CN102101705A

CN102101705A - 一种基于物理手段的压舱水处理设备

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Publication number: CN102101705A
Application number: CN 201010619692
Authority: CN
Inventors: 王宝柱; 向丰华; 刘兴龙
Original assignee: YUJIE NEW MATERIAL CO Ltd DONGGUAN CITY
Current assignee: YUJIE NEW MATERIAL CO Ltd DONGGUAN CITY
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102101705B

Abstract

本发明涉及船舶压舱水处理设备技术领域，特指一种基于物理手段的压舱水处理设备。该设备包括：反冲洗过滤器和紫外超声波联合处理器，压舱水由压载泵泵入反冲洗过滤器的进水口，经过处理后进入联合处理器进行处理，所述的联合处理器包括：具有环形通道的壳体以及位于上述环形通道内环形排列的紫外灯和位于环形通道中心部位的超声波换能器。联合处理器由环形排列的大功率紫外灯和位于中心部位的超声波换能器构成，经过滤、氧气补充的压舱水沿处理器的外壳切线方向进入，在处理器螺旋流动，并与紫外灯和超声波构成的处理场充分接触，达到规定的处理要求。自动检测和控制系统可以依据水质的不同，自动调节紫外灯和超声波的输出能量，达到节能的优化配置。

Description

一种基于物理手段的压舱水处理设备

技术领域：

本发明涉及船舶压舱水处理设备技术领域，特指一种基于物理手段的压舱水处理设备。

背景技术：

船舶的水力学设计要求其必须有一定的负载才能维持稳定性，因此“空”船不能真的在海上空载，如果船没有货物可运，就必须找一些替代物保持船只的负载。这些替代物就是压舱物。早古代船舶中常用岩石、砂子等一些重量大、价格低的物品作为压舱物。到了20世纪初，人们开始在船舶上加载可以盛装水的容器，通过取水和排水，随意调节船舶左右和前后的平衡和吃水，从而达到平衡船舶、安全航行的目的，由于水能就地取舍，方便快捷，便自然而然地代替了其他的固体压舱物，成为压舱水，一直沿用至今。

然而随着世界经济和全球贸易的发展，船运业越来越繁忙，压舱水作为空船的“附属物”，在全球范围内广泛流动，大量进出。据估计，船舶每年将约百亿吨压舱水带到世界各地。由于压舱水排放中会将水中携带的生物、微生物一并排放，压舱水中的大量微型生物对生态环境有着不可逆转的破坏作用，这些物种流入新环境后，就会成为入侵种，一旦具有合适的环境条件，就将不断发展，严重破坏当地生态，并且影响经济和人类健康。

目前，由压舱水导致的侵入事件越来越多，对生态环境的破坏也极为严重。IMO(国际海事组织)希望自2009年始，压舱水处理系统应装置于压舱水容量5000立方米以上的船舶(约占目前新造船订单量的35％)；2012年起适用于所有的新造船；2014年起适用于全部现有船舶。2009年起，所有船舶除非装置压舱水处理系统，否则须于离海岸200海里外，执行压舱水更换操作。

目前对压舱水的处理装置和方案已经提出许多方案，见专利申请号为：200580050210.0的中国发明专利申请公开说明书，其是由日本人植松秀人提出的一种压舱水处理装置。见专利申请号为：200580010233.9的中国发明专利申请公开说明书，其提出压舱水处理方式是利用反洗微生物过滤膜来对压舱水进行清洁。较早的还有美国布朗宁输送管理公司提出的“灭杀船中压舱水微生物的方法和装置”，见中国专利申请号97180146.0的发明专利申请公开说明书。当然，还有其他一些处理压舱水的方法或装置。

综合目前压舱水的处理方式，其一般包括物理方法和化学方法。由于化学方法需要添加化学试剂，所以必须在船舶中携带相应的化学试剂，这样就增加了运输成本。其次，化学处理后产生的反应产物可能会环境造成二次污染。

