電解法壓載水處理裝置在阿芙拉油船上的應(yīng)用

孫興利，朱 晨

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

0 引言

據(jù)國際海事組織統(tǒng)計，全世界的船只每年攜帶約100億t壓載水在世界各地往來，每天有超過3 000種海洋微生物和動植物隨著船舶壓載水在全球流動。船舶壓載水的排放帶來了大量的外來細(xì)菌和浮游生物，為外來物種的入侵提供了渠道，對接收環(huán)境造成了嚴(yán)重的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)影響，因此人類對海洋生態(tài)保護(hù)的意識越來越強(qiáng)烈。2004年國際海事組織通過了《國際船舶壓載水和沉淀物控制與管理公約》，并于2017年9月8日正式生效。為達(dá)到公約規(guī)定的壓載水排放要求，壓載水處理系統(tǒng)已成為國際航行船舶上非常重要的設(shè)備。

在此背景下，本文分析對比了幾種不同型式的壓載水處理裝置，并結(jié)合“FLAVIN”號阿芙拉型原油船，重點(diǎn)研究了支路電解法壓載水處理裝置在大中型原油船上的布置及系統(tǒng)設(shè)計情況。

1 常見的壓載水處理裝置型式

根據(jù)理化特性的不同，壓載水處理技術(shù)可以簡單劃分為以下3類：機(jī)械處理法、物理處理法和化學(xué)處理法[1]。

(1)機(jī)械處理法：通過過濾、旋轉(zhuǎn)分離等技術(shù)，將壓載水通過濾器和旋轉(zhuǎn)離心分離器，濾出大顆粒的浮游生物和有害微生物，實(shí)現(xiàn)固液分離。這種方法對于處理細(xì)菌、微生物等效果不明顯，所以不適合壓載水量較大的船舶。目前機(jī)械處理法需要結(jié)合其他處理方法一起使用。

(2)物理處理法：通常包括紫外線殺菌、超聲波殺菌、加熱壓載水、脫氧法等來直接殺滅或者破壞、抑制微生物和細(xì)菌的生存條件，以達(dá)到滅活的目的。物理處理法最大的優(yōu)點(diǎn)是對環(huán)境的污染比較小，缺點(diǎn)是可能對某些微生物無效。紫外線處理法對水質(zhì)的清潔度要求很高，設(shè)備維護(hù)成本較高，電能消耗也比較高。超聲波法的有效性還未被有效證明，還需要配合其他措施一起使用。

(3)化學(xué)處理法：利用化學(xué)試劑或者化學(xué)反應(yīng)將壓載水中的水生物消滅，其中常用的是電解法和臭氧法。電解法主要是利用海水分解次氯酸鹽達(dá)到水處理的目的，具有良好的殺菌效果，是值得推廣的一項技術(shù)。臭氧法主要是利用臭氧的強(qiáng)氧化性，通過電解分解為氧氣，在分解過程中的氧化能力能夠有效消滅壓載水中的有害生物。但化學(xué)處理法的缺點(diǎn)是電解過程中會產(chǎn)生有害化學(xué)物質(zhì)，對船舶管路造成一定的腐蝕，并對船員的健康產(chǎn)生一定的影響；電解過程中產(chǎn)生的氫氣等易燃易爆氣體也對設(shè)備的安全性提出了更高的要求，并且在壓載水排放時需要中和殘余的電解液，需要增加中和單元等設(shè)備，使系統(tǒng)更復(fù)雜，對船員操作要求更高。

2 阿芙拉油船壓載水處理裝置選型

油船屬于大壓載水量的船舶。常規(guī)阿芙拉油船專用壓載水量約為40 000 m3，按照打入和排除壓載水的時間計算，配備2臺1 500 m3/h的壓載泵比較合適。但“FLAVIN”號阿芙拉型原油船配備的2臺專用壓載泵排量為每臺2 000 m3/h：1臺為蒸汽透平驅(qū)動，另1臺為電機(jī)驅(qū)動。驅(qū)動裝置布置在機(jī)艙四平臺，泵體布置在貨泵艙。因此，服務(wù)于專用壓載艙的壓載水處理裝置的總處理能力為4 000 m3/h。此外，由于本船的艉尖艙為壓載水艙，該艙的壓載水由機(jī)艙內(nèi)的艙底總用泵兼做壓載泵進(jìn)行駁運(yùn)，其排量為250 m3/h。故而也需要增設(shè)1臺專門處理艉尖艙壓載水的處理裝置，處理能力為250 m3/h。

