一种船舶尾气污染物和压载水综合处理系统及方法与流程

本发明涉及船舶尾气处理/压载水处理及环保技术领域，更具体地，涉及一种船舶尾气污染物和压载水综合处理系统。

背景技术：

当前世界海运贸易量的97％是由排水量超过10亿吨的9.4万艘船舶承担，由其造成的污染占全球污染量的3.5％～7.6％。船舶所造成的大气污染问题在一些港口城市更加严重，其中如何降低船舶硫氧化物的排放已引起国际社会广泛关注。目前imomarpol73/78公约附则vi对于sox的减排要求为：船舶燃料油的含硫量由现在的3.5％，至2020年1月1日起降至0.5％；在硫排放控制区，自2015年1月1日起，不得高于0.1％。为了满足公约要求，mepc委员会认可3种措施包括：使用低硫燃油，使用替代燃料，使用经批准的废气后处理脱硫技术。

由于低硫燃油的价格一般是高硫油的近两倍，采用这种措施会很大程度上增加船舶的营运成本。而使用替代燃料，如lng，它几乎没有sox和pm排放，而且可减少85％～90％的no以及15％～20％的co的排放，完全符合公约的各种要求。但是，目前除北欧外，全球并未建立起lng补给链，而以lng为燃料的船舶目前最高续航能力只有22天，而且lng燃料罐的建造成本更高，对现有柴油机船舶进行改造有一定困难，也需要对船员进行重新培训。lng作为替代燃料目前还只适用于内河航线或短航程船舶，大规模应用于远洋船舶的前景并不十分明朗。近年来，后处理技术中的湿法脱硫技术渐渐成为主流。湿法脱硫包括开式、闭式以及混合式三种。但湿法脱硫不论采用何种方式，由于高温尾气与洗涤水接触脱硫后都会使洗涤水温度升高，闭式系统一般采用独立的海水换热器对洗涤碱液进行降温，而开式系统通过与大量新鲜海水混合后再排放入海。船舶低速柴油机的排烟温度一般在230～260℃，经过脱硫塔后一般温度下降至120℃左右，根据实船试验，采用镁基-海水法开式脱硫系统，洗涤海水的温度将由10.1℃升高至40.2℃。将这么高温度的海水直接排放入海不仅对海洋生物造成一定影响，而且这在一定程度上也浪费了大量能源。

另一个值得关注的是压载水带来的生物入侵问题。为了船舶的稳定性和结构完整性，船舶经常会使用压载水。压载水中包含大量水生微生物、藻类和动物，它们会跟随船舶航行被排放到原本不属于它们的生态系统中，给当地的生态环境造成巨大威胁。为此，imo专门制定了《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》(bwm公约)，随着芬兰批准加入该公约使得缔约国总数达到52个，总商船吨位达到35.1441％，满足公约生效要求，该公约将于2017年9月8日开始生效。为满公约要求，目前基本上是通过在船舶上安装获得型式认可的压载水处理系统来实现。

这些压载水处理系统不论采用超声波法、紫外线照射法、臭氧法还是羟基自由基法等都会消耗大量高品位的电能，或者需要加入化学试剂，这些方式既不节能也不环保。据英国学者周培林研究发现，当把海水加热到65℃时，几秒钟就可以破坏或杀死海水里的微生物和病菌。就目前已知的需引起人们高度注意的物种来说，在40℃的温度下加热大约8分钟就已足够达到消除污染的目的。一般将压载水加热到35～45℃并在此温度下保持一段时间即能满足压载水的排放要求。加热法可采用缸套水或废气余热对压载水中的微生物进行有效的杀灭处理。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种船舶尾气污染物和压载水综合处理系统，通过利用船舶余热处理压载水，在满足船舶减排和避免生物入侵的同时，达到了充分的环保和节能效果，极大地节约了船舶改造成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种船舶尾气污染物和压载水综合处理系统，包括湿法脱硫系统、烟气换热器、压载舱、中央冷却器和蓄热柜，所述烟气换热器的高温介质入口与待处理尾气相连，所述烟气换热器的高温介质出口与所述湿法脱硫系统的脱硫塔的待处理尾气入口相连，所述中央冷却器的低温介质入口与所述压载舱中的待处理海水相连，所述中央冷却器的低温介质出口与所述烟气换热器的低温介质入口相连，所述烟气换热器的低温介质出口与所述蓄热柜的介质入口相连，所述蓄热柜的介质出口与所述压载舱相连。

