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

針對現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，對船舶壓載水處理系統進行初步設計，并通過計算論證其可行性。

壓載水；余熱；電解

相對船舶壓載水處理的傳統方法，加熱-電解混合法是一種新的處理方法，即先利用柴油機余熱對海水進行加溫使之達到35~40 ℃，這樣就可以殺死大多數藻類和一部分原生動物，然后再進行電解，利用產生的有效氯以及電場作用等殺死全部海洋生物和細菌。在實驗室中對天然海水的試驗研究結果表明：某些藻類能忍受5～10 mg/L有效氯處理，但對溫度非常敏感，40 ℃時絕大多數只能存活很短的時間[1]；原生動物對氯化處理的耐受性很差，5 mg/L有效氯處理即可滅除。該系統以電解處理為主、加熱處理為輔，互為補充，在簡化電解系統使處理結果更為可靠的同時，又避免了單獨的余熱處理法所引起的船體強度下降和應力破壞等弊端。

一、加熱-電解混合法的原理

現在，最先進的柴油機的效率雖然已經達到50%以上，但排氣和冷卻水等仍然會帶走大量的廢熱。以某65 000 t油船的MAN B&W6S50MC型號柴油機（額定功率8580 kW，轉速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間。隨著壓載水溫度的升高，散失到環境中的熱量雖然也會增加，但冷卻水和壓載水之間的溫差仍在減小，因為柴油機提供的熱量大于散失的熱量，當壓載水散失的熱量與柴油機提供的熱量相等時，壓載水達到最高溫度。根據MAN B&W柴油機的說明書，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的55%。按照電解理論，當海水被電解時會產生HClO、ClO-、Cl2，將其稱為有效氯。Cl2是極易溶于水的（20℃時溶解度為7.29 kg/m3），并發生二次反應：

25 ℃時，此反應的平衡常數為1.5×1016[2]，可見反應限度很深。因此，上述三個反應的總反應可寫為

當然，還可能存在如下反應:

次氯酸是弱酸，會發生部分分解反應，HClO在pH值為6.5～8.5的溶液中會不同程度地存在氫離子和次氯酸根離子。反應的離子化常數隨溫度變化情況詳見表1。

表1 不同溫度下HClO的離子化常數（Ki）值[3]

上述反應中產生的HClO、ClO-、Cl2具有較強的氯化殺滅水生物和病原體的能力，其中分子態HClO的殺菌能力是ClO-的40～80倍[4]。HClO和ClO-又被稱為游離有效氯，此兩種離子的相對含量對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-具有很強的殺菌能力，所以溫度升高對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和部分不耐熱微生物的同時，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，互為補充。

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

二、加熱-電解混合法系統的設計

1. 系統設計簡述

混合法系統設計原理如圖1所示，主機缸套冷卻水一部分分流經熱交換器1。當壓載水加裝完畢后，系統開始工作，首先流經熱交換器1，利用高溫主機缸套冷卻水（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，這個系統相當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，經過加熱的壓載水經濾器2過濾，去除較大顆粒后，進入壓載水泵3，經過旋流分離器4分離，以固定流速流經電解發生器7。整流器8將交流電轉變成直流電，供給電解發生器，通過調節整流器的輸出電流可以控制電解的速率。經過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殺死。

2. 電解單元設計

電解發生器是將通過它的海水電解產生有效氯的主要設備。電解陽極是電解發生器的關鍵部件，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、較長的使用壽命及價格便宜、易于加工成形。

這里采用的是圓管連續式電解發生器，內管為陽極，外管為陰極，管壁以鈦做基板，不同的是陽極上面涂有鉑、銥、釕等復合材料，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。管式電解發生器結構較復雜，但時空產率較高，且易于適應大規模連續生產。管式電解發生器結構如圖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計算

船舶航行過程中，壓載水液面在艙內前后左右波動，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有差異。為簡化計算，先假設液面是靜止的，同時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. 加熱單元的定性計算

以表1中寒帶環境為例，壓載水實際溫度為40℃，壓載艙內空氣溫度為20℃，舷外海水溫度為4 ℃， 壓載艙與外界環境的熱交換可以分為以下幾種形式：通過艙底和船外側壁傳給外界海水和空氣； 通過甲板傳遞給空氣；通過船內側壁與其他艙室進行熱交換。通過估算，1號壓載艙左艙壓載水的散熱率為1497.52 kW[5]，而主機在該海況下所夠提供的廢熱為3169 kW，因此在冰冷水域主機仍然能夠滿足單艙壓載水的加熱，我們可以在航行中通過轉換閥依次對各壓載艙進行處理，并達到規定的要求。

在溫帶和熱帶海水域，由于外界環境溫度較高，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. 電解單元的定量計算

根據G8（《船上壓載水處理系統批準導則和規范》）的要求，船用電解發生器處理量不低于200 m3/h，有關研究表明，要比較好地處理壓載水，有效氯質量分數應該在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。

根據法拉第電解定律得出下面公式：

其中：m為物質以原子為基本單元的摩爾質量；I為電解電流強度；t為電解時間；n為電極反應中一個原子得失電子數；k為電解槽個數。

根據本文所設計的電解槽總電流I＝600 A，計算出單個電解發生器每小時有效氯的理論產量為

根據電流效率：

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，單個電解發生器每小時處理量為124 m3，說明單個電解發生器無法在合適的時間內處理所有壓載水，因此需采用多組發生器并用的形式。本船舶設計采用單極式電極聯結，其中電聯結采用串聯供電方式，液路聯結采用串聯方式（如圖3）。

如果采用5對單個發生器，處理時間為

因為每次并不是置換全部壓載水，并且該方法在航行途中就可以全部進行處理，不會影響船舶安全，所以23.1 h是可行的。

四、結 論

通過分析計算證明這種方法是可行的，不僅提高了柴油機的廢熱利用率，而且與傳統電解方法相比簡化了電解單元，節省了資源和能量，同時使處理效果更加可靠，在航行中隨時可以進行而不影響船舶的安全。另外，該處理系統不會過分增加船舶運行成本，僅加熱單元增加一套獨立的熱交換器和相應管系即可；或者可以對中冷器進行改裝，加裝一套旁通管系，溫度合適時使用壓載水對主機缸套進行冷卻，當溫度超出要求范圍時，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壓載艙金屬腐蝕的影響[J].大連海事大學學報,2005,31(3):45-46.

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

[3]馮玉杰,李曉巖,尤宏,等.電化學技術在環境工程中的應用[M].北京:化學工業出版社,2002.

[4]馬世豪,凌波.醫院污水污物處理[M].北京:化學工業出版社, 2000.

[5]李斌,孫培廷.利用船舶柴油機余熱加熱壓載水的新方法[J].大連海事大學學報,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