国际海事组织(IMO)也对不同的处理方法规定了不同的认证条件。如果不添加(产生)活性物质(例如使用超声、紫外、机械等物理方式)，可以执行G8认证路线，这种认证在国内即可完成认证和发证工作，所花费的费用相对较少。如果添加(产生)活性物质(例如使用高级氧化、电解海水、外加氧化剂、杀菌剂等)，就需要执行G9认证路线，这种认证路线在达到一个标准后，还需进行环境毒性评价，需要在国外完成，并由IMO组织认证和发证，其认证周期长、费用高。

所以，综合以上所述，本发明人提出了一种基于物理手段的压舱水处理设备。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题就是结合目前压舱水处理设备的现状，提供一种基于物理手段的压舱水处理设备。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：该设备包括：反冲洗过滤器和紫外超声波联合处理器，压舱水由压载泵泵入反冲洗过滤器的进水口，经过处理后进入联合处理器进行处理，所述的联合处理器包括：具有环形通道的壳体以及位于上述环形通道内环形排列的紫外灯和位于环形通道中心部位的超声波换能器。

上述技术方案中，所述的联合处理器的壳体包括：内、外两层环形壳体结构，环形通道形成于内、外两层环形壳体之间，其中紫外灯安装于环形通道内，超声波换能器安装于内层壳体所形成的中心区域；联合处理器的进水口和出水口分别位于壳体的上部和底部；在环形通道内还安装有一清洁装置。

进一步而言，上述技术方案中，所述的清洁装置包括：与环形通道横截面形状对应、并位于环形通道内的载板以及推动载板沿环形通道上下移动的驱动件，载板上开设有供紫外灯穿过的通孔，载板与内、外两环形壳体接触的边缘设置以及通孔的内缘均设置有毛刷。

进一步而言，上述技术方案中，所述的载板上沿径向开设有喷淋孔，外部清洗液提供装置与该喷淋孔连通；或者，外部清洗液提供装置通过中空的驱动件与该喷淋孔连通。

上述技术方案中，所述的环形通道的表面喷涂有一层金属氧化物陶瓷材料；所述的紫外灯的灯体安装在一尾部封闭的石英玻璃管中，灯体通过密封结构由石英玻璃管开口端伸出，并与外部的驱动器连接；紫外灯沿轴向方向分布于环形通道内。

上述技术方案中，所述的环形通道的表面喷涂有一层金属氧化物陶瓷材料；超声波换能器呈多层环形分布安装于内层壳体所形成的中心区域。

上述技术方案中，所述的联合处理器的入水口处设有水质浊度分析仪，处理设备的控制系统将依据水质浊度控制联合处理器中紫外灯和超声波换能器的输出功率；所述的联合处理器的出水口处设有生物检测仪，处理设备的控制体统通过生物检测仪的数据控制、调节紫外灯和超声波换能器的输出功率。

上述技术方案中，所述的的反冲洗过滤器进水端设置有微气泡发生器；其顶部设有汽水分离排气装置。

上述技术方案中，该设备还包括一氧气补充收集机构内设置两条通道，其中第一通道为氧气补收集通道，沿通道设置有：含氧量检测器、制氧机、氧气混合器、脱气装置、气体回用收集过滤装置；第二通道为压舱水直流流经通道，即压舱水经过含氧量检测器后通过第二通道直接流入联合处理器的进水口。

上述技术方案中，该设备采用利于运输和船船舶安装的模块化结构。

本发明所采用上述技术方案后，其具有如下优点：

1、本发明为纯粹的物理方法，不添加任何活性物质，反应过程也没有可排放的活性物质产生。

2、本发明中采用了具有环形空间结构的紫外超声波联合处理器，具有更加有效的流场设计，可使用大功率微波(高频)无极长寿命紫外灯，免除了需要定期更换灯管，对水的浊度适应范围大大提升。

3、本发明中紫外超声波联合处理器的内表面反射层涂装技术，提高紫外利用率；使用内置式超声波发生装置，基本消除了噪音的影响；超声波换能器的安装方式，利于设备的性能提升。

