加熱-電解混合處理船舶壓載水的方法

文/ 遼寧海事局 員錫濤 袁 川 吳海波

加熱-電解混合處理船舶壓載水的方法

文/ 遼寧海事局 員錫濤 袁 川 吳海波

針對(duì)現(xiàn)有船舶壓載水處理方法，提出加熱-電解混合處理壓載水這一新方法。以某油船為例，對(duì)船舶壓載水處理系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并通過(guò)計(jì)算論證其可行性。

壓載水；余熱；電解

相對(duì)船舶壓載水處理的傳統(tǒng)方法，加熱-電解混合法是一種新的處理方法，即先利用柴油機(jī)余熱對(duì)海水進(jìn)行加溫使之達(dá)到35~40 ℃，這樣就可以殺死大多數(shù)藻類(lèi)和一部分原生動(dòng)物，然后再進(jìn)行電解，利用產(chǎn)生的有效氯以及電場(chǎng)作用等殺死全部海洋生物和細(xì)菌。在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)天然海水的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：某些藻類(lèi)能忍受5～10 mg/L有效氯處理，但對(duì)溫度非常敏感，40 ℃時(shí)絕大多數(shù)只能存活很短的時(shí)間[1]；原生動(dòng)物對(duì)氯化處理的耐受性很差，5 mg/L有效氯處理即可滅除。該系統(tǒng)以電解處理為主、加熱處理為輔，互為補(bǔ)充，在簡(jiǎn)化電解系統(tǒng)使處理結(jié)果更為可靠的同時(shí)，又避免了單獨(dú)的余熱處理法所引起的船體強(qiáng)度下降和應(yīng)力破壞等弊端。

一、加熱-電解混合法的原理

現(xiàn)在，最先進(jìn)的柴油機(jī)的效率雖然已經(jīng)達(dá)到50%以上，但排氣和冷卻水等仍然會(huì)帶走大量的廢熱。以某65 000 t油船的MAN B&W6S50MC型號(hào)柴油機(jī)（額定功率8580 kW，轉(zhuǎn)速127 r/min）為例，其提供的廢熱足以把全部壓載水加熱到35~40 ℃，并能保持足夠的殺菌時(shí)間。隨著壓載水溫度的升高，散失到環(huán)境中的熱量雖然也會(huì)增加，但冷卻水和壓載水之間的溫差仍在減小，因?yàn)椴裼蜋C(jī)提供的熱量大于散失的熱量，當(dāng)壓載水散失的熱量與柴油機(jī)提供的熱量相等時(shí)，壓載水達(dá)到最高溫度。根據(jù)MAN B&W柴油機(jī)的說(shuō)明書(shū)，冷卻水的最高溫度是50 ℃。

海水是一種富含離子的天然電解液，其中僅Cl-離子含量就約占總數(shù)的55%。按照電解理論，當(dāng)海水被電解時(shí)會(huì)產(chǎn)生HClO、ClO-、Cl2，將其稱(chēng)為有效氯。Cl2是極易溶于水的（20℃時(shí)溶解度為7.29 kg/m3），并發(fā)生二次反應(yīng)：

25 ℃時(shí)，此反應(yīng)的平衡常數(shù)為1.5×1016[2]，可見(jiàn)反應(yīng)限度很深。因此，上述三個(gè)反應(yīng)的總反應(yīng)可寫(xiě)為

當(dāng)然，還可能存在如下反應(yīng):

次氯酸是弱酸，會(huì)發(fā)生部分分解反應(yīng)，HClO在pH值為6.5～8.5的溶液中會(huì)不同程度地存在氫離子和次氯酸根離子。反應(yīng)的離子化常數(shù)隨溫度變化情況詳見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下HClO的離子化常數(shù)（Ki）值[3]

