CN113087238B - 一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，粗滤器外壳一端设置有进水口，粗滤器外壳另一端设置有减速电机，减速电机的输出轴与集污器相连，集污器一端通过密封接头与排污口活动连接，集污器上安装有若干吸嘴，粗滤器外壳内部还设置有过滤网，粗滤器外壳的下表面设置有粗滤水出口，粗滤水出口通过若干组增压泵及流量计与若干个粗滤水雾化喷嘴相连，等离子体净化器与粗滤水雾化喷嘴相配合，等离子体净化器与电源相连，等离子体净化器的出口端设置有精滤水出口，本发明采用滤网物理净化与等离子体氧化净化相结合的方法，可有效净化压载水中的固体颗粒、有机物等物质，采用特殊设计的滑动弧电极结构，提高净化效率、加快净化速度。

Description

一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统

技术领域

本发明涉及船舶压载水净化技术领域，具体为一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统。

背景技术

目前，国际上防控压舱水所致外来海洋生物入侵的主要工作集中在净化技术和装置研发上。截止2016年4月，已获得IMO最终认可的压舱水净化设备达40种，这些设备已被允许装船使用。但是，由于世界各海区水质状况不同，采用现有技术的压舱水净化效果并不尽如人意。有研究发现，压舱水经多种现有方法处理后都存在有害生物再生现象，这意味着即便船舶安装了通过IMO认可的压舱水净化设备，也存在净化效果达不到公约要求的情况，海洋环境依然面临外来生物入侵的风险。因此，为了最大限度降低外来海洋生物入侵风险，保持当地海洋生态平衡，有必要针对船舶压舱水所含有害物质建立高效、经济、环保的处理方法。

由于人们已经认识到船舶压舱水对海洋环境的巨大危害，许多学者都对压舱水处理技术进行了研发，取得了一系列成果。目前，压舱水的主要处理技术包括置换法（优点：技术简单；缺点：降低船舶稳定性、能耗高、操作时间长、水质无法达到要求）、机械分离法（优点：技术简单；缺点：无法去除细胞较小的细菌和病毒、能耗高、产生二次污染）、紫外辐射法（优点：不产生二次污染；缺点：紫外线在海水中穿透能力差、杀灭效果差）、电解法（优点：杀灭效果好；缺点：加重船体腐蚀及老化、存在液氯泄露隐患、产生致癌物质）、化学法（优点：技术简单；缺点：产生二次污染、成本高、反应速率低）、氧化法（优点：利用高活性自由基杀灭有害物质，无二次污染、反应速率快、可实现从源头解决环境污染问题、达到零污染及零废弃物排放）等。可见，氧化处理法在环境友好、废弃物排放等方面均有其他方法不具备的优势。但是，现有的氧化法存在以下问题：

(1) 在工程应用中压舱水的处理量较大，需要快速、大量的产生高活性自由基。而现有氧化法产生自由基的浓度较低，导致工艺复杂、处理时间长等缺点。

(2) 为增加自由基的产量和浓度，有学者采用多种氧化技术协同作用的方法，但同时带来了能耗高、工艺流程长、设备复杂等问题。

(3) 目前使用较多的O₃/H₂O₂、UV/H₂O₂、Fe/H₂O₂、UV/Fenton、光催化氧化等氧化方法均需要消耗大量的H₂O₂，存在运行成本高、易引发爆炸等问题。

因此，亟需开发高效、低成本的压载水净化技术。和其他现有净水技术相比，非平衡等离子体技术具有杀灭效率高、病原体再生率低、使用成本低等特点，是一种全新的高效、清洁净水技术。它涉及化学、物理、电气、环保、生物等多门学科，可以使反应体系保持低温，在节省了能源及设备投资的同时，还使得电子有足够高的能量激发、电离、离解反应物分子，从而使得细菌、污染物、藻类等得到降解。在生活污水、医疗废水、工业废水、船舶压舱水等不同废水净化领域均有巨大应用潜力。

然而，电离空间、电离介质性质等参数对非平衡等离子体放电的电离效果有很大影响。电离空间过大、介质密度过大等因素均会导致电离效果急剧恶化。因此，采用非平衡等离子体技术处理生活污水、医疗废水、工业废水、船舶压舱水等废水时，由于电离空间（即液体流道的孔径）尺寸过小而导致液体流量过小，易导致净化速率过慢；而且，由于待处理物均为液相，易引起非平衡等离子体放电失效，导致净化失败；况且，现有等离子体净水技术中，污水流经等离子体电极空间，势必与电极接触，这将造成电极的腐蚀、失效。而且，等离子体净化技术虽然对压载水中的有机物具有良好的杀灭作用，但难以处理颗粒、泥沙等固态颗粒。