4、本发明中紫外超声波联合处理器还具有更自动清洗装置，保证设备稳定运行。

5、本发明中采用了氧气回收装置，降低运行成本。

6、本发明中反冲洗过滤器进水端设置有微气泡发生器，通过微气泡辅助过滤，可提高过滤效率，降低过滤阻力。

附图说明：

图1是本发明结构原理示意图；

图2是本发明中联合处理器的俯视结构示意图；

图3是本发明中联合处理器的清洁装置的俯视结构示意图；

图4是本发明一种大流量联合处理器的俯视结构示意图；

图5是本发明一种大流量联合处理器的俯视结构示意图。

具体实施方式：

见图1，本发明主要包括：反冲洗过滤器1、氧气补充收集机构8和紫外超声波联合处理器3。为了便于说明，本发明将按照压舱水的流经路径对本发明进行详细说明。

压舱水将通过压载泵1泵入反冲洗过滤器1的进水口，通过发冲洗过滤器1进行初步的过滤。反冲洗过滤器是一种利用滤网直接拦截水中的杂质，去除水体悬浮物、颗粒物，降低浊度，反冲洗过滤器1是一种具备大流量、低阻力、依靠压差控制自动执行反冲洗的过滤装置，过滤精度为10～100um。在反冲洗过滤器1的进水端可混入由微气泡发生器产生的空气微气泡，气泡的直径在1～100um，气泡混入比例为进水量的1％～10％。气泡可以同水中含用的固相颗粒物结合，形成形貌更大的颗粒物，使过滤变得容易进行，进而降低运行阻力。另外，在反冲洗过滤器1，顶部设有汽水分离排气装置，排除的气体直接由管道排除到船舱外。

压舱水经过反冲洗过滤器1后，将经过一个流量计9，通过流量计9计算压舱水的流入量。

经过流量计9的压舱水进入氧气补充收集机构8。该氧气补充收集机构8具有两条通道。其中第一通道801为氧气补收集通道，沿通道设置有：含氧量检测器81、制氧机82、氧气混合器83、脱气装置84、气体回用收集过滤装置85。第二通道802为压舱水直流流经通道，即压舱水经过含氧量检测器81后通过第二通道直接流入联合处理器3的进水口32。氧气补充收集机构8可以用以补充压舱水中的溶解氧不足，提高紫外-超声处理系统的效率。这是因为，压舱水在舱内环境中，溶解氧被生物所消耗，致排除时，可能的含氧量非常低，如不补充氧气，将对后续的紫外-超声波联合处理带来不利的影响。

压舱水将首先流过含氧量检测器81，如果检测的含氧量正常，则第一通道内的制氧机82不工作，压舱水经过第一通道801、第二通道802后流向联合处理器3的进水口32。如果检测到含氧量低于正常数值，则流入第一通道内的水经被注入氧气。其工作方式是：外部空气通过气体回用收集过滤装置85将空气泵入，经过该气体回用收集过滤装置85内的气体过滤器后，进入制氧机82内制氧。然后将制得的氧气输入氧气混合器83内，与流入到此的压舱水混合，混合完氧气的水流入脱气装置84，如果有多余的气体将被分离再次返回气体回用收集过滤装置85，而水就通过一个混合器与第二通道802汇合后流向联合处理器3的进水口32，如此循环。

氧气补充收集机构8中的含氧量检测器81安装于含氧量检测器81的入口处，当检测水中的氧气含量低于4mg/L时，控制系统将启动氧气补充收集机构8，以增加溶解氧含量。当来水含氧量大于4mg/L时，氧气补充收集机构8关闭，即不再制氧，水直接通过。

上述的制氧机82采用分子筛压差制氧方式，以空气为原料，制成含氧量大于95％的氧气。制氧能力依据系统的水处理计算，每升水5～20mg。如果不受使用环境和安全要求的限制，制氧机可进一步连接臭氧发生器制成臭氧，可以大幅度提高氧溶解效率。同样更有利于紫外-超声波反应器的工作。