上述反應(yīng)中產(chǎn)生的HClO、ClO-、Cl2具有較強(qiáng)的氯化殺滅水生物和病原體的能力，其中分子態(tài)HClO的殺菌能力是ClO-的40～80倍[4]。HClO和ClO-又被稱(chēng)為游離有效氯，此兩種離子的相對(duì)含量對(duì)殺菌效果而言十分重要。但這種電離本身是很微弱的，而且ClO-具有很強(qiáng)的殺菌能力，所以溫度升高對(duì)有效氯殺菌能力的影響是很小的。因此，加熱到35~40 ℃之間，在殺死絕大部分藻類(lèi)和部分不耐熱微生物的同時(shí)，有效氯濃度可以殺死絕大部分耐高溫微生物，二者相輔相成，互為補(bǔ)充。

假如可以確定不同海域海水微生物種類(lèi)和相應(yīng)的有效氯致死濃度，我們就可以控制有效氯濃度，使其達(dá)到最佳濃度值，在保證處理效果的同時(shí)，又節(jié)省了資源。

二、加熱-電解混合法系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

混合法系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示，主機(jī)缸套冷卻水一部分分流經(jīng)熱交換器1。當(dāng)壓載水加裝完畢后，系統(tǒng)開(kāi)始工作，首先流經(jīng)熱交換器1，利用高溫主機(jī)缸套冷卻水（70~90 ℃）、空冷器里的高壓空氣（140~180 ℃）和滑油及缸套冷卻油（45~50 ℃）加熱壓載水，這個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于用壓載海水全部或部分代替了由主海水泵提供的舷外冷卻海水，經(jīng)過(guò)加熱的壓載水經(jīng)濾器2過(guò)濾，去除較大顆粒后，進(jìn)入壓載水泵3，經(jīng)過(guò)旋流分離器4分離，以固定流速流經(jīng)電解發(fā)生器7。整流器8將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，供給電解發(fā)生器，通過(guò)調(diào)節(jié)整流器的輸出電流可以控制電解的速率。經(jīng)過(guò)電解的海水最終回流到壓載艙10，其中的有效氯將高溫殺菌后殘留的病菌和藻類(lèi)殺死。

2. 電解單元設(shè)計(jì)

電解發(fā)生器是將通過(guò)它的海水電解產(chǎn)生有效氯的主要設(shè)備。電解陽(yáng)極是電解發(fā)生器的關(guān)鍵部件，它要求有較低的析氯電位、較高的電流效率、較高的析氧電位、較長(zhǎng)的使用壽命及價(jià)格便宜、易于加工成形。

這里采用的是圓管連續(xù)式電解發(fā)生器，內(nèi)管為陽(yáng)極，外管為陰極，管壁以鈦?zhàn)龌?，不同的是?yáng)極上面涂有鉑、銥、釕等復(fù)合材料，陰極上面涂有鎳的合金材料，具有較低的析氫電位和耐氫氧化鈉、氯化鈉等的腐蝕。管式電解發(fā)生器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但時(shí)空產(chǎn)率較高，且易于適應(yīng)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。管式電解發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖2，其電解電壓為DC18 V，電流為600 A。

三、加熱-電解混合法處理壓載水的相關(guān)計(jì)算

船舶航行過(guò)程中，壓載水液面在艙內(nèi)前后左右波動(dòng)，造成壓載水和艙壁的接觸面積不斷變化，即散熱面積難以確定，各處水溫和有效氯的濃度會(huì)有差異。為簡(jiǎn)化計(jì)算，先假設(shè)液面是靜止的，同時(shí)各處水溫和有效氯濃度也是均勻的。這里還是以某65 000 t的油船為例，表2給出了各壓載艙的艙容。

表2 壓載艙艙容[5]m3

1. 加熱單元的定性計(jì)算

以表1中寒帶環(huán)境為例，壓載水實(shí)際溫度為40℃，壓載艙內(nèi)空氣溫度為20℃，舷外海水溫度為4 ℃， 壓載艙與外界環(huán)境的熱交換可以分為以下幾種形式：通過(guò)艙底和船外側(cè)壁傳給外界海水和空氣； 通過(guò)甲板傳遞給空氣；通過(guò)船內(nèi)側(cè)壁與其他艙室進(jìn)行熱交換。通過(guò)估算，1號(hào)壓載艙左艙壓載水的散熱率為1497.52 kW[5]，而主機(jī)在該海況下所夠提供的廢熱為3169 kW，因此在冰冷水域主機(jī)仍然能夠滿足單艙壓載水的加熱，我們可以在航行中通過(guò)轉(zhuǎn)換閥依次對(duì)各壓載艙進(jìn)行處理，并達(dá)到規(guī)定的要求。

