本发明涉及一种船舶尾气与压载水一体化处理系统，属于环境技术领域。
背景技术：
全球超过80% 的国际贸易是通过海洋运输来实现，根据国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）截止到 2010年12月数据，全球正在运行的100 总吨以上船舶大约有104304艘。随着运输船舶数量的不断增加，船舶排放的污染物对大气和水体造成的污染和危害也日趋严重。
目前，为了节约成本船用柴油机一般使用低品质（高硫含量）重油，因此释放出大量的污染物，主要有氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）、碳氧化物（COX）和细颗粒物（PM2.5）等大气污染物。英国《卫报》报道，船舶NOX排放约占世界NOX总排放的18%-30%，SOX 排放约占世界SOX总排放的9%。这些污染物对环境具有严重危害性：如SOx，它是产生酸雨的主要原因之一。NOx 是NO及NO2的总称，其中NO2 也是造成酸雨的原因之一；而NO与血液中的血红素的结合能力比CO还强，容易使人们中毒而死亡。CO2则是温室气体之一，是全球暖化的主因。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。由于陆上工业脱硫脱硝设备及技术相对成熟，船舶尾气处理技术大多是借鉴工业烟气脱硫脱硝技术展开研究的。但是，由于船舶条件所限，船舶尾气脱硫脱硝设备必须满足轻便、体积小、能耗低、不对海洋造成二次污染和经济性好等要求。
水体的污染主要是由于排放压载水造成的。现代远洋船舶一般通过灌注压载水来保证航行的安全和稳定，压载水的作用十分重要。但压载水中含有大量的细菌、病毒、藻类、原生生物、软体动物和鱼类等，地理性隔离水体间的传播可能会危害其周围原有海洋生物或引入新的外来物种，从而使原有生态系统的食物链遭受破坏，进而引起严重的环境污染与生态安全。据统计，目前全世界年压载水排放量约100亿吨，平均每立方米压载水中含浮游动、植物可达1亿个以上。每天，全球有超过3000种生物存在于压载水中，并且被确认可通过压载水异域排放引起入侵传播的生物物种达500余种。压载水异域排放加剧了海洋生态系统的破坏和环境的恶化，被全球环境基金组织和国际海事组织认定为当前海洋环境所面临的四大威胁之一。目前，船舶压载水主要处理方法可分为机械法、物理法和化学法。
当今，针对船舶尾气污染控制和压载水处理的研发都是独立进行的。如果简单地将相关的船舶尾气控制与压载水处理设备和技术独立地安装到船舶上，将对船舶有限的空间、载荷与发电机功率造成浪费。因此，研发一种有效降低船舶尾气污染物排放和防止船舶压载水传播有害水生物和病原体的船舶污染控制技术，对临港大气环境、海洋生态系统、社会经济发展以及人类健康都具有重要的现实意义。
技术实现要素：
此本发明旨在解决上述问题，提供了一种船舶尾气与压载水一体化处理系统，该处理系统不仅能同时高效处理船舶尾气与压载水问题，且处理系统体积小，十分适合于船舶应用。此外，通过使用氢燃料电池，可以有效回收H2，不仅避免了其带来的安全隐患，同时为能源有限的船舶提供了新的供能方式。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种船舶尾气与压载水一体化处理系统，包括电化学海水改性反应器、压载水处理反应器和尾气净化洗涤塔。其特征在于，包括以下内容：
1）电化学海水改性反应器是隔膜电解反应装置，包括隔膜、阴极腔和阳极腔。
进一步地，所述的电化学海水改性反应器由单个或多个隔膜电解反应装置串联或并联而成。
2）压载水处理模块包括过滤器、氧化灭活组件和后续排放还原组件三部分。
进一步地，所述的过滤器可以是一级或多级过滤处理的串联，用于去除海水中砂石颗粒和较大的微生物。所述的氧化灭活组件用于混合压载水和强氧化性液流，杀死压载水中的微生物。所述的后续排放还原组件用于把多余的氧化液流还原，避免排放的压载水对海洋环境造成二次污染。