优选地，所述烟气换热器为板式换热器、或壳管式换热器、或脉动热管换热器。

优选地，所述蓄热柜内的底部为斜面，并且在所述蓄热柜的下部安装观察镜。

优选地，所述蓄热柜还连接排污系统。

优选地，所述排污系统包括与所述蓄热柜顺次相连的排污泵和污物存储装置。

优选地，所述蓄热柜的体积为15立方米～50立方米。

优选地，所述湿法脱硫系统为开式脱硫系统，或闭式脱硫系统，或混合式脱硫系统。

优选地，所述烟气换热器的高温介质出口处烟气的温度降低至80℃～100℃。

优选地，所述蓄热柜由保温材料制成或在蓄热柜外包覆保温材料。

一种船舶尾气污染物和压载水综合处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1：构建权利要求1所述的船舶尾气污染物和压载水综合处理系统；

s2：将中央冷却器的低温介质入口与待处理的压载舱的出水管相连；

s3：打开中央冷却系统，打开烟气换热器；

s4：打开烟气换热器的高温介质进口阀，使高温尾气通过烟气换热器降温至80℃～100℃后进入脱硫塔进行脱硫处理；

s5：打开待处理的压载舱的出水阀，使压载舱中的压载水经过中央冷却器和烟气换热器连续升温至50℃，之后，进入蓄热柜，并在蓄热柜储存至少8分钟；

s6：将蓄热柜中处理结束的压载水返回至相应的压载舱；

s7：依次处理各个压载舱的压载水，直到全船的压载水全部处理完毕。

从上述技术方案可以看出，本发明通过利用柴油机燃烧时排出的高温尾气及中央冷却器的余热加热压载水至50℃，并保持一定时间，可以杀死压载水中的微生物，使压载水达到排放标准。本发明在使用高硫燃油的情况下能够充分提高船舶能效、降低淡水消耗量、满足尾气及压载水排放标准、以及不会对海洋生物造成影响。因此，本发明具有显著特点。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例中的船舶尾气污染物和压载水综合处理系统的结构示意图；

图2是本发明的一个具体实施例中的船舶尾气污染物和压载水综合处理方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

为了满足imomarpol73/78公约附则vi和《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》的要求，本发明对现有的使用高硫燃油的船舶进行改造，在满足船舶减排和避免生物入侵的同时，能够达到充分的环保和节能效果，极大地节约了船舶改造成本。

本发明采用现有的湿法脱硫系统对高硫燃油燃烧的尾气进行脱硫处理，湿法脱硫系统可以为开式脱硫系统、或闭式脱硫系统、或混合式脱硫系统。不论采用何种方式，燃油燃烧释放的高温尾气与洗涤水接触脱硫后都会使洗涤海水温度升高，洗涤海水的温度可以由10.1℃升高至40.2℃。将这么高温度的海水直接排放入海不仅对海洋生物造成一定影响，而且这在一定程度上也浪费了大量能源。

船舶的构造中还有一重要的核心设备——船舶冷却系统，其作用原理为把冷却介质送到柴油机和其他辅助设备的受高温和摩擦作用的部件，将其多余的热量带走，对其进行冷却，使其保持正常稳定的工作性能。其中，中央冷却系统因其具有避免管路与辅助设备被腐蚀和结垢的优点被广泛采用。

