申请日2016.03.03
公开(公告)日2016.05.18
IPC分类号C02F9/06
摘要
一种压舱水处理设备，用于对泵入船舶的压水舱中的压舱水进行处理，所述压舱水处理设备至少包括过滤系统以及电解系统，所述过滤系统的进水端通过增压泵泵入压舱水，所述压舱水处理设备进一步包括中间反应器以及循环泵，所述过滤系统过滤后的压舱水通过所述增压泵经管道分别输送至所述中间反应器和所述压水舱，所述电解系统产生的消毒溶液通过加药管道输送至所述压水舱并与所述过滤后的压舱水混合形成所述压舱水。本发明的压舱水处理设备提供了优化的总体结构，兼备产气排空作用，提高电解效率，减少电解设备空间占用。相比现有的压舱水处理系统，本发明可以节省50%以上空间占用及能耗，适应单一或多流域航行的船舶。
权利要求书
1.一种压舱水处理设备，用于对泵入船舶的压水舱(1)中的压舱水进行处理，所述压舱水处理设备至少包括过滤系统(2)以及电解系统(10)，所述过滤系统(2)的进水端通过增压泵(21)泵入压舱水，其特征在于，所述压舱水处理设备可以进一步包括中间反应器(30)以及循环泵(40)，所述过滤系统(2)过滤后的压舱水可以通过所述增压泵(21)经管道分别输送至所述中间反应器(30)和所述压水舱(1)，所述循环泵(40)连接在所述中间反应器(30)的循环出口(31)和所述电解系统(10)的进液口(11a)之间，所述电解系统(10)的出液口(11b)通过管道连接所述中间反应器(30)的循环入口(33)，所述电解系统(10)产生的消毒溶液可以通过加药管道(35)与所述过滤后的压舱水混合注入所述压水舱(1)完成压舱水的过滤与消毒处理。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述中间反应器(30)可以具有一个排放口(32)，所述加药管道(35)可以通过加药泵(36)与所述中间反应器(30)的排放口(32)连接。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述中间反应器(30)可以设置有冷却换热装置(50)。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加药管道(35)可以通过一个流量控制阀(37)连接至所述循环泵(40)的出口，所述中间反应器(30)的循环入口(33)与所述增压泵出口的管路之间可以具有一个第二流量控制阀(38)。
5.如权利要求1-4之一所述的设备，其特征在于，所述中间反应器(30)的上部具有一个排风口(34)，所述排风口(34)连接有一个抽风机(341)。
6.如权利要求1-5之一所述的设备，其特征在于，所述压舱水处理设备进一步包括盐水浓缩系统(3)，所述盐水浓缩系统(3)的入口通过管道连接所述过滤系统(2)的出口，所述盐水浓缩系统(3)产生的浓水(N)通过管道输送至所述中间反应器(30)。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述盐水浓缩系统(3)进一步包括对所述过滤系统(2)过滤后的压舱水进行软化的软化装置(301)。用于对压舱水进行软化，去除其中的钙镁离子，将软化后的压舱水再进行浓缩处理。
8.如权利要求1-5之一所述的设备，其特征在于，所述电解系统(10)包括支撑壳体(11)，所述支撑壳体(11)上分别设有所述进液口(11a)和所述出液口(11b);所述电解系统(10)进一步包括堆栈式电极序列(12)，其设置在所述支撑壳体(11)的内部;所述堆栈式电极序列(12)具有多个并排分离设置的电极，各电极间通过支撑件(100)以串联方式支撑在所述支撑壳体(11)中，相邻的两个所述电极之间设置有连通所述进液口(11a)和出液口(11b)的电解液通道;位于所述堆栈式电极序列(12)的两端的所述电极分别为第一末端电极(12a)和第二末端电极(12b)，所述第一、二末端电极(12a、12b)分别设有用于连接电源的接线柱，位于所述第一、二末端电极(12a、12b)之间的所述电极为全导电金刚石材料电极。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述电解系统(10)包括一个自清洗控制装置(60)，所述自清洗控制装置(60)控制加载在所述电解系统(10)上的电源的正负极在特定时间对调，使所述电源的阴阳极相互转换。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述电解系统(10)的工作电流密度在5000～40000A/m2之间。
