防海生物裝置的性能比較和實船選用

張錦源 計紅雷

隨著航海運輸及海洋資源的開發不斷擴大,渤海的海生資源和生態環境同時受到較大的破壞。渤海環境質量嚴重惡化,表現于海岸帶污染明顯、污染范圍擴大、生態系統弱化、生態環境退化、赤潮、富營養化等。近10年來,渤海水質的富營養化特征日趨顯著,氮磷營養鹽濃度在不同海區和年際中變化,并且連續超過海洋水質標準。水質的富營養化引起藻類及其他浮游生物、貝類等迅速繁殖。

海洋環境中存在的小型污染物(粘土、微生物等)以及大型污染物(藻類、貝類、螅類等)在船上冷卻系統中有極為理想的生長環境,那些低等生物粘附在海底格柵附近及海底閥箱、海水總管等內部,隨著溫度的提升、水流的改變,以及鹽分及充足的氧氣的存在,加劇這些低等海生物的快速生長繁衍。特別是那些貝殼類海生物的抱團快速繁衍,對船舶的營運危害相當明顯,具體表現在:

1. 海生物堵塞海底格柵網、海水濾器、海水管道、海水泵及冷卻器,極大地降低熱交換率,使燃料成本加大(空調、發動機等)。

2. 海生物會對管道造成嚴重的生物腐蝕。

3. 主海底閥門因為海生物過量生長而不能關嚴,影響船舶航行安全。

4. 沒有防海生物裝置的船舶,定期不定期地清除海生物要投入巨大的財力人力。

5. 冷卻循環系統和發動機必須經常維修或大修,浪費時間及金錢。

近幾年來,我司在渤海灣工作的船舶,如華龍、華躍輪等都等不到兩年半一個進塢檢修周期,就分別發生海水總管大部分污堵造成主副機海水冷卻量不夠,海水泵吸不上水等現象,而不得不申請停航拆檢總管部分,疏通清潔后維持使用;甚至于我司華信輪剛投產使用一年就發生海水總管海生物嚴重污堵現象。

針對在渤海水域營運作業的船舶所面臨的共同問題,我們積極探討研究,從污堵海生物的種類及成因著手,根據清除出的貝類海生物的形狀大小分析,應該主要為微小生物粘附在海水管線內部因生長條件的改變而快速繁衍所致。我們同時對國內外多種防海生物裝置的設計原理、購置改裝及日常使用維護成本、管理使用的方便可靠性,以及實際使用的效果情況,都做了大量的收集研究和咨詢比較工作。

目前現有船舶為解決受海生物污堵問題困擾這一普遍難題,采取了多種方法,例如:防污涂料、加液氯、電解海水防污、電解銅陽極和鋁陽極防污防腐、非氧化性殺菌劑及人工鏟除等。當前船舶普遍采用的方法是除了涂專用防海生物油漆以外,一般再選用下列幾種防海生物裝置:

1. 加液氯

液氯是五六十年代船舶較為廣泛采用的殺菌消毒劑,其方式是在海水冷卻系統上加裝一路細管,通過一只小排量泵按海水流量比例把一定量的液氯泵入冷卻海水中;并與海水起化學作用,產生次氯酸和鹽酸:CL2+H2O=HCLO+HCL 。 其中次氯酸是很強的氧化消毒劑,它能破壞細胞壁,影響生物對營養物質的吸收,對海生物具有很大的殺傷和抑制作用。但液氯處理缺乏持久性,氯氣又易揮發,對儲存管理存在著很大的危險和困難,這樣造成成本的增加;其次因水生物對氯的敏感性和適應性就需在冷卻海水中保持較高的氯溶度,而冷卻水中含有余量氯對系統上的含銅件產生腐蝕;再從環保角度看,加氯不僅殺傷了貝類、蛤類、藻類等污染海生物,同時對周邊的魚蝦類具有同等的殺傷作用。

2. 電解海水防海生物裝置

電解海水防污是利用有效氯(氯氣和次氯酸根)的毒性殺死海生物,在特制的陽極上通直流電,電解海水,達到防污的目的,達到防海生物附著生長的目的。在電解海水時,主要有下面的反應:

陽極反應:2CL→CL2 +2e

4OH→O2+2H2O+4e

陰極反應:2H2O+2e→2OH-+H2↑

隨著分子和離子的運動,由陽極產生的氯氣與陰極產生的氫氧根結合,發生下列的反應:CL2+2NaO→ NaOCl+NaCl+H2O 電解中形成的CL2和OCL是強氧化劑,對海生物具有毒性,能殺死海生物起防污作用。

該套設備不像涂料那樣釋放毒物,此方法不會對環境造成污染;又不像加液氯那樣需長年貯存和運輸。在電解的海水中,最后的殘氯濃度只要在0.01ppm以上,就可以達到滿意的防污效果。