中国发明专利申请号：201010138133.7，名称：高压脉冲放电等离子体水处理装置及其高频高压电源；以及中国发明专利申请号：201010138086.6，名称：高压脉冲放电等离子体水处理装置及方法；中国发明专利申请号：200910022562.5，名称：一种双通道放电等离子体水处理装置；中国实用新型专利申请号：201120213976.9，名称：一种用于高压放电等离子体水处理的设备；它们的特征都是利用待处理的污水作为大气压放电的电极或介质板，直接在水的表面上产生等离子体，优点是可以提高等离子体与水的有效接触面积，缺点是水的导电率偏低，会消耗较大比例的电能，降低能效。

中国发明专利申请号：200810020181.9，名称：等离子体水处理方法及其装置，其特征是采用电弧放电产生热平衡等离子体处理污水，优点是装置简单，缺点是激发电弧放电产生热平衡等离子体需要大电流，能耗高，发热量大，而活性自由基浓度却不高，处理水的能效远低于非平衡等离子体。

中国实用新型专利申请号：200720013297.0，名称：一种电晕放电等离子体水处理装置，其特征是采用针状电极电晕放电，产生的等离子体体主要集中于针尖附近，优点是可以降低放电电压，缺点是针尖易损耗，并且，电晕放电等离子体活性自由基的密度偏低，扩散性差。

因此，亟待一种改进的技术来解决现有技术中所存在的这一问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，中心锥形高压电极+外侧锥筒形接地电极与喷嘴配合，将空心雾锥整体置于电场空间内，采用阵列式中心高压电极结构，可使放点空间内密布电弧，极大提高电弧与雾化液滴的接触几率，提高净化效率，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，包括粗滤系统及精滤系统；

所述粗滤系统包括粗滤器外壳、集污器及粗滤水雾化喷嘴，所述粗滤器外壳一端设置有进水口，所述粗滤器外壳另一端设置有减速电机，所述减速电机的输出轴与集污器相连，所述集污器一端通过密封接头与排污口活动连接，所述排污口远离集污器一端穿设于进水口侧壁并设置于进水口的外部，所述集污器上安装有若干吸嘴、且所述吸嘴与集污器内部相连通，所述粗滤器外壳内部还设置有过滤网，所述粗滤器外壳的下表面设置有粗滤水出口，所述粗滤水出口通过若干组增压泵及流量计与若干个粗滤水雾化喷嘴相连；

所述精滤系统包括等离子体净化器，所述等离子体净化器与粗滤水雾化喷嘴相配合，所述等离子体净化器与电源相连，所述等离子体净化器的出口端设置有精滤水出口，所述等离子体净化器包括锥形高压电极与接地电极，所述锥形高压电极设置于接地电极内部的空心区域中、且沿着垂直向下方向所述锥形高压电极与接地电极之间的距离逐渐增大，所述锥形高压电极的外表面由周向交替排列的第一电极阵列及第一绝缘层阵列构成，所述接地电极的内表面由周向交替排列的第二电极阵列及第二绝缘层阵列构成，所述第一电极阵列与第二电极阵列相互配合。

优选的，本发明提供的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其中，所述集污器为空心管结构、且所述集污器还与排污口相连通，实现污泥从集污器及排污口排出。

优选的，本发明提供的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其中，所述吸嘴包括连接杆及吸引仓，所述吸引仓及连接杆均为空心结构，所述吸引仓与连接杆垂直相连，所述吸引仓远离连接杆一端开设有开口，所述连接杆远离吸引仓一端与集污器相连，所述吸引仓、连接杆及集污器内部相互连通，以保证在过滤网上的颗粒能够通过吸引仓进入集污器内。

优选的，本发明提供的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其中，所述粗滤器外壳内部通过过滤网分别设置为内腔及粗滤腔，所述粗滤腔底端与粗滤水出口相连通，以实现粗滤水从粗滤水出口排出。

优选的，本发明提供的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其中，所述第一电极阵列由若干个第一高压电极构成，所述第一绝缘层阵列由若干个第一绝缘层构成，每两个相邻的第一绝缘层之间为第一高压电极，每两个相邻第一高压电极之间是第一绝缘层、且所述第一绝缘层的高度高于第一高压电极的高度，以避免相邻高压电极之间短路。