说明书
一种压舱水处理设备
技术领域
本发明涉及环保及防腐蚀领域的水处理工艺，尤其涉及一种专用于船舶压舱水的处理设备。
背景技术
船舶运输占世界贸易运输量的三分之二。船舶为保持稳定性，卸货后需要添入约占船舶载重30%的水来压舱，此类水称为压舱水或压载水。压舱水因需要在船舶卸货时补充，并又在装货时排掉，通常是在两个不同的水域中进行，因此会构成对接受压舱水沿岸的污染，构成健康风险与生物入侵灾难。总量每年高达百亿吨，因此国际海事组织(IMO)自2007年制定公约，规定了压舱水的排放标准，用于控制风险，包括2003年生效的IMOD1以及2009年的IMOD2，当前世界各国均参照上述标准进行控制。
现有压舱水处理技术，主要包括沉淀过滤、杀菌消毒以及防腐三个方面。
1.沉淀过滤技术
沉淀过滤技术一般是通过物理分离方法去除水中的颗粒物质，比较典型物理型技术是利用水力旋流装置对大颗粒物质进行物理分离，之后采用转盘过滤，纤维过滤，砂滤等紧凑装置进一步过滤掉小颗粒物质，便于后续的杀菌消毒处理。
2.杀菌消毒处理
杀菌消毒处理主流工艺可概括为两大类，一类是化学合成加药法，另一类是高级氧化法。
化学合成加药法是利用化学反应原理生成氧化剂(一般为气态)，再经过喷射或混合器注入水中，包括臭氧发生器以及二氧化氯发生器，其中美国专利申请US20010996135A公开的二氧化氯发生系统比较有代表性，其采用了美国ECOLAB公司的PURATE技术，相较于传统的二氧化氯发生工艺，避免了氯气的使用，直接采用氯酸钠(48%)与双氧水(8%)的稳定混合液与硫酸反应，降低了生产成本。但是这种方法存在较大安全隐患，首先氯酸钠与双氧水混合液属于易燃易爆品，尤其遇到还原物质时候很容易发生爆炸，而另一药剂硫酸具有高腐蚀性，泄露会造成很大危害，两种反应物都需要高等级的存储、运输与防护措施;其次，其反应生成二氧化氯气体，再利用水射器将气体射入水中溶解，二氧化氯属于高毒性易爆气体，即使当前普遍采用的负压真空投加方式也无法避免发生泄漏事故。
高级氧化法是利用高级氧化工艺(AOPs)原理直接产生羟基从而生成氧化剂，对水中细菌、微生物进行杀灭，最终达到压舱水排放标准的方式，为近年来的研究热点，因此种方式最为安全环保，成本效益有很大提升空间。船用的AOPs因为对系统的紧凑与安全性非常敏感，主流技术路线均是通过直接处理压舱水，以期在压舱水中直接产生氧化剂进行杀菌消毒。当前AOPs又分为两大类，一类是通过特定波长紫外线照射海水激发羟基对并反应生成臭氧进行消毒，另一类是通过电极直接电解海水产生次氯酸盐进行直接消毒。
例如中国专利申请200780043793中所表述的紫外线消毒工艺比较典型，采用紫外线消毒优点是受水温影响小，不像电解工艺对盐度有要求，但缺点很明显，一方面其发生效率受到水中浊度、色度的影响大，对抗性藻类微生物处理能力弱有局限;同时大功率的发生器对电能要求高，发热大，需要严格的防爆要求及冷却措施，此外，紫外线发生灯管易沉淀结垢，需要频繁地清理及更换，维护工作量较大，此类技术较适用于水质简单、且具备较好管理条件的船舶环境。
