全面創(chuàng)新 突破發(fā)展軍民兩用技術開發(fā)助企業(yè)轉型升級——江蘇南極機械有限責任公司倪氏壓載水管理系統研發(fā)紀實

江蘇南極機械有限責任公司　金　星　倪建峰　汪立慶　任　聰

全面創(chuàng)新 突破發(fā)展軍民兩用技術開發(fā)助企業(yè)轉型升級——江蘇南極機械有限責任公司倪氏壓載水管理系統研發(fā)紀實

江蘇南極機械有限責任公司金星倪建峰汪立慶任聰

編者按：

江蘇省泰興市城區(qū)工業(yè)園區(qū)積極貫徹落實國家關于建立和完善軍民結合、寓軍于民武器裝備科研生產體系的戰(zhàn)略部署，堅持“政府主導、企業(yè)主體、市場運作”的基本原則，支持和發(fā)展了一批軍民結合型產業(yè)，培育和壯大了一批具有市場競爭力的軍民結合型企業(yè)，走上了一條以艦船、航空航天配套設備為特色、軍民深度融合的良性發(fā)展之路。其中，江蘇南極機械有限責任公司在軍民兩用壓載水管理系統研發(fā)方面取得了顯著成就，結合在全船污水和固體垃圾處理領域的技術優(yōu)勢，向實現船舶真正意義上的零排放邁出了堅實的一步，為提高我國船舶配套技術水平、保護全球海洋生態(tài)環(huán)境作出了積極的貢獻。江蘇兆勝空調有限公司抓住國內外海洋戰(zhàn)略發(fā)展，以及特種行業(yè)制冷需求增長等時代機遇，推進自主創(chuàng)新，積極推動企業(yè)由設備制造向系統集成轉型升級，并加大力度挺進國際市場，全力打造“世界領先的特種空調生產基地”。本期“業(yè)界聚焦”欄目對這兩家企業(yè)的軍民兩用產品開發(fā)情況進行了介紹，以期對相關企業(yè)有所啟示。

江蘇南極機械有限責任公司（簡稱“江蘇南極機械公司”）是國家火炬計劃重點高新技術企業(yè)，江蘇省高新技術企業(yè)和江蘇省船舶配套行業(yè)重點企業(yè)，擁有近50年的發(fā)展歷史，主要從事艦船防污染設備、艦船動力系統軸舵系產品，以及其它艙室機械產品的研發(fā)與生產業(yè)務，產品主要銷往全國各大、中型船廠，被“南極”長城站、中山站、向陽紅十號、極地號科學考察船、遠望系列測量船、遼寧艦及赴索馬里護航編隊等國家重點船舶和工程廣泛選用。江蘇南極機械公司注重科技創(chuàng)新，在軍民兩用產品的研發(fā)中取得了顯著成就，被認定為江蘇省企業(yè)技術中心和江蘇省船舶污水序批式膜法處理設備工程技術研究中心，擁有國家火炬計劃項目2項，國家重點新產品2項，獲得國家發(fā)明專利和實用新型專利23項、省級高新技術產品8項、省科技成果轉化項目1項、江蘇省首臺套重大裝備1套。

倪氏壓載水管理系統是江蘇南極機械公司為滿足國際公約要求，針對目前市場上運用紫外線法和電解法對壓載水進行處理存在的弊端，經過充分的市場調研、論證，創(chuàng)新采用過濾+微濾膜分離+充氮驅氧技術，去除壓載水中的浮游生物，防止壓載水中微生物復蘇，從而實現對遠洋船舶裝載的全球不同區(qū)域壓載水進行處理而最新研發(fā)的成套設備。該系統研發(fā)歷時3年多時間，在中國船級社的全程監(jiān)督下，通過了東海、黃海、長江三大水域的各種試驗，包括20T小試、200T陸基試驗、200T和1500T實船試驗等，并對微濾膜進行了900h耐久性試驗及其它單項試驗，充分證明了該系統的可靠性，排放水質完全符合公約要求，各項技術性能指標均達到了預期目標。該系統的應用使船舶的壓載水排放達到了世界公約標準的要求，其研制成功填補了國內該技術領域的空白，技術達到世界先進水平，對于提高我國船舶配套關鍵設備國際競爭力、保護海洋生態(tài)環(huán)境具有重要意義，將產生顯著的經濟和社會效益。該系統現已獲得中國船級社、美國船級社、法國船級社、英國船級社、意大利船級社及日本船級社的型式認可證書，并已進入美國海岸警衛(wèi)隊（USCG）試驗認證階段，預計于2017年獲得USCG證書。