优选的，本发明提供的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其中，所述第二电极阵列由若干个第二高压电极构成，所述第二绝缘层阵列由若干个第二绝缘层构成，每两个相邻的第二绝缘层之间为第二高压电极，每两个相邻第二高压电极之间是第二绝缘层、且所述第二绝缘层的高度高于第二高压电极的高度，以避免相邻高压电极之间短路。

优选的，本发明提供的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其中，所述粗滤水雾化喷嘴为气动雾化直射式喷嘴、其喷雾的形态为空心雾锥。

优选的，本发明提供的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其中，所述粗滤水雾化喷嘴的出水端、锥形高压电极及接地电极位于同一轴芯线上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）采用滤网物理净化与等离子体氧化净化相结合的方法，可有效净化压载水中的固体颗粒、有机物等物质。

（2）采用特殊设计的滑动弧电极结构，并与雾化喷嘴相配合，可保证空心锥状的压载水喷雾全部置于电场中，并且确保滑动电弧与压载水颗粒的充分接触，从而提高净化效率、加快净化速度。

（3）结构简单，便于安装、拆卸、维修及保养，操作方便，可实现自动化控制。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为吸嘴结构示意图；

图3为等离子体净化器结构（雾化-放电过程）示意图；

图4为等离子体净化器三维结构示意图；

图5为锥形高压电极截面结构示意图；

图6为锥形高压电极三维结构示意图；

图7为锥形高压电极仰视结构示意图；

图8为接地电极三维结构示意图。

图中：减速电机1、过滤网2、吸嘴3、进水口4、排污口5、粗滤水出口6、粗滤器外壳7、集污器8、增压泵9、流量计10、粗滤水雾化喷嘴11、等离子体净化器12、电源13、精滤水出口14、锥形高压电极121、接地电极122、连接杆301、吸引仓302、第一高压电极1211、第一绝缘层1212、第二高压电极1221、第二绝缘层1222。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；

需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“两侧”、“一端”、“另一端”“左”“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，包括粗滤系统及精滤系统；粗滤系统包括粗滤器外壳7、集污器8及粗滤水雾化喷嘴11，粗滤器外壳7一端设置有进水口4，粗滤器外壳7另一端设置有减速电机1，减速电机1的输出轴与集污器8相连，集污器8一端通过密封接头与排污口5活动连接，排污口5远离集污器8一端穿设于进水口4侧壁并设置于进水口4的外部，集污器8为空心管结构、且集污器8还与排污口5相连通，集污器8上安装有若干吸嘴3、且吸嘴3与集污器8内部相连通，粗滤器外壳7内部还设置有过滤网2，粗滤器外壳7内部通过过滤网2分别设置为内腔及粗滤腔，粗滤腔底端与粗滤水出口6相连通，粗滤腔与进水口4不连通，以保证压载水能穿过过滤网2，粗滤器外壳7的下表面设置有粗滤水出口6，粗滤水出口6通过若干组增压泵9及流量计10与若干个粗滤水雾化喷嘴11相连；精滤系统包括等离子体净化器12，等离子体净化器12与粗滤水雾化喷嘴11相配合，等离子体净化器12与电源13相连，等离子体净化器12的出口端设置有精滤水出口14，等离子体净化器12包括锥形高压电极121与接地电极122，粗滤水雾化喷嘴11的出水端、锥形高压电极121及接地电极122位于同一轴芯线上，锥形高压电极121设置于接地电极122内部的空心区域中、且沿着垂直向下方向锥形高压电极121与接地电极122之间的距离逐渐增大，锥形高压电极121的外表面由周向交替排列的第一电极阵列及第一绝缘层阵列构成，接地电极122的内表面由周向交替排列的第二电极阵列及第二绝缘层阵列构成，第一电极阵列与第二电极阵列相互配合。

吸嘴3包括连接杆301及吸引仓302，吸引仓302及连接杆301均为空心结构，吸引仓302与连接杆301垂直相连，吸引仓302远离连接杆301一端开设有开口，连接杆301远离吸引仓302一端与集污器8相连，吸引仓302、连接杆301及集污器8内部相互连通。