采用直接电解海水的方法，通常是采用型稳阳极对含有一定盐度的压舱水进行电解，产生以次氯酸钠为主的氧化剂进行杀菌消毒。例如，中国专利申请CN201010230119中采用电解氯化钠溶液生产以次氯酸钠，该现有技术采用了对称设计的复式串联钛基金属氧化物(氧化钌)电极，可生产出约3500ppm浓度以有效氯(FAC)计的氧化剂溶液。按照其公开的11kg/h有效氯(FAC)的生产量参数，需要9.6m2的分8组串联的电极(有效阳极面积为4.8m2)，工作电流为1500A。可换算得实际工作电流密度只有约300A/m2，电流效率只有70%。由于工作电流密度与电流效率是衡量发生器空间占用与电极使用量的直观参数，在给定FAC产率得条件下，更高的电流密度与电流效率意味着更少的电极面积使用量与更小的空间占用。
另外，该现有技术的采用钛基钌(Ru)铱涂层型稳阳极(DimensionStableAnode，DSA)，还存在一个致命问题就是RuO4的污染问题以及涂层寿命过低的问题，涂层中的二氧化钌会被进一步氧化为高毒性的RuO4溶解到溶液中，因此采用钌系涂层的电极不能用于与食品安全相关的应用。而且当钌系涂层阳极工作在高电流密度下时，高槽压的情况下，在2000A/m2以上的电流密度下，涂层会迅速地分解剥离，寿命大大缩短。有关DSA技术的原理可以参见现有技术《高性能多用途的DSA阳极》(电镀与涂饰，2004年6月第23卷第3期，谢素玲)，此处引用作为参考。
另外，电解方式的设备的选型取决于压舱水的温度与盐度，对于受季节、流域影响而多变的压舱水水质环境，直接电解通常需要考虑极端的温度与盐度条件，保持较大的裕量，这与紧凑设计的需求产生矛盾。
次氯酸盐的杀菌消毒浓度控制在1ppm，虽可控制部分微生物滋生，但对诸如团状菌群，孢子类物质，以及细菌粘膜处理效果差，需要进行冲击投加，也就是以10～100倍的通常浓度才能达到控制目的，此种方式又产生新的问题:过量的氧化剂需要大量的还原剂进行中和，即增加成本，又对环境构成二次污染。
直接电解法的处理方式是直接在压舱时，使得经过过滤的压舱水以很高流量经过电解系统处理，由于压舱水温度、盐度与流量的变化，需要根据变化调节电解强度，需留有很大的裕量，因为不同港口的海水温差十分巨大，可低至零下，高达30摄氏度以上。如美国专利US8080150B2中所述，其优化的单位面积施加的电流(电流密度)在25～750A/m2区间，以保证较高的电流效率、较低的能耗与较长的维护周期。以一个货载量为3.5万吨的船舶为例，产生压舱水1万m3所需的投加浓度约为1mg/l(1g/m3)，可得氧化剂需求量为10000m3*1g/m3=10kg。按常规15小时/天连续工作，则需667克/小时的FAC产率。以次氯酸钠产率公式为基础进行如下计算：电流效率为100%时，每100安培小时可生产出132.3克/小时的有效氯，以电流效率60%计，在25～750A/m2的电流密度范围工作所需电极有效面积为1.12m2～38m2，设计通常考虑极端条件，因此实际电解系统的面积需求为38m2。这不仅需要很大空间，同时对于一个大部分时间处于闲置状态，仅在港口运行的压舱水处理设备来说，投资上也是很大的浪费。
由于电解法产生一定量的氢气、氯气及氧气，不经处置随电解液进入压舱水舱内会不断累积，产生爆炸风险，因此需考虑脱气，这又增加了空间需求。往往压舱水的处理是集中在港口进行，大量船舶在处理压舱水的同时又对港口空气产生了污染，在无风低压的天气下，气体难以扩散，构成健康与安全隐患。一个35000吨荷载的货轮，需要处理1000m3/hr的流量，脱气罐的体积就要1m3，在现有船舶上安装比较困难，即使如中国专利申请CN20110432508，CN201510250135中提出了采用旋流分离以及雾化喷头等方法，仍然需要至少0.4m3的空间占用，相对复杂的设计增加了维修难度。
3.防腐
船舶防腐措施主要采用对船体的喷涂衬胶，对水质的缓蚀处理两个方面。在现有船舶条件下，均具备对船壳的防腐处理。腐蚀是一个不可忽视的问题，尤其高盐度水质下，电化学腐蚀发生很快，在压舱水为中性条件下，普遍发生的是吸氧腐蚀反应，保护膜破损的金属船体表面造成大面积点蚀，降低船舶使用寿命。此外，杀生氧化剂的使用，浓度控制不当，又会加重腐蚀，研究表明，当氧化剂投加浓度大于0.4ppm的时候，腐蚀倾向限制增加。