本文對江蘇南極機械公司倪氏壓載水管理系統的研發(fā)過程進行了追蹤，展示了我國民營企業(yè)在軍民兩用技術與產品開發(fā)中勇往直前，創(chuàng)新開拓的風采。

倪氏壓載水管理系統開發(fā)的背景

眾所周知，當前海洋資源的開發(fā)和利用已成為世界各國競爭的焦點，由此帶來的海洋運輸業(yè)的空前發(fā)展、遠洋船舶航行中大量壓載水造成的有害水生物和病原體的傳播已被世界環(huán)保基金會認定為海洋面臨的四大危害之一。據稱，世界上每年約有100億噸壓載水在各個港口之間流動，約有3000種浮游生物和指示菌傳播到各地。而由于被遷移地沒有“天敵”，部分生物的泛濫對當地的生態(tài)造成了較為嚴重的破壞。

我國海岸線長約18000千米，擁有126個開放國際港口。2001年進入遼寧省水域的壓載水量達5.3億噸；2004年增長至10.8億噸，而全國的數字遠比此高得多，外來入侵的生物物種迅速繁殖，掠奪、滅殺了本地物種。近年來，在我國海域，由于外來生物而頻繁發(fā)生的赤潮，每年造成漁業(yè)損失高達億元左右，這也與外國輪船排放的壓載水中含有有毒紅藻密切相關。據上海海洋大學統計，上海港每年進出港船舶達2萬多艘次，其中1000多艘在港期間需要排放壓載水，重量達數億噸。據國家環(huán)保局2006年統計，由壓載水中外來生物造成的直接經濟損失約574億元。

為了對壓載水的排放進行管理，早在1973年，國際環(huán)境污染大會就提出并要求國際海事組織（IMO）和世界貿易組織（WTO）對壓載水的處理和排放問題進行研究，但與船舶產生的其它污染物如油污水和生活污水等相比，壓載水量大，牽涉生物學的檢測難度大，標準難以確定。2004年4月，IMO通過了《船舶壓載水及其沉積物控制和管理國際公約》。但該公約規(guī)定需30個成員國加入，且成員國的凈載重噸位達到全世界的35%才能生效。根據最新消息，2016年9月8日，芬蘭批準加入該公約。隨著芬蘭的加入，已經批準加入IMO壓載水管理公約的國家數量達到了52個，總運力已經達到全球商船噸位的約35.14%，超過了35%的要求，這意味著國際壓載水管理公約將從2017年9月8日生效，標志著停止水生入侵物種擴散邁出了里程碑式的一步。

此外，美國為保護其環(huán)境，制定了美國本土的壓載水規(guī)定，并于2012年強制執(zhí)行，列入“聯邦法規(guī)”第77卷57號。這樣，不管國際公約生效與否，進入美國水域的船舶都必須安裝壓載水管理系統。

因此，為了保護海洋生態(tài)環(huán)境，達到國際海洋航行標準，瞄準國內外船舶壓載水管理系統市場，江蘇南極機械公司開始了其壓載水管理系統研發(fā)的征程。

