关键词：新型；船舶；污染防治系统
1研究背景
船舶航行中，压载是一种必然状态。船舶在加装压载水的同时，海水中的生物也随之被加装入到压载舱中，直至航程结束后排放到目的地海域。压载水跟随船舶从一地到它地，从而引起了有害水生物和病原体的传播。压载水的无控制排放可能会对海洋生态系统、社会经济和公众健康造成危害。为了更有效的控制船舶压载水传播有害水生物和病原体，国际海事组织（IMO）于2004年通过了《国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》。“公约”对压载水的处理标准，即处理水中可存活生物的种类及数量作了明确规定（D-2标准）。
船引擎排出的废气是船舶造成的另一环境问题。废气由CO2，NOx，SOx，CO和微粒物质组成。NOx和SOx是极酸性的，它们在水溶液中形成强酸，成为酸雨的罪魁祸首。进一步的，二氧化碳是最重要的温室气体之一。IMO已实施规定来管理和控制一些成分。例如，SOx排放逐渐减少。全球的硫最大百分比从4.5％(当前的规定)降至自2020年1月1日开始生效的0.5％。这些百分比对于硫排放控制区域(例如美国加利福利亚)是更为严格的。这些区域的硫最大百分比将从2010年7月1日起减至1.0％，且从2015年1月1日起进一步减至0.1％。
2拟解决的主要技术问题、难点
满足IMO提出的关于压载水处理的五项标准：安全、经济、实用、有效且环境允许。电解海水产氯消毒目前存在以下问题和难点：1）能耗高，大大增加处理成本；2）产生的H2存在安全隐患；3）电极在海水易损耗，表面易形成沉积，更换次数频繁；4）处理过的压载水腐蚀性强，会破坏船舱涂层；5）处理后的压载水直接排放可能会对排放的环境造成二次污染。
3主要研究成果
3.1压载水处理
电极材料会直接影响电流效率，所使用的电极阳极析氯过电位和阴极析氢过电位越低，可以降低槽电压节省能耗。针对压载水的特点和处理要求，通过对传统钛板电极表面进行贵金属（钌、铱、铂等）修饰改性，提高其抑氯析氧性能，在保证处理效果的同时降低处理过程可能出现的安全隐患。改性后的电极使用效果好且运行寿命长，相比于常规电极，寿命可提高2到4倍。
本项目中用于生成杀灭微生物的含氯溶液的反应是在电解槽中完成的，因此电解槽是整个系统的关键设备。一方面，电解槽必须使有效氯产率达到杀灭船舶压载水中有害水生物和病原体所需的要求；另一方面，还要求其能降低能耗，达到节能环保的目的。在电解槽的设计和研制过程中，结构形式的确定和材料的选择是两个重要方面，共同决定着电化学反应器的工作特性。本项目中将采用离子膜电解槽。离子膜是一种特殊的阳离子选择性透过膜，它只允许Na+等阳离子和水分子通过，阴离子和气体分子则难以透过。由Donnon膜理论，具有固定离子和对离子的膜有排斥外界溶液中某一离子的能力。在离子膜的膜体中，有由带负电荷的固定离子如SO3-、COO-和一个带正电荷的对离子如Na+组成的活性基团，他们以静电键的方式结合。如磺酸型阳离子交换膜，磺酸基团的亲水性使膜在溶液里溶胀，膜体变松并产生许多微细弯曲的通道，使活性剂团中的对离子Na+能够进行交换，同时活性基团的固定离子对Cl-和OH-具有排斥能力。电解过程中，阳极生成高浓度氯水进入主管系与海水混合，对其中微生物进行杀灭。阴极产生的OH-由于受到活性基团中固定离子的排斥，在阴极室富集形成高浓度碱液，导入吸收塔用以对废气进行洗涤。