不同型式的壓載水處理裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇合適的壓載水處理裝置，需要結(jié)合不同船型對壓載水需要的大小、船東的運(yùn)營區(qū)域、使用經(jīng)驗(yàn)并且配合船上電站的能力來綜合考慮。

本文研究的阿芙拉油船的壓載水量很大，需要壓載水處理裝置的能力比較大，而且專用壓載艙和貨泵艙屬于危險區(qū)域，布置在其中的設(shè)備需要防爆，會對設(shè)備的成本帶來很大影響。綜合設(shè)備布置、電能消耗及后期運(yùn)營維護(hù)成本等各個因素，本船最終選擇了采用支路電解法處理的壓載水處理裝置。

3 設(shè)備組成及系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)備基本組成

支路電解法處理的壓載水處理裝置主要有以下幾大組件：

(1)濾器單元：具備過濾功能同時兼有自動反沖洗能力。在打壓載時，利用自動反沖洗濾器過濾掉尺寸大于50 μm的海生物及固體顆粒。自動反沖洗濾器自帶排污泵，可以將反沖洗后的污水排至舷外或特定的儲存艙[2]。

(2)電解單元：用于殺菌消毒，主要處理尺寸小于50 μm的海生物。該單元從船上取少量過濾后的海水進(jìn)行電解，產(chǎn)生以次氯酸鈉為主要成分的高濃度殺菌滅活溶液并注入到壓載總管中，和進(jìn)艙的壓載水混合，在壓載艙內(nèi)悶艙24 h后達(dá)到殺菌滅活的功能[2]。

(3)中和單元：用于中和過量的殺菌物質(zhì)，滿足排放要求。在排壓載時檢測壓載水中殺菌物質(zhì)的濃度。一旦超標(biāo)就注入中和劑，中和殘余氧化物(TRO)，使其濃度降低至符合排放標(biāo)準(zhǔn)。

(4)TRO檢測單元：排載時檢測壓載水中殘余的TRO含量。若滿足排放標(biāo)準(zhǔn)則允許壓載水排舷外，否則需要啟動中和單元進(jìn)行中和后再排放。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 壓載系統(tǒng)設(shè)計

油船的貨泵艙及專用壓載艙屬于危險區(qū)。壓載水處理裝置中的電解單元和中和單元由于防爆等級原因只能布置在安全區(qū)域，自動反沖洗濾器單元可以做成防爆型式布置在危險區(qū)域。本船將電解單元和中和單元布置在機(jī)艙內(nèi)，濾器單元布置在貨泵艙內(nèi)每臺專用壓載泵的出口，同時本船艉尖艙和專用壓載艙共用電解單元和中和單元。專用壓載艙的壓載系統(tǒng)圖見圖1，艉尖艙壓載系統(tǒng)圖見圖2。

從圖1中可以看出，壓載時海水由壓載泵從泵艙海水箱中吸入，先經(jīng)過自動反沖洗濾器，過濾掉較大的海生物及顆粒物，然后經(jīng)過流量計后注入壓載艙。在此過程中，來自機(jī)艙電解單元的高濃度次氯酸鈉溶液注入壓載總管，經(jīng)過管路充分混合后達(dá)到殺菌滅活的目的。次氯酸鈉溶液可以在壓載艙內(nèi)保持一段時間的活性，并快速有效地殺滅壓載水中的浮游生物、孢子、幼蟲及其他病原體。排載時壓載泵從壓載艙內(nèi)吸入壓載水，流經(jīng)自動反沖洗濾器的旁通管路、流量計后直接排至舷外。此時排舷外口管路上的TRO自動取樣裝置開始工作，檢測壓載水中殘留的TRO含量。若殘留的TRO含量超標(biāo)，則來自機(jī)艙的中和單元需要向壓載管路中注入中和劑，降低TRO含量至排放標(biāo)準(zhǔn)。靠近排舷外口的位置安裝手動取樣閥，方便壓載水的取樣檢驗(yàn)。此外，專用壓載系統(tǒng)的主要閥門全部為液壓遙控操作，船員不需要頻繁進(jìn)入泵艙，只需要在貨控室就可以完成壓載系統(tǒng)的操作。

從圖2中可以看出，艉尖艙的壓排載原理和專用壓載艙相似，機(jī)艙內(nèi)的艙底總用泵兼作艉尖艙壓載泵，單獨(dú)配1個反沖洗濾器。由于管路都在機(jī)艙內(nèi)，管路上的主要閥門采用手動操作。