中央冷却系统，由海水冷却系统、低温淡水冷却系统和高温淡水冷却系统组成。其中，海水冷却系统的主要设备有海水泵、过滤设备和中央冷却器，舷外海水在海水泵的作用下被输送至中央冷却器的海水侧入口，在中央冷却器内与低温淡水进行热量交换后，从中央冷却器的海水侧排出。低温淡水冷却系统主要冷却低温部件(包括辅柴油机、空调、冷藏装置、空压机、大气冷凝器等)，低温淡水在经过淡水管路系统支路上各换热设备对滑油、空气、缸套冷却水等冷却后，在干路上汇合，由低温淡水泵将冷却水输送至中央冷却器的淡水侧入口，在中央冷却器中与海水进行热交换降低冷却水温度。高温淡水冷却系统的主要功能是冷却主机燃烧室部件，防止燃烧室部件过热或过冷，以保证主机机械处于正常稳定的工作状态。高温淡水与低温淡水的冷却都是闭式冷却,海水冷却系统用于冷却中央冷却器，为开式冷却。在中央冷却系统中，舷外海水只在中央冷却器中进行热交换而不接触其它热交换器、发电机以及主柴油机的冷却部件，尽量缩短并简化船舶海水冷却管系，有效地防止了由海水腐蚀引起的冷却器以及管路漏泄故障的发生，提高了设备的使用寿命和系统的安全可靠性。所以，现代大型船舶柴油机动力装置的冷却普遍采用中央冷却系统。

在上述的中央冷却系统中，低温淡水通过中央冷却器与舷外海水进行热量交换，低温淡水的温度被降低，海水的温度则升高，之后，海水被再返回至大海。该过程中，也存在生物入侵的问题，并且也浪费了部分能量。

本发明采用40℃～50℃的温度加热压载水大约8分钟的原理，杀死海水中的微生物和病菌，满足《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》的要求。

本发明通过利用湿法脱硫系统和中央冷却系统的余热，加热压载舱中的压载水至50℃，并持续一段时间，至少8分钟，杀死压载水中的微生物，使压载水达到排放标准。

请参阅图1。如图1所示，本发明的一种船舶尾气污染物和压载水综合处理系统，包括湿法脱硫系统01、烟气换热器02、中央冷却器03、压载舱04和蓄热柜05。烟气换热器02的高温介质入口021与待脱硫处理的柴油燃烧释放的高温尾气相连，高温介质出口022与湿法脱硫系统的脱硫塔01的待处理尾气入口011相连，中央冷却器03的低温介质入口033与压载舱04的待处理海水相连，低温介质出口034与烟气换热器02的低温介质入口023相连，烟气换热器02的低温介质出口024与蓄热柜05的介质入口051相连，蓄热柜05的介质出口052与压载舱04相连。

利用中央冷却器03对压载水进行升温预处理。通常，低温淡水冷却系统进入中央冷却器03的低温淡水的温度在40～45℃左右，经中央冷却器03冷却后在30～40℃排出。如果船舶航行在高纬度海域或冬季，甚至零下的极寒水域情况下，由于舷外气温较低，压载舱内的压载水温度一般在5℃左右，甚至更低，此时可关闭海底门，将中央冷却系统采用的舷外海水改用压载水与低温淡水进行热交换，通过调节压载水的流速及流量，低温的压载水经中央冷却器03后可稳定升温至30℃左右，然后再进入烟气换热器02与高温烟气进行热量交换，使压载水温度升高到50℃左右，实现对压载水的加热。

柴油机燃烧排放的高温烟气，在进入烟气换热器之前的温度高达230-260℃，如果直接进入脱硫塔，则会让脱硫塔中的冷却海水升温至40℃以上，然后冷却海水被排入大海，如此高温度的海水会对海洋生物的生存环境造成影响，并且也浪费了大量能量。通过增加烟气换热器，高温烟气经烟气换热器后进入脱硫塔前的温度降低为80～100℃，将高温烟气的热量回收，用来加热压载水，使压载水达到排放标准，既避免高温冷却海水污染海洋，又充分节能。

由于柴油机的负荷不同，产生的尾气量也会有很大变化，这将导致烟气换热器出口024的压载水温度有所降低。为了保证压载水的处理效果，设置蓄热柜05，其用保温材料制作，具有保温的效果，从烟气换热器出口024经加热后的压载水被存储在蓄热柜05中，经保温一段时间，至少8分钟，即可杀死海水中的微生物，实现对压载水的处理。