氧气混合器83可以使用文丘力射流、混合泵等方式补充氧气。优化的方式，使用混合泵(例如尼克尼泵)，抽取总水量的1％～10％进入第二通道802与产生的氧气混合，形成微气泡，再重新流出。

脱气装置84将未溶解的以气泡形式存在的氧气脱出，装置使用成熟的网状脱气装置，顶部设有气水分离器。由气水分离器分离的气体，由于多数为未溶解氧气，将被重新导入气体回用收集过滤装置85中，除去所含的水气，与补充的空气一同进入制氧机82，重新制氧。回收氧气的益处在于，可以减轻制氧机82的分子筛的负荷，延长使用寿命，降低功耗。

压舱水经过上述的氧气补充收集机构8后，将进入联合处理器3进水口32，在进水口32前设有水质浊度分析仪301，控制系统将依据水质浊度控制紫外灯4和超声波换能器5的输出功率。

结合图2、3，联合处理器3包括：具有环形通道30的壳体31以及位于上述环形通道30内环形排列的紫外灯4和位于环形通道30中心部位的超声波换能器5。所述的联合处理器3的壳体31包括：内、外两层环形壳体结构，环形通道30形成于内、外两层环形壳体之间，其中紫外灯4安装于环形通道30内，超声波换能器5安装于内层壳体所形成的中心区域；联合处理器3的进水口32和出水口33分别位于壳体31的上部和底部；进水口32和出水口33分别位于处理器壳体31的切线方向。在进水口32处，加装导向板，收缩入口面积提高水流速度，并使水流向外层内壁的切线方向流动，以驱动水流在环形通道30内做螺旋流动，使水体与紫外灯4、超声波充分接触。

壳体31形成的环形通道30表面，采用热等离子喷涂技术，涂装一层对紫外线有良好反射作用的、化学性质稳定的金属氧化物陶瓷材料。首选的材料是三氧化二铝粉体，涂装厚度10～300um，喷涂后的表面采用稳定的耐受紫外线的树脂材料如聚四氟乙烯涂料进行封孔。最后进行机械抛光，使其表面粗超度小于5um，更好的效果，粗超度应小于2um。

所述的紫外灯4的灯体可以单只或数只并联的方式，安装于可以透过185nm波长的、耐海水腐蚀的、尾端封闭的石英玻璃管40中，灯体通过密封结构由石英玻璃管40开口端伸出，并与外部的驱动器41连接；紫外灯4沿轴向方向分布于环形通道30内。具体排列方式为：在圆周方向均布，其位置与超声波发生器按不直接向换能器反射的方式布置；在径向，依据可使流体充分搅拌接触的方式交错排列，使流体最大程度的接受辐射，不形成死区。

壳体31进水口32处安装有牺牲阳极腐蚀保护装置311，通过保护装置311保护壳体31和安装在壳体31上的附件在海水、强紫外光、超声波作用下不受腐蚀。紫外灯4灯体选用大功率长寿命紫外灯，辐射功率为400W～2000W/m，寿命不低于20000小时，优选的，是使用高频或微波驱动的无极紫外灯。辐射紫外线的波长在180～365nm之间，至少包括185nm和254nm的波长辐射。在紫外灯4内部还设有温度传感器，并设有进入到内部的空气管道。当紫外灯4的温度超出最大工作温度时，通过向内部通入经过净化的空气进行冷却，使紫外灯4工作于适合的最大功率输出状态。

在壳体31与每一紫外灯4的对应位置，安装有紫外强度传感器，检测紫外线强度，检测信号输入自动控制系统，用于故障报警和备用系统启动，或依据强度计算紫外线辐射剂量，调节紫外灯的输出功率或启动机械清洗装置，保证在优化的节能状态下，使微生物接受的辐射剂量不小于30mW/s。