壓載水管理系統開發(fā)現狀

為了推進先進的壓載水管理系統的應用，聯合國在全球范圍內發(fā)起了名為“幫助發(fā)展中國家克服有效實施船舶壓載水管理和控制方面的困難的項目”，簡稱“全球壓載水管理項目”，總投資760萬美元。我國、巴西、印度、伊朗、南非和烏克蘭等6個國家入選參加該項目并獲得了資助。該項目的發(fā)起對我國壓載水處理事業(yè)的發(fā)展起到了帶動作用。大連海事大學張碩慧教授解釋了國際公約，并統計和比較了現有25種壓載水處理技術后認為，提高壓載水處理技術的有效性，要從壓載水物理化學性質、所選擇的指示性生物物質、分析技術方法來確定工藝流程。張碩慧教授帶領的研究團隊還進行了氯殺菌劑對細菌和藻類的忍受率的試驗研究，試驗結果顯示，要達到D-2排放標準要求，氯添加量要達到20mg/L；有的浮游藻類因耐受性強可能需要較高的氯含量，例如，扁藻在氯化處理中有效氯含量即使高達40mg/L，仍不能達到去除的目的。美國通過試驗確定，壓載水的處理必須添加不少于20mg/L的氯劑。

研究表明，采用紫外線（UV）對壓載水進行處理具有效率高、無有機物存活、無需化學品、無毒性副產物、所需空間小、操作維護方便等優(yōu)點，但其也存在諸如海水混濁影響效率，必須附加精濾增加成本，小的有機體隱藏在大的有機體的陰影位置照不到光線，有些有機體（如雙鞭藻胞子）甚至在紫外線光照強度達到1600mW/cm2時仍能存活，UV光照時間過長會引起微生物基因突變，以及長期在UV光照下塑料管會快速老化等問題。此外，采用UV技術同時還需采用精度達20μm的過濾裝置才能避免水的濁度對紫外線滅活效果產生重大影響，UV雖然對細菌和浮游植物有抑制效果，但這些生物有可能在延續(xù)的培養(yǎng)中恢復生長能力。

事實上，壓載水處理作為一個新興行業(yè)，尚處于不斷探索的過程中。此外，《國際壓載水和沉積物控制和管理公約》本身也正處于不斷完善的過程中，IMO陸續(xù)公布了54個補充通函和多項解釋，包括G1、G2，直至G14，其中還有修訂版本。目前，一些國際、國內先行者已著手研發(fā)壓載水處理系統樣機，并已開始按IMO的要求進行試驗，也已有相關產品陸續(xù)推出。

▲ NiBallastTMBWMS壓載水管理系統（200T）

江蘇南極機械公司早在2006年就已開始關注壓載水處理新興產業(yè)市場，在進行了充分的調查和研究，以及在對技術路線進行反復論證的基礎上，啟動了壓載水管理系統的研發(fā)工作。

雖然江蘇南極機械公司曾經開展過船用生活污水處理等產品的研發(fā)工作，也擁有陸上城市生活污水處理，以及食品、印染、毛紡等行業(yè)污水處理的經驗，但壓載水處理與這些污水處理的對象有所不同，需“對癥下藥”，選擇合適的處理工藝。此外，壓載水處理是一個新興產業(yè)，尚沒有成熟的經驗可以借鑒，必須“全面創(chuàng)新”。同時，隨著船舶配套產業(yè)的日益成熟，為了實現轉型升級，江蘇南極機械公司通過文獻查閱，深入研討，成功自主開發(fā)出了倪氏壓載水管理系統，使公司的產值實現了穩(wěn)步增長。

倪氏壓載水管理系統的研發(fā)過程

▲ 壓載水管理系統總裝車間

在倪氏壓載水管理系統研發(fā)啟動之初，江蘇南極機械公司的科研人員開展了大量的文獻研究。科研人員在各種期刊上共收集了上百篇相關文章，查閱了IMO幾百篇文件資料和幾十項專利文獻，并進行了深入的學習、分析，邀請專家對技術路線進行了充分研討。此外，江蘇南極機械公司作為制造型企業(yè)，沒有充足的條件開展基礎研究，只能在大量實驗的基礎上進行應用研究，這就使得其在壓載水管理系統的研發(fā)中面臨著時間和資金方面的嚴重挑戰(zhàn)。