在溫帶和熱帶海水域，由于外界環(huán)境溫度較高，壓載艙的散熱量減少而余熱增加，因此只需估算寒帶水域的散熱情況即可。

2. 電解單元的定量計(jì)算

根據(jù)G8（《船上壓載水處理系統(tǒng)批準(zhǔn)導(dǎo)則和規(guī)范》）的要求，船用電解發(fā)生器處理量不低于200 m3/h，有關(guān)研究表明，要比較好地處理壓載水，有效氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該在5×10-6（5 ppm）左右[6]。以該65 000 t的油船為例，總壓載水量為28 709.8 m3。

根據(jù)法拉第電解定律得出下面公式：

其中：m為物質(zhì)以原子為基本單元的摩爾質(zhì)量；I為電解電流強(qiáng)度；t為電解時(shí)間；n為電極反應(yīng)中一個(gè)原子得失電子數(shù)；k為電解槽個(gè)數(shù)。

根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的電解槽總電流I＝600 A，計(jì)算出單個(gè)電解發(fā)生器每小時(shí)有效氯的理論產(chǎn)量為

根據(jù)電流效率：

其中：V為可處理的壓載水量；ρB為海水密度，取1025 kg/ m3。

本文研究的船舶最大壓載水量為28 709.8 m3，單個(gè)電解發(fā)生器每小時(shí)處理量為124 m3，說(shuō)明單個(gè)電解發(fā)生器無(wú)法在合適的時(shí)間內(nèi)處理所有壓載水，因此需采用多組發(fā)生器并用的形式。本船舶設(shè)計(jì)采用單極式電極聯(lián)結(jié)，其中電聯(lián)結(jié)采用串聯(lián)供電方式，液路聯(lián)結(jié)采用串聯(lián)方式（如圖3）。

如果采用5對(duì)單個(gè)發(fā)生器，處理時(shí)間為

因?yàn)槊看尾⒉皇侵脫Q全部壓載水，并且該方法在航行途中就可以全部進(jìn)行處理，不會(huì)影響船舶安全，所以23.1 h是可行的。

四、結(jié) 論

通過(guò)分析計(jì)算證明這種方法是可行的，不僅提高了柴油機(jī)的廢熱利用率，而且與傳統(tǒng)電解方法相比簡(jiǎn)化了電解單元，節(jié)省了資源和能量，同時(shí)使處理效果更加可靠，在航行中隨時(shí)可以進(jìn)行而不影響船舶的安全。另外，該處理系統(tǒng)不會(huì)過(guò)分增加船舶運(yùn)行成本，僅加熱單元增加一套獨(dú)立的熱交換器和相應(yīng)管系即可；或者可以對(duì)中冷器進(jìn)行改裝，加裝一套旁通管系，溫度合適時(shí)使用壓載水對(duì)主機(jī)缸套進(jìn)行冷卻，當(dāng)溫度超出要求范圍時(shí)，再輔以海水冷卻。

[1]宋永欣,黨坤,池華方,等.電解法處理船舶壓載水對(duì)壓載艙金屬腐蝕的影響[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2005,31(3):45-46.

[2]黨坤.電解法處理船舶壓載水的應(yīng)用研究[D].大連:大連海事大學(xué),2005.

[3]馮玉杰,李曉巖,尤宏,等.電化學(xué)技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[4]馬世豪,凌波.醫(yī)院污水污物處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2000.

[5]李斌,孫培廷.利用船舶柴油機(jī)余熱加熱壓載水的新方法[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2003,29(S1):52-56.

[6]YIN Peihai,etc.Electrolytic Treatment of Ships for Ballast Water[C]. Singapore:2nd International Conference & Exhibition on Ballast Water Management(ICBWM),2004.

Methods of ballast water treatment by waste heat and electrolyzing

YUN Xi-tao，YUAN Chuan，WU Hai-bo