电解效率还与电解液的温度有关。本项目将创造性地对电解槽中的压载水进行加热，以提高其温度降低海水的欧姆降，同时降低阴阳极的理论分解电压和析氯过电位，提高电解效率，节省能耗。加热压载水的主要热源可以为船舶柴油机余热、锅炉系统蒸汽回气余热以及引擎排放废气余热。目前虽然最先进的柴油机效率可达50%，但排期和冷却水仍然带走大量的废热；锅炉系统蒸汽回气温度较高，尤其是加热负荷不高时，回气为气液混合，具有较高的能量；船舶引擎废气温度可达300-600oC，这几部分废热足以将压载水加热到40oC以上。一方面在这个温度下可以杀死部分藻类和原生动物，之后对其电解，利用电解过程产生的有效氯将仍然存活的生物和微生物杀灭；另一方面，回收了船舶柴油机、锅炉系统蒸汽回热及废气余热的利用，提高了能量利用率。
IMO对压载水处理设备的控制系统有如下技术规范：1）控制系统需能自动监视和调整必要的处理剂量、强度或压载水管理系统的其他方面。它不直接影响处理过程，但能够对必要的处理过程进行适当的控制。2）控制系统能够在压载水处理操作过程中对其运行进行持续监视。根据上述技术规范，本项目的自动控制系统设计时主要将其分为压载模块、排放模块、报警模块以及停止模块，其中压载与排载又分别设置了自动手动模式。对于压载水处理的自动控制系统的设计，首先设计系统的管路结构图，然后将采用PLC以及HMI来实现整个系统的自动控制以及监控，触摸屏与PLC之间采用MPI通信，其上机位为西门子触摸屏，通过组态软件WinCCflexible来设计系统操作与监控界面；下机位为西门子的S7-300系列PLC，通过STEP7梯形图编程来实现系统自动控制。
3.2废气处理
气液传质设备是整个废气净化系统的核心，废气的整个吸收过程都是在气液传质设备中完成的。气液传质设备的形式有多种，本项目中拟采用塔式设备。由于废气和碱液具有较高的腐蚀性，设计塔式设备需考虑其耐腐蚀性，同时尽可能的减少塔式设备的压降，本项目将选择填料塔作为吸收塔。根据柴油机有关技术参数和燃油的元素组成比可计算出废气中的各组分浓度和分压，从而确定吸收塔的设计参数。填料在吸收塔净化废气过程中有着非常重要的作用，吸收液润湿填料表面增大气液接触面积，填料的多孔性不仅能够促使气液均匀分布，而且可促进气相的湍流，填料的流体力学性能和传质性能直接决定了吸收塔的吸收效率。填料的选择应满足比表面积大、空隙率高、堆积密度小、机械强度大、耐腐蚀性能好等要求。前期研究发现操作温度对气体净化过程影响较高，且其影响随温度的升高而增大，操作温度超过50oC,洗涤效率比常温时下降20%以上。本项目中将通过热泵将吸收塔与电解槽进行热交换，分别达到各自最优的运行条件。
整个处理工艺流程如下图所示：
4总结
研发并产业化一种船舶污染防治系统，能够同时解决船舶航行所引发的环境污染问题，包括压载水排放造成的生态破坏和船舶废气造成的大气污染。利用电解海水法产生的氯水和碱水分别进行压载水的消毒和废气的洗涤，以废治废，实现船舶的“零排放”，降低船舶治污的综合成本。这项产品在国际上非常先进，在国内绝无仅有，具有非常大的经济价值及社会效益。
参考文献
[1]曾霖,张洪朋,滕怀波.一种船机油液多污染物检测新方法研究[J].机械工程学报,2018,54(12):125-132.
[2]杨少龙.基于紫外/电解海水的船舶废气脱硝性能与机理研究[D].大连海事大学,2017.
论文作者:姜彬
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/12
标签：废气论文; 船舶论文; 电解槽论文; 吸收塔论文; 离子论文; 系统论文; 电极论文; 《科学与技术》2019年第15期论文;