此套裝置包括電解陽極、電解槽、噴管或噴頭、有效氯測定箱、過濾器、流量計、電源、控制箱等,結構較為繁瑣。其中電解陽極的材料要求很高,一般用鈦合金,在鈦的表面涂上TiO2—RuO2固溶體,就構成了鈦涂釕陽極,這樣該裝置的初期購置及使用維護更新備件成本就很高。在設計電解槽時應解決電極材料、極板間距、海水流速、電流密度、沉淀產物的排除問題;同時也要考慮電解槽的水密性和電性絕緣。在實際使用電解反應時,陰極上形成的OH 與海水中的鈣、鎂離子反應形成膠狀的氫氧化鈣和氫氧化鎂沉淀,此沉淀積在電解槽的陰極上,影響海水流量,增加電阻,使電流效率下降,須人工拆檢并用清水沖洗極板和電解槽后才能恢復使用。再者由于受其工作原理的局限,在渤海灣冬季海水溫度低于攝氏5度時,由于電解電流太低而無法正常工作。

另外,該裝置同樣也不能避免剩余氯對排出水口附近造成海水污染。

電解海水防污裝置在我國的大型船舶上已有應用,但由于該裝置購置投入費用高,多數是進口設備,使用維護成本較大,目前還不普及。

1)非氧化性殺菌劑

非氧化性殺菌劑具有高效、低毒、廣譜、對環境污染小等特點。它的防海生物機理是附著在海生物表面,穿透細胞壁,破壞海生物膜蛋白活性,造成細胞破裂、死亡。如,現在使用的季胺鹽等有機殺菌劑最大的優點是對貝類、蛤類、藻類等污染海生物具有很強的殺滅、抑制作用,而對魚蝦類幾乎沒有傷害作用。與氧化性殺菌劑相比,海生物對非氧化性殺菌劑沒有敏感性,這樣船舶在日常使用時就可采用間斷使用的方法來處理海生物。同時非氧化性物質對船舶冷卻設備、管系等皆無腐蝕危害。

由于我國對非氧化性殺菌劑正處于科研起步階段,目前一些船舶使用的藥劑大部分為國外產品,消費價格昂貴。但從發展趨勢來看,對非氧化性殺菌劑的卓越性推崇必將使其成為未來發展的主流。

2)電解銅陽極和鋁陽極防污防腐裝置

利用電解銅離子對海生物的抑制殺傷作用和電解鋁離子對銅、鐵等船舶設備管線的防腐保護作用,一舉兩得,全面解決防海生物污堵和海水管線腐蝕兩大問題。該裝置結構簡單,由恒流電解控制箱、防海生物陽極、防腐陽極及接線盒組成。

例如,現在船舶較為廣泛使用的由上海船舶運輸科學研究所研發生產的DCF系列電解防污防腐裝置的基本原理是:

采用外加電流的原理,在船舶海底門處安裝防海生物陽極和防腐蝕陽極,通電進行海水電解和金屬電解,產生有效氯和防海生物活性離子及防腐蝕FFⅠ型 (或FFⅡ型)離子,以流動海水作介質,形成電解液,再由海水泵抽出,分布到整個海水冷卻管系中,達到既防止海生物附著又防止管系腐蝕的目的。防污陽極適用于任何海水冷卻水管系的海生物防治。防腐蝕陽極分為適用于以鋼管為主和以銅管為主的海水冷卻管系兩種防腐蝕產品。

DCF系列電解防污防腐裝置的優點和特點:

1)安全性高,無毒,無污染,完全符合海洋環保要求。

2)全面解決海水管線海生物粘附繁殖和管線海水腐蝕兩大問題。防海生物效率 96% 以上。防腐性能使管系使用壽命得以延長 3倍。

3)一次性改裝投入費用低廉,性價比高,改裝簡便,陽極安裝的海底門處有3道密封措施,具有很高的水密性。陽極僅引出兩根電源控制線,控制箱可選擇便利處安裝。

4)電解電控箱為恒流電解電源,輸入220V交流電源,輸出240V低壓直流電流。采用全系列集成、模塊電路,減少了接點和控制鍵紐,提高了可靠性、穩定性,簡化了日常使用操作、維護修理工作,在電解過程中具有很高的電解效率,能充分保證海水管系得到保護所需要的離子濃度。

5)陽極使用周期長,可保證船舶結合每一個塢檢周期檢查更換,更新陽極(銅棒和鋁棒)費用低廉。

6)本裝置陽極與市售產品的明顯區別在于,陽極在遇到突發情況下會自動停止輸出電流,陽極固定桿不會繼續消耗而使水密性遭到破壞,陽極固定螺桿與海底門處于完整的水密狀態,具有很高的安全性。

通過對現有防海生物產品的性能、初次購置安裝投入成本、日常維護的可靠性和維護成本的綜合比較,最終在上海船舶運輸科學研究所的有關專家的支持和推薦下,我們選用了該所研發的DCF系列電解防污防腐裝置,并結合船舶塢修,已經在我司華信輪、華洋輪安裝并投入使用。通過一個周期的使用觀察,確實有效地抑制了貝類等海生物在海水系統內的生長繁殖速度,大為改善了船舶海水冷卻系統的使用工況,大大延長了海水濾器、海水管線及冷卻器的清洗周期,從而保證了柴油機等設備的正常全負荷運行。良好的冷卻效果同時也提高了主副機的熱效率,從而也相應提高了船舶的營運經濟性。◆