美国NEI公司提供了一种通过降低水中溶解氧缓蚀的方法，原理是利用文丘里管注入氮气置换水中的溶解氧，在低溶解氧环境下，大大降低了吸氧腐蚀反应，同时可杀灭大部分好氧型微生物，但此种方式为厌氧型微生物提供了适宜条件，注入硫酸盐还原菌的滋生，更会加重对金属的腐蚀。在细菌膜周围，硫酸盐在生物代谢下得到电子还原为硫化物，而铁成为牺牲阳极提供了电子，其它厌氧细菌的代谢会将水中已经死亡的微生物尸体进行降解，产生酸化反应，使得水的pH降低，这同时又创造了析氢腐蚀环境，铁失去电子溶解为二价铁离子，而氢离子获得电子产生氢气，构成生物腐蚀(MIC)。伴随着硫化物的产生，硫化氢气体一并产生，产生恶臭，危害健康。而传统冲击式加药控制微生物的方式，又会进一步加剧腐蚀。
总之，当前的技术还是可以解决部分问题，但缺点显而易见：化学合成法有很大的安全风险，成本较高;而现有的高级氧化方法存在效率低，适用性差，成本高等问题;当前市场上的技术虽可满足普通的排放要求(IMOD1，D2)，但是对于更加严格的标准，是很难经济有效地完成的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种压舱水处理设备，以减少或避免前面所提到的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种压舱水处理设备，用于对泵入船舶的压水舱中的压舱水进行处理，所述压舱水处理设备至少包括过滤系统以及电解系统，所述过滤系统的进水端通过增压泵泵入压舱水，其中，所述压舱水处理设备进一步包括中间反应器以及循环泵，所述过滤系统过滤后的压舱水通过所述增压泵经管道分别输送至所述中间反应器和所述压水舱，所述循环泵连接在所述中间反应器的循环出口和所述电解系统的进液口之间，所述电解系统的出液口通过管道连接所述中间反应器的循环入口，所述电解系统产生的消毒溶液通过加药管道与所述过滤后的压舱水混合注入压水舱完成压舱水的过滤与消毒处理。
优选地，所述中间反应器具有一个排放口，所述加药管道通过加药泵与所述中间反应器的排放口连接。
优选地，所述中间反应器设置有冷却换热装置。
优选地，所述加药管道通过一个流量控制阀连接至所述循环泵的出口，所述中间反应器的循环入口与所述增压泵出口的管路之间具有一个第二流量控制阀。
优选地，所述中间反应器的上部具有一个排风口，所述排风口连接有一个抽风机。
优选地，所述压舱水处理设备进一步包括盐水浓缩系统，所述盐水浓缩系统的入口通过管道连接所述过滤系统的出口，所述盐水浓缩系统产生的浓水通过管道输送至所述中间反应器。
优选地，所述盐水浓缩系统进一步包括对所述过滤系统过滤后的压舱水进行软化的软化装置。
优选地，所述电解系统包括支撑壳体，所述支撑壳体上分别设有所述进液口和所述出液口;所述电解系统进一步包括堆栈式电极序列，其设置在所述支撑壳体的内部;所述堆栈式电极序列具有多个并排分离设置的电极，各电极间通过支撑件以串联方式支撑在所述支撑壳体中，相邻的两个所述电极之间设置有连通所述进液口和出液口的电解液通道;位于所述堆栈式电极序列的两端的所述电极分别为第一末端电极和第二末端电极，所述第一、二末端电极分别设有用于连接电源的接线柱，位于所述第一、二末端电极之间的所述电极为全导电金刚石材料电极。
优选地，所述电解系统包括一个自清洗控制装置，所述自清洗控制装置控制加载在所述电解系统上的电源的正负极在特定时间对调，使所述电源的阴阳极相互转换。
优选地，所述电解系统的工作电流密度在5000～40000A/m2之间。
本发明的压舱水处理设备提供了优化的总体结构，设置了中间反应器，在其中利用电解反应热与环境水温来实现反应最优温度控制，同时兼备产气排空作用，提高电解效率，减少电解设备空间占用。通过配备盐水浓缩系统实现浓度调节，调节反应溶液在优化浓度，其可根据实际水质条件，灵活切换工作方式。通过具备自清洗功能的氧化剂电解发生系统进行间接电解，连续加药的方式，可实现船舶靠港一次性处理，也可在航行期间连续工作。相比现有的压舱水处理系统，本发明可以节省50%以上空间占用及能耗，适应单一或多流域航行的船舶，并使出水达到国际海事组织IMOD2及未来更严格的排放要求。