安装的紫外灯4中至少保证一只或灯组总量的20％作为备用，以保证故障状态的代替使用或偶发的特殊水质的处理投用。控制程序将在每次运行时依据统计数据自动指定备用灯管，以获得均衡的平均使用寿命。

在壳体31内部还安装有清洗装置6。在运行过程中，依据程序控制，对该联合处理器3进行清洗，以保证其内部的光学环境。

所述的清洁装置6包括：与环形通道30横截面形状对应、并位于环形通道30内的载板61以及推动载板61沿环形通道30上下移动的驱动件62，载板61上开设有供紫外灯4穿过的通孔63，载板61与内、外两环形壳体接触的边缘设置以及通孔63的内缘均设置有毛刷64。毛刷一般采用不锈钢丝制作。

所述的载板61上沿径向开设有喷淋孔，外部清洗液提供装置与该喷淋孔连通；或者，外部清洗液提供装置通过中空的驱动件62与该喷淋孔连通。

上述的驱动件63可带动载板61进行匀速的上下移动，对石英套管和环形通道30内壁进行清理。驱动件63可以选用可以匀速运行的液压推杆或气动马达驱动螺杆推杆，并安装有力矩检测和保护报警装置。推杆将被安装于内部环形管的内中部，以降低设备总体高度。

上述清洁装置6使用的清洗液采用不对环境造成损害的酸性成分，以清洁可能沉积的碱性钙、镁离子化合物，包括羧基乙酸、柠檬酸的水溶液。清洗液可以过滤并反复循环使用。淡水或蒸汽将作为最后的清洗程序，使环形空间内保持清洁。

超声波换能器5及其驱动器51呈多层环形分布安装于内层壳体所形成的中心区域。

超声波换能器5安装位置的设计将有效的避免反射波造成的换能器损害，降低噪声对环境的影响，利于功率驱动模块的散热，有效发挥超声波与紫外线的协同作用。

本发明中，可将壳体内部圆形壳体分段制作，每段的长度100～300mm。在每一段内的谐振频率点将有所不同，差异应在2～20KHz，以避免可能导致的石英管谐振损坏或驻波点的互相削弱。一个优化的设计，在进水口32端，安装低频率的超声波换能器，快速的破碎微生物团聚，在中下段，安装频率高的换能器，以加强与紫外线的协同作用，杀灭水中的生物。壳体31上开有安装换能器端板的孔。超声波换能器5使用频率在20KHz～45KHz，单功率在200～2000W的预应力夹紧的陶瓷压电晶体或磁致伸缩换能器。换能器的总功率选择，将依据环形空间内的总液量计算，每升体积溶液平均提供10～100W的功率。环形安装、夹心型安装(如图4所示的夹板式双向排列)、导向型安装(如图5所示的旋转水流同向排列)，在小流量处理装置(200～500m3/h)，优选环形安装方案为环形安装(图3所示)，在大于500m3/h的处理装置中，优选后两种安装方案。

超声波换能器5的发射方向与紫外灯4的位置将被严格设计，避免直接反射波对换能器的损害，避免石英管产生谐振损坏、尽可能避免驻波点的声波重合削弱。

在大流量的联合设计中，超声波换能器的安装更适合采用图4或图5的方式。

另外，超声波换能器功率驱动模块的散热器部分直接安装于壳体内壁上，通过壳体向外部散热。安装的益处在于功率驱动模块到换能器之间使用最短的连接线路，避免高频传输损耗；利用壳体散热可以获得可靠的散热条件。驱动模块的检测、数字驱动、控制信号通过电缆与外部连接。还可以在壳体31上下端盖处安装隔音结构，最大程度减少运行噪音。

压舱水经过联合处理器3的出水口33流出，在出水口33处设有生物检测仪302，处理设备的控制体统通过生物检测仪302的数据控制、调节紫外灯3和超声波换能器5的输出功率。压舱水经过出水口33流出经检测合格可以直接排出。如果经检测不合格，则通过回流泵100再次返回到起始点，再次处理。