3）尾气净化塔包括微纳米气泡发生装置、氧化洗涤塔和碱性吸收洗涤塔。
进一步地，所述的电化学海水改性反应器的阳极腔、微纳米气泡发生装置和氧化洗涤塔依次连接，所述的电化学海水改性反应器的阴极腔和碱性吸收洗涤塔依次连接。
进一步地，所述的微纳米气泡发生装置还与尾气相连，使部分尾气通入，并与强氧化性液流高度相溶混合，形成均匀的微纳米气泡，气泡平均粒径在500纳米（nm）~5微米（μm）之间。
进一步地，所述的氧化洗涤塔、碱性吸收洗涤塔内都安装有雾化喷嘴和固体填料，用于增大气液接触面积。
进一步地，所述船舶尾气与压载水一体化处理系统还包括氢燃料电池反应器，电化学海水改性反应器所产生的H2，将送到氢燃料电池反应器作为原料使用。
所述船舶尾气与压载水一体化处理系统的工作流程包括：
1）将天然海水用水泵泵入船舶压载水处理反应器的过滤器部分，去除海水中砂石颗粒和较大微生物；
2）将过滤后的天然海水用水泵泵入电化学海水改性反应器，通过膜分离与电化学技术对海水进行处理，形成两股不同性质的液流，分别为强氧化性液流和碱性液流。具体原理如下：海水改性处理时，阳极表面生成Cl2，进一步，Cl2在阳极腔内溶解生成氧化性的HClO，阴极表面生成OH‾。由于阳离子交换膜的阻隔分离，只有Na+可以自由通过，阴离子无法透过。因此，改性后阳极腔生成酸性强氧化性液流，主要成分为HClO，阴极腔生成碱性液流，主要成分为NaOH。
① 阳极腔主要反应过程：
2Cl‾(aq)-2e‾→Cl2(g)
Cl2(g)↔Cl2(aq)
Cl2(aq)+H2O(l)↔HClO(aq)+HCl(aq)
② 阴极腔主要反应过程：
2H2O(l)+2e‾→2OH‾(aq)+H2(g)
3）将上述一部分强氧化性液流用水泵泵入船舶压载水处理模块的氧化灭活组件，用于灭活压载水的微生物；另一部分强氧化性液流用水泵泵入尾气净化塔的微纳米气泡发生装置中，用于形成微纳米气泡溶液，然后送入氧化洗涤塔氧化尾气。将上述一部分碱性液流用水泵泵入尾气净化塔的碱性吸收洗涤塔，吸收氧化后的尾气；另一部分碱性液流用水泵泵入氢燃料电池反应器，作为电解液使用。
4）通过除尘器将船舶尾气经进行除尘处理，经除尘的尾气分为两部分，一部分通过管线进入氧化洗涤塔，随气流逐步上升；另一部分通过管线进入微纳米气泡发生装置，与强氧化性液流相溶混合，形成均匀的微纳米气泡溶液，再通过管线送入氧化洗涤塔经雾化生成氧化性气雾，与氧化洗涤塔内上升的尾气逆向接触反应，生成初次净化尾气。初次净化尾气由氧化洗涤塔顶排出经气体管道进入碱性吸收洗涤塔并随气流逐渐上升，与碱性吸收洗涤塔中经雾化生成的碱性气雾逆向接触反应，将烟气中的NO2、CO2、SO2和SO32‾进一步脱除，生成二次净化尾气，二次净化尾气经碱式吸收塔顶部排出，直接排放进入大气；
该步骤主要发生如下化学反应：
① NO氧化吸收主要过程：
HClO(aq)+NO(g)→NO2(g)+HCl(aq)
2NO2(g)+2OH‾(aq)→NO2‾(aq)+NO3‾(aq)+H2O(l)
② SO2氧化吸收主要过程：
SO2(g)+H2O(l)→HSO3‾(aq)+H+(aq)
HSO3‾(aq)→SO32‾(aq)+ H+(aq)
HClO(aq)+ SO32‾(aq)→SO42‾(aq)+HCl(aq)
SO2(g)+ 2OH‾(aq)→SO32‾(aq)+H2O(l)
5）将电化学海水改性反应器生成H2送入氢燃料电池反应器作为原料，产生能源，防止直接排放带来的安全隐患，降低H2处理成本。此外，将电化学海水改性反应器产生的部分碱性液流泵入氢燃料电池反应器作为电解液使用。
此过程主要发生如下化学反应：
负极：2H2 + 4OH‾-4e‾→4H2O
正极：O2 + 2H2O + 4e‾→4OHˉ