首先，在時間方面，如果使用化學試劑（IMO公約稱為“活性物質”）進行壓載水的處理，就要根據公約的G9導則要求，進行有關毒性物質對環(huán)境影響的評估程序，需耗時1.5年～2.5年。其次，從環(huán)境總容量來計算，壓載水處理的水量非常大，如采用添加化學試劑的處理工藝，勢必會造成二次污染，還會腐蝕艙壁，對船舶的安全營運帶來隱患。以加氯處理工藝為例，每噸壓載水要添加20g氯劑，如全部采用此工藝處理壓載水，每年100億噸壓載水要向海洋中投放20萬噸氯劑。而2015年舉行的第68次IMO海上環(huán)境保護委員會（MEPC）會議發(fā)文規(guī)定，排放水中的含氯量標準由0.5mg/L降低至0.1mg/L，加拿大五大湖的排放水中的含氯量更是嚴格到0.038mg/L，因此，不能采用化學試劑壓載水處理工藝。

在資金方面，江蘇南極機械公司是一家民營企業(yè)，全部開發(fā)投入均依靠自籌資金，研發(fā)過程不允許有大的反復，必須確保研發(fā)路線選擇正確。一旦路線錯誤，不僅會造成巨額投入損失，也會造成研發(fā)周期的延長。

為解決這兩方面的問題，科研人員經過多次實驗，最終決定采用“自制濾器+膜法分離+氮氣驅氧技術”的技術路線，在壓載艙內保持氮氣有效正壓，適用于長、短航程，可使微生物不再繁殖，減輕艙壁腐蝕，沉積物少，且耗電量極小。

科研人員對國、內外目前應用于大流量壓載水處理的濾器進行了測試。測試結果表明，這些濾器在船舶實際使用條件下達不到壓載水的通量要求，還經常出現堵塞現象。對此，科研人員自主設計了新型濾器，并從小型單只到大型復合各種樣機開展了大量、反復實驗，最終開發(fā)出了可處理大流量壓載水的新型濾器。

對于行業(yè)中目前常用的紫外線處理工藝，科研人員發(fā)現，必須先去除直徑20μm以上的雜質才有可能達到紫外線透射效果。USCG明確表示，低壓UV技術只能擊昏微生物，而對于大孢子、有殼蟲卵，其3天后就會復活。若使用中壓800W紫外燈管并使筒內壁涂層形成“電催化”氧化工藝，就需要執(zhí)行G9環(huán)境評估程序，還需通過美國實驗室的驗證。對于像江蘇南極機械公司這樣的我國大部分民營企業(yè)來說，檢驗的時間成本和資金壓力都是難以承受的。此外，現有已安裝壓載水管理系統的部分船舶在船舶?？看a頭卸貨時，甲板機械、貨油泵、壓載泵、壓載水管理系統等同時運轉，能耗巨大。因此，MEPC第65次會議規(guī)定，制造商要在提交給IMO的報告中增加能耗信息。江蘇南極機械公司研發(fā)的倪氏壓載水管理系統通過采用多項節(jié)能措施，大幅降低了能耗，解決了壓載水管理系統的能耗瓶頸問題。

《船舶壓載水及其沉積物控制和管理國際公約》2009年MEPC第18次會議提出，使用化學試劑的壓載水管理系統在認證時要進行腐蝕試驗。同時，腐蝕試驗與型式認可試驗必須采用同一水樣，且生物性能試驗、化學物質試驗、毒性試驗和腐蝕試驗必須同時進行（即“四同時”）。江蘇南極機械公司采用膜法分離技術和氮氣驅氧技術對壓載水進行處理，無需使用化學試劑，還可對壓載艙艙壁形成良好的防腐作用，減輕船體的腐蝕。腐蝕試驗結果表明，將裸鋼浸沒在海水中，充入氮氣后的腐蝕率僅為不充氮的1/20。

此外，《船舶壓載水及其沉積物控制和管理國際公約》不僅對壓載水處理效果進行了規(guī)定，對沉積物的控制也提出了要求，而早期開發(fā)的壓載水處理設備大都僅關注壓載水的殺菌處理，忽視了沉積物的控制問題。IMO指出，如果不能有效清艙，壓載水處理后仍會由于艙內沉淀淤泥污染而達不到檢驗標準。因此，該公約要求港口建立接收沉積物污泥的設施，但該項要求實施較為困難，且需要高額費用。江蘇南極機械公司在倪氏壓載水管理系統研發(fā)啟動時就考慮了沉積物的控制和清除問題，設計采用膜分離技術進行壓載水處理，處理后的沉積物顯著減少，清艙工作任務得以減輕，用戶僅需定時清洗、更換濾膜，即可保證壓載水處理質量。