该设备采用利于运输和船舶安装的模块化结构。

本发明为纯粹的物理方法，不添加任何活性物质，反应过程也没有可排放的活性物质产生，排放符合D-2标准。

Claims

1.一种基于物理手段的压舱水处理设备，该设备包括：反冲洗过滤器(1)和紫外超声波联合处理器(3)，压舱水由压载泵(10)泵入反冲洗过滤器(1)的进水口，经过处理后进入联合处理器(3)进行处理，其特征在于：所述的联合处理器(3)包括：具有环形通道(30)的壳体(31)以及位于上述环形通道(30)内环形排列的紫外灯(4)和位于环形通道(30)中心部位的超声波换能器(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于物理手段的压舱水处理设备，其特征在于：所述的联合处理器(3)的壳体(31)包括：内、外两层环形壳体结构，环形通道(30)形成于内、外两层环形壳体之间，其中紫外灯(4)安装于环形通道(30)内，超声波换能器(5)安装于内层壳体所形成的中心区域；联合处理器(3)的进水口(32)和出水口(33)分别位于壳体(31)的上部和底部；在环形通道(30)内还安装有一清洁装置(6)。

3.根据权利要求2所述的一种基于物理手段的压舱水处理设备，其特征在于：所述的清洁装置(6)包括：与环形通道(30)横截面形状对应、并位于环形通道(30)内的载板(61)以及推动载板(61)沿环形通道(30)上下移动的驱动件(62)，载板(61)上开设有供紫外灯(4)穿过的通孔(63)，载板(61)与内、外两环形壳体接触的边缘设置以及通孔(63)的内缘均设置有毛刷(64)。

4.根据权利要求3所述的一种基于物理手段的压舱水处理设备，其特征在于：所述的载板(61)上沿径向开设有喷淋孔，外部清洗液提供装置与该喷淋孔连通；或者，外部清洗液提供装置通过中空的驱动件(62)与该喷淋孔连通。

5.根据权利要求2-4中任意一项所述的一种基于物理手段的压舱水处理设备，其特征在于：所述的环形通道(30)的表面喷涂有一层金属氧化物陶瓷材料；所述的紫外灯(4)的灯体安装在一尾部封闭的石英玻璃管(40)中，灯体通过密封结构由石英玻璃管(40)开口端伸出，并与外部的驱动器(41)连接；紫外灯(4)沿轴向方向分布于环形通道(30)内。

6.根据权利要求2-4中任意一项所述的一种基于物理手段的压舱水处理设备，其特征在于：超声波换能器(5)呈多层环形分布安装于内层壳体所形成的中心区域。

7.根据权利要求2-4中任意一项所述的一种基于物理手段的压舱水处理设备，其特征在于：所述的联合处理器(3)的入水口(32)处设有水质浊度分析仪(301)，处理设备的控制系统将依据水质浊度控制联合处理器(3)中紫外灯(4)和超声波换能器(5)的输出功率；所述的联合处理器(3)的出水口(33)处设有生物检测仪(302)，处理设备的控制体统通过生物检测仪(302)的数据控制、调节紫外灯(3)和超声波换能器(5)的输出功率。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于物理手段的压舱水处理设备，其特征在于：所述的反冲洗过滤器(1)进水端设置有微气泡发生器；其顶部设有汽水分离排气装置。

9.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于物理手段的压舱水处理设备，其特征在于：该设备还包括一氧气补充收集机构(8)内设置两条通道，其中第一通道(801)为氧气补收集通道，沿通道设置有：含氧量检测器(81)、制氧机(82)、氧气混合器(83)、脱气装置(84)、气体回用收集过滤装置(85)；第二通道(802)为压舱水直流流经通道，即压舱水经过含氧量检测器(81)后通过第二通道直接流入联合处理器(3)的进水口(32)。

10.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于物理手段的压舱水处理设备，其特征在于：该设备采用利于运输和船舶安装的模块化结构。