6）在压载水排放前，经后续排放还原组把多余的强氧化性液流还原，避免多余强氧化性液流排放到海洋里。
本发明的优点是：
1）在电化学海水改性反应器中，通过膜分离与电化学技术对海水进行处理，形成两股不同性质的溶液流，分别为强氧化性溶液流和碱性溶液流。强氧化性液流可用于灭活压载水的微生物和氧化船舶尾气；而碱性液流可以用于中和吸收氧化后的尾气。
2）由于采用了膜分离技术，所述的强氧化性液流的氧化性成分主要存在形态为HClO。HClO/Cl‾ (1.698V)氧化还原电对的电势高于ClO‾/Cl‾(0.841V)。因此，HClO的氧化性强于ClO‾，能更高效氧化NO和SO2等，从而减少了海水用量，降低了液气比，使吸收塔的体积大大减少。
3）采用碱性液流为吸附剂，代替了原有海水脱硫工艺中所使用的天然海水，可大幅增加对酸性尾气的溶解度，减小吸收塔的体积。
4）压载水处理模块包括过过滤器、氧化灭活组件和后续排放还原组件三部分。这三部分不仅能有效灭活各种微生物，且避免排放压载水对海洋环境造成二次污染。
5）氢燃料电池反应器能有效利用电解海水所产生的H2，防止H2爆炸带来的安全隐患，降低H2的处理成本。
6）采用微纳米气泡发生装置可以实现气液两相高度相溶，增加气液接触面积，进而推动气液传质效率增加，增强尾气的去除效率，降低了液气比，进而减小吸收塔体积和占地空间。
7）本发明不仅能同时处理船舶尾气与压载水问题，且大大减少了处理系统的体积，十分适合于船舶应用。
附图说明
图1是本发明的实施例的结构示意图；
【符号说明】
过滤器1；氧化灭活组件2；后续排放还原组件3；管线4；阀门5；阳极腔6；隔膜7；阴极腔8；氧化洗涤塔9；碱性吸收洗涤塔10；氢燃料电池反应器11；微纳米气泡发生装置12。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
作为一个具体的实施例，如图1所示，本发明的一种船舶尾气与压载水一体化处理系统，包括电化学海水改性反应器、压载水处理反应器和尾气净化洗涤塔成。具体包括：过滤器1；氧化灭活组件2；后续排放还原组件3；管线4；阀门5；阳极腔6；隔膜7；阴极腔8；氧化洗涤塔9、碱性吸收洗涤塔10、氢燃料电池反应器11和微纳米气泡发生装置12。上述各部件通过管线4连接为气路和液路。
所述的强氧化性液流在阳极腔6中产生，通过管线4和阀门5，分别输送到氧化灭活组件2中氧化灭活微生物；输送到微纳米气泡发生装置12中形成微纳米气泡，然后送入氧化洗涤塔9中氧化尾气中的NO和SO2等。
所述的碱性液流在阴极腔8中产生，通过管线4和阀门5，分别输送到碱性吸收洗涤塔10中吸收尾气和氢燃料电池反应器11中作为电解液。
本发明的工艺流程（亦即上述设备的工作过程）是：
1.将过滤后的海水用水泵泵入电化学海水改性反应器，选择合适的电解电流强度（常规技术）产生浓度为0.2~5 g/L 的HClO溶液和NaOH溶液。
2.根据烟气体积和SO2 、NO的浓度，按液气比0.5-10 L/m3将所述的HClO溶液由喷淋泵打进微纳米气泡发生装置，与部分尾气形成微纳米气泡溶液，然后泵入氧化洗涤塔顶部的液体入口，并在氧化洗涤塔顶部内形成雾状液滴，与氧化洗涤塔内尾气逆向流动，从而氧化尾气中的NO和SO2。
3.按液气比0.5-10 L/m3将所述的NaOH溶液由喷淋泵打进碱性吸收洗涤塔顶部的液体入口，并在碱性吸收洗涤塔顶部内形成雾状液滴，与碱性吸收洗涤塔内尾气逆向流动，从而中和吸收尾气中的酸性气体。
4.根据海水的体积和微生物含量，按液气比0.5-10 L/m3将所述的HClO溶液由泵打进船舶压载水处理模块中的氧化灭活组件，杀死水中微生物。
5.将电化学海水改性反应器产生的H2和部分NaOH溶液，送入氢燃料电池分别作为原料和电解液。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。