意图；

图6是废水喷管与船体的连接***图；

图7是调节位置后的废水推进管路调节系统的轴测图；

图8是调节位置后的废水推进管路调节系统另一视角的轴测图；

图9是调节位置后软管附近连接示意图；

附图中：1.阀箱；2.海水泵；3.脱硫塔入口；4.脱硫塔；5.废水收集口；6.废水管道；6a.软管入口；7.软管；8.废水喷管；8a.废水喷管入口；8b.球体；8c.固定圈；8d.转动螺杆；8e.螺杆固定座；8f.固定销；8g.转轮；8h.废水喷口；8i.球体端盖。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种利用船舶脱硫废水能量的推进系统，包括：阀箱(1)、海水泵(2)、脱硫塔入口(3)、脱硫塔(4)、废水收集口(5)、废水管道(6)、软管入口(6a)、软管(7)、废水喷管(8)、废水喷管入口(8a)、球体(8b)、固定圈(8c)、转动螺杆(8d)、螺杆固定座(8e)、固定销(8f)、转轮(8g)、废水喷口(8h)、球体端盖(8i)，可划分为脱硫系统、废水推进系统和废水推进管路调节系统。

其中，如图1，所述脱硫系统包括：阀箱(1)、海水泵(2)、脱硫塔入口(3)、脱硫塔(4)、废水收集口(5)、废水管道(6)。

所述废水推进系统包括：软管入口(6a)、软管(7)、废水喷管(8)、废水喷管入口(8a)和废水喷口(8h)，如图2、图3、图4和图5所示。

所述废水推进管路调节系统包括：球体(8b)、固定圈(8c)、转动螺杆(8d)、螺杆固定座(8e)、固定销(8f)、转轮(8g)、球体端盖(8i)，如图3和图4。

在所述的脱硫系统中，废水收集口(5)位于船舶脱硫塔(4)的底部。

所述软管(7)分别连接废水管道(6)和废水喷管(8)，如图5所示。废水管道(6)和废水喷管(8)都是刚性管道。

如图6，所述废水喷管(8)在靠近废水喷口(8h)处为一球体，所述固定圈(8c)套在废水喷管(8)上，船体上设有球形凹槽，恰能与球体(8b)相配合，但球体(8b)与船体并未刚性连接，球体端盖(8i)用于将球体(8b)固定在船体上，且球体端盖(8i)内部也有近似半球形凹槽，与球体(8b)相配合。

所述球体(8b)中间有与废水喷管(8)内径相同的通孔，从废水喷管(8)中喷出的废水可通过球体(8b)经废水喷口(8h)排出船外。球体(8b)的作用是为了保证废水喷口(8h)附近的密封性，避免在调整废水喷管(8)的位置时，海水从连接处进入船内。

所述螺杆固定座(8e)刚性固定在船舶上，转动螺杆(8d)旋接在螺杆固定座(8e)上。

所述转轮(8g)与转动螺杆(8d)上端刚性连接，转轮(8g)的转动可以控制转动螺杆(8d)相对于螺杆固定座(8e)向上或者向下运动。转动螺杆(8d)的下端通过固定销(8f)与固定圈(8c)相配合。当转轮(8g)顺时针或逆时针转动时，可以推动或拉动废水喷管(8)绕着软管(7)向下或者向上运动，从而调节废水喷口(8h)的方向。

所述废水喷口(8h)为废水喷管(8)出水一端，位于螺旋桨尾轴的上方，且无论废水喷口(8h)的方向如何调节，废水喷管(8)的轴线为一条直线，且该直线过船舶的中线面。

为最大化利用船舶脱硫废水中的机械能，通常在开航之前对废水喷管(8)的位置进行调整，以保证船舶在航行时废水喷口(8h)处喷出的废水的方向为水平方向。通常情况下，船舶空载航行时存在轻微的尾倾，此时，如图7和图8，可顺时针转动转轮(8g)，推动废水喷管(8)绕着软管(7)向下运动，从而控制废水喷口(8h)的方向与船舶的基平面保持一定的夹角θ，如图9所示，进而保证从废水喷口(8h)喷出的废水保持水平。而无论船舶满载航行还是空载航行，废水喷口(8h)始终在水面之下。

船舶航行时，海水在海水泵(2)的抽吸作用下，由阀箱(1)经海水泵(2)的增压，被送入脱硫塔(4)中，海水在脱硫塔入口(3)被喷淋，在重力的作用下，海水自上而下运动。此时，船舶柴油机排出的废气自下而上进入脱硫塔(4)中，与自上而下的海水进行反应，洗涤废气后的海水变成废水先汇入脱硫塔(4)的废水收集口(5)，之后沿着废水管道(6)从软管入口(6a)进入软管(7)中，然后经由废水喷管入口(8a)进入废水喷管(8)中，最终脱硫后的海水通过球体(8b)、废水喷口(8h)被排入大海。由于脱硫塔(4)距水平面的高度较高，所以在重力的作用下，废水中的部分势能转化为动能，废水在废水喷口(8h)处具有较高的速度。而废水向船后喷射，使得船舶产生向前的推力，进而为船舶的航行提供部分推进力，减少船舶燃油消耗。

船舶在空载航行时，脱硫塔(4)中废水收集口(5)距海平面的高度差△h比满载时大，在这种情况下，根据流体的流量连续性方程，废水在废水喷管(8)中更容易出现断流现象，导致从废水喷口(8h)处喷出的废水不连续，造成废水推进效率下降。为了避免这种现象，需保证废水喷口(8h)的内径D小于临界值D_c。

根据能量守恒：

得到：

式中：

m——流体质量，kg；

g——重力加速度，m/s²；

△h——船舶空载时废水收集口(5)至海平面的高度差，m；

η——流体的水力效率；

v——废水喷口(8h)处水流速度，m/s；

根据流量的计算公式：

式中：

Q——废水喷口(8h)处废水流量，m³/s；

A——废水喷口(8h)处截面积，m²；

D_c——废水喷口(8h)的临界内径，m；

将公式(2)代入公式(3)，得：

此时，废水喷口的内径D：

式中：

D为废水喷口(8h)的内径，m。

以上所述仅是本发明的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。