經過4年多的努力，江蘇南極機械公司目前已完成了額定處理量從200m3/h到4000m3/h全部倪氏壓載水管理系統系列裝置的中國船級社（CCS）型式認可，同時也獲得了英國、法國、日本、美國、意大利等船級社的型式認可證書，以及美國海岸警衛(wèi)隊的替代認可證書，可滿足壓載水國際公約的要求，為我國的壓載水處理事業(yè)，以及海洋強國戰(zhàn)略實施作出了貢獻。

倪氏壓載水管理系統的優(yōu)勢及應用前景

▲ NiBallastTMBWMS壓載水管理系統（1500T）

倪氏壓載水管理系統采用純物理處理工藝、模塊化設計，可采用組合方式達到不同的處理能力，既能滿足散貨船、集裝箱船、海洋工程船等船舶的需求，還能滿足油船、液化氣船、化學品船等特殊船舶的要求，產品適用范圍廣。江蘇南極機械公司的科研人員攻克了微濾膜在大流量壓載水方面的應用及反沖等技術難題，與其它處理技術相比，該系統具有以下特點：除氮氣外，不添加任何化學試劑，可避免造成二次污染；采用模塊化設計，適合各類新、老船舶安裝；節(jié)能省電，維護、運行成本低，操作簡便；進入壓載艙的沉積物極少，可大量減少清艙工作；氮氣對壓載艙艙壁具有良好的防腐保護作用，可減輕船體的腐蝕；對處理水的鹽度、溫度無要求；適用于長、短航程。

據統計，《船舶壓載水及其沉積物控制和管理國際公約》生效后，除新船必須安裝壓載水處理設備以外，還有約68000艘舊船需要加裝壓載水處理設備，以在5年內所有船舶加裝完成來計算，全世界每小時就要生產1臺設備，市場需求量巨大。按照2014年的統計數據，全世界有67家制造商的壓載水管理產品正在開發(fā)或已供應市場，獲得美國臨時AMS（美國倉單系統）證的有45家，繼續(xù)申請USCG型式認可的目前有30家，最終真正能獲得美國USCG認可證書的估計僅為一半。2010年，江蘇南極機械公司成為我國第9家向IMO申請型式認可的研發(fā)廠商；2013年11月，江蘇南極機械公司成為我國第5家取得美國AMS替代證書的廠商；目前，江蘇南極機械公司是我國唯一一家申請到美國本土實驗室開展USCG型式認可的廠商。

倪氏壓載水管理系統自研發(fā)成功以來，已在散貨船、油船、化學品船、公務船、海洋工程船等各類船型中獲得了廣泛應用，性能穩(wěn)定，得到了用戶的廣泛認可。為了有效提升壓載水管理系統及其它新產品的科研、生產能力，2013年，江蘇南極機械公司在江蘇省泰興市高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)總投資7億多元，分兩期進行項目建設。目前，一期工程6幢現代化廠房和2幢行政、研發(fā)大樓已全面竣工，首批70多臺（套）數控車床、焊接機器人等大型智能化設備也已安裝到位并投入生產。項目全面建成后，將達到20億元規(guī)模的年生產能力，江蘇南極機械公司將成為艦船配套和船舶防污染設備的重點科研生產基地，為國內外客戶提供專業(yè)、滿意的服務。

未來，江蘇南極機械有限責任公司將在“全面創(chuàng)新”的道路上破解制約創(chuàng)新驅動發(fā)展的突出矛盾和問題，找準技術突破口，集中資源和力量，打通科技向實用性轉化的通道，創(chuàng)造新的經濟增長點，加快實現經濟發(fā)展，為保護全球海洋生態(tài)環(huán)境作出積極的貢獻。