3.2.2 電解裝置系統(tǒng)設(shè)計

電解單元系統(tǒng)流程圖見圖3。電解單元的增壓泵從機(jī)艙海水總管取水，或者在進(jìn)入淡水區(qū)域時，從艉尖艙中預(yù)先存入的海水中抽取部分海水，經(jīng)過自動反沖洗濾器過濾掉顆粒比較大的微生物后，進(jìn)入電解單元進(jìn)行電解，從而產(chǎn)生次氯酸鈉溶液。

電解過程中產(chǎn)生的氫氣由除氫單元的風(fēng)機(jī)排出至機(jī)艙外的安全區(qū)域。電解單元外部配備氫氣檢測傳感器，監(jiān)測是否有氫氣泄漏至電解單元外部空間。另外，設(shè)置報警和停機(jī)裝置。一旦氫氣泄漏，電解單元立即停止工作。

本系統(tǒng)在電解單元前還配備了預(yù)加熱器。電解海水的最佳工作溫度為5～35 ℃。在海水溫度低于5 ℃的海域，電解單元的效率會下降，導(dǎo)致整個系統(tǒng)運(yùn)行的成本增加，此時利用船上的蒸汽將需要電解的海水預(yù)先加熱。這樣可以提高電解水的溫度，保證電解的效果。

電解產(chǎn)生的高濃度次氯酸鈉溶液由加藥泵輸送至艉尖艙和專用壓載艙的主壓載管路進(jìn)行混合。

圖1 專用壓載艙壓載系統(tǒng)圖

圖2 艉尖艙壓載系統(tǒng)圖

由于泵艙屬于危險區(qū)域，按照規(guī)范要求，為避免危險區(qū)域的危險氣體進(jìn)入機(jī)艙，通向?qū)Ｓ脡狠d主管的電解液管路需要先從機(jī)艙穿出至主甲板，在主甲板上使用雙止回閥中間加可拆短管，再向下進(jìn)入泵艙接入主壓載管路。次氯酸鈉溶液屬于有一定腐蝕性的化學(xué)溶液，電解單元后的管路需要采用防腐蝕的材料。本船電解液管路通徑為DN100 mm，采用純環(huán)氧特涂的碳鋼管路來減小管路的腐蝕。

中和單元系統(tǒng)流程圖見圖4。排載時如果TRO取樣檢測的結(jié)果顯示殘余量過多，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，中和單元將中和劑注入排載管路，經(jīng)過壓載泵的攪拌作用，中和劑和殘余的TRO進(jìn)行充分反應(yīng)，最終達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。同樣，進(jìn)入專用壓載系統(tǒng)的中和劑管路也需要經(jīng)過主甲板，使用雙止回閥和可拆短管隔離后再進(jìn)入泵艙的專用壓載管路。由于中和劑有一定腐蝕性，其管路也需要選擇防腐蝕效果好的管路，本船中和劑管路通徑為DN15 mm，故選用奧氏體不銹鋼管來減小管路的腐蝕。

4 結(jié)論

壓載水處理裝置的選擇和安裝是一個比較復(fù)雜的工程，受到船舶特點(diǎn)、處理技術(shù)、系統(tǒng)處理能力、船東偏好等諸多因素的限制。目前，幾乎所有的處理裝置型式都存在著各自的缺陷，還沒有一種處理裝置能適用于所有的船舶類型。但對于大中型油船來說，支路電解型式的壓載水處理裝置更有優(yōu)勢，具體如下：

(1)只需從壓載水主管路引一支路海水(主管路海水的1%～2%)進(jìn)入電解槽電解，減少了管路直徑，降低了施工難度，對于大型油船特別有利。

(2)整套裝置設(shè)備尺寸小，耗電量低，減少了船舶發(fā)電機(jī)的配置，降低了使用成本。

圖3 電解單元系統(tǒng)流程圖

圖4 中和單元管路圖

(3)電解單元以及中和單元無需防爆，減少了設(shè)備成本；同時布置也較為靈活，可以布置在機(jī)艙甚至舵機(jī)艙等安全區(qū)域。

(4)電解單元沒有壓力損失。整個系統(tǒng)的壓力損失僅需要考慮自動反沖洗濾器的壓力損失，對船上專用壓載泵的壓頭影響較小。

(5)通過預(yù)存電解海水，支路電解法能解決在淡水區(qū)域壓載時壓載水難以處理的問題。

(6)排載時壓載水不需要處理，可節(jié)省電能且無壓力損失。