由于海水升温后会导致大量盐份析出，连同微生物、藻类等，蓄热柜会出现严重的积垢现象。为了便于积垢的排出，可在蓄热柜05的底部设置一斜面08，在斜面08的低端处设置排污出口053，连接排污系统。在本实施例中，排污系统包括与蓄热柜05顺次相连的排污泵06和污物存储装置07，通过排污泵06将积垢及时抽出，收集在污物存储装置07中，靠港时统一清理。

为了便于及时处理积垢，可在蓄热柜05的下部安装观察镜(图中未标记)。

经蓄热柜05处理过且符合排放标准的压载水可以被返回至压载舱04。

优选地，蓄热柜的体积为15立方米～50立方米。

烟气换热器02可以为板式换热器、或壳管式换热器、或脉动热管换热器。

请参阅图2，利用上述的船舶尾气污染物和压载水综合处理系统进行综合处理的方法，包括以下步骤：

s1：按图1所示构建船舶尾气污染物和压载水综合处理系统。

s2：将中央冷却器03的低温介质入口033与待处理的压载舱的出水管相连。

s3：打开中央冷却系统，打开烟气换热器02。

s4：打开烟气换热器02的高温介质进口阀，使高温尾气通过高温介质入口021进入烟气换热器02，降温至80℃～100℃后从高温介质出口022排出进入脱硫塔01进行脱硫处理。

s5：打开待处理的压载舱的出水阀，压载舱中的压载水从低温介质入口033进入中央冷却器03，从低温介质出口034排出，再经烟气换热器02的低温介质入口023进入，从低温介质出口024排出，经中央冷却器03和烟气换热器02的连续升温至50℃，之后，进入蓄热柜05，并在蓄热柜05中加热至少8分钟。

s6：经步骤s5后，蓄热柜05中的压载水中的微生物和病菌被完全杀死，可以满足压载水的排放标准后，将蓄热柜中处理结束的压载水返回至相应的压载舱。

s7：依次处理各个压载舱的压载水，直到全船的压载水全部处理完毕。

下面以某65000t的油船为例，分析柴油机能够提供的可用于处理压载水的尾气余热。表1给出了该油船各压载舱的舱容。该轮选配主机机型为manb&w6s50mc，不同工况下柴油机的尾气参数如表2所示。

表1压载舱舱容

表2不同工况下柴油机的尾气参数

当主机以75％负荷正常航行时，柴油机尾气可提供的热量qe为：

qe＝cpe·me·(tei-teo)＝2870.9kw(1)

式中，cpe为尾气比热，取1.004kj/(kg*k)；me为尾气流量，取19kg/s；tei为尾气进口温度，取230.5℃；teo为尾气出口温度，取80℃。

假设压载水进入烟气换热器时的温度为30℃，压载水经烟气换热器加热后的出口温度为50℃，则每小时可处理的压载水量mw为：

式中，cpw为海水比热，取4.3kj/(kg*k)；twi为压载水进口温度，取30℃；two为压载水出口温度，取50℃。

从表1可知：该轮压载水总量为28709.8m³，那么，完成所有压载水处理需要的时间t为：

式中，v为压载水总量，为28709.8m³；ρ为海水密度，取1.025kg/m³。

当船舶航行在高纬度地区或者冬季时，压载水温度比较低，假设压载水温度为5℃，则可以通过调节压载水流量使压载水经过中央处理器的加温后，温度升高至30℃，仍然可以通过回收尾气热量使压载水加热至50℃左右，达到处理压载水的目的。

综上所述，本发明利用中央冷却器和湿法脱硫系统的余热加热压载水，达到压载水排放标准的方法，是切实可行的，利用本发明改造现有船舶，可以在使用高硫燃油的情况下能够充分提高船舶能效、降低淡水消耗量、满足尾气及压载水排放标准、以及不会对海洋生物造成影响，达到了充分的环保和节能效果，极大地节约了船舶改造成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。