第一电极阵列由若干个第一高压电极1211构成，第一绝缘层阵列由若干个第一绝缘层1212构成，每两个相邻的第一绝缘层1212之间为第一高压电极1211，每两个相邻第一高压电极1211之间是第一绝缘层1212、且第一绝缘层1212的高度高于第一高压电极1211的高度。

第二电极阵列由若干个第二高压电极1221构成，第二绝缘层阵列由若干个第二绝缘层1222构成，每两个相邻的第二绝缘层1222之间为第二高压电极1221，每两个相邻第二高压电极1221之间是第二绝缘层1222、且第二绝缘层1222的高度高于第二高压电极1221的高度。

粗滤系统的工作方式是：压载水由进水口4进入粗滤系统的粗滤器外壳7，压载水在压力作用下经过过滤网2，过滤网2将压载水中的泥沙等大颗粒固体物质过滤并留在滤网上，实现粗过滤；粗过滤后的粗滤水流经滤网，进入由过滤网2和粗滤器外壳7所围成的粗滤腔，并经过粗滤水出口6流出。随后，减速电机1带动吸嘴3旋转，残留于滤网上的固态杂质被与排污口相连的污泥泵吸入集污器8，并经过排污口5排出。

精滤系统的工作方式是：粗滤水经过粗滤水出口6流出后，在增压泵9的加压作用下，首先流经流量计10以计算流量，然后经过粗滤水雾化喷嘴11以空心锥的形式喷出；此时等离子体净化器12通电，在高压电极及低压电极之间形成滑动弧放电；喷雾空心锥在等离子体净化器12的锥形高压电极121与接地电极122围成的空间内，在滑动电弧的作用下，离散的液滴颗粒中的细菌、病毒、微生物等有机体被迅速灭活，形成精滤水；精滤水汇聚在精滤水总管中，并由精滤水出口14流出。

净化方法：

步骤一：待净化压载水由粗滤器的近水口流入净水管，然后经净化喷口喷射到净化网；

步骤二：净化网将泥沙等固态颗粒过滤、并留在净化网上；

步骤三：除去泥沙的粗滤水进入净化水腔，并从粗滤器出口流出；

步骤四：从粗滤器流出的粗滤水经过加压泵加压，被送至离心喷嘴处，此时等离子体净水单元通电，形成多条滑动电弧，产生等离子体；

步骤五：粗滤水经离心喷嘴喷出，形成一个空心雾锥；

步骤六：空心雾锥全部进入等离子体净水单元的电场空间内，在滑动电弧作用下粗滤水液滴内部的细菌、浮游生物等生命体被等离子体杀灭，形成精滤水；

步骤七：各喷嘴的精滤水汇入精滤水总管，并经过精滤水总管流出净化器，完成整个净化过程。

等离子体净化器12使用原理：等离子体净化器12由锥形高压电极121与接地电极122构成，并且沿着垂直向下方向锥形高压电极121与接地电极122之间的距离逐渐增大。其中锥形高压电极121安置于空心锥喷雾的空心区域中，由周向交替排列的第一电极阵列及第一绝缘层阵列构成，每两个相邻第一绝缘层1211之间为第一高压电极1212，每两个相邻第一高压电极1212之间是第一绝缘层1211，并且第一绝缘层1211的高度高于第一高压电极1212的高度，以避免相邻高压电极之间短路。接地电极122位于外侧，由周向交替排列的第二电极阵列及第二绝缘层阵列构成，每两个相邻第二绝缘层1221之间为第二接地电极1222，每两个相邻第二接地电极1222之间是第二绝缘层1221，并且第二绝缘层1221的高度高于第二接地电极1222的高度。工作时，由于粗滤水雾化喷嘴11喷出的喷雾中带有气动空气，因此两电极之间可形成滑动电弧。由于滑动电弧的数量很多，在电弧作用下，位于电场中液滴颗粒中的细菌、病毒、微生物等有机体被迅速灭活。

本发明采用滤网物理净化与等离子体氧化净化相结合的方法，可有效净化压载水中的固体颗粒、有机物等物质；采用特殊设计的滑动弧电极结构，并与雾化喷嘴相配合，可保证空心锥状的压载水喷雾全部置于电场中，并且确保滑动电弧与压载水颗粒的充分接触，从而提高净化效率、加快净化速度；结构简单，便于安装、拆卸、维修及保养，操作方便，可实现自动化控制。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

最后所要说明的是：以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其特征在于：包括粗滤系统及精滤系统；

所述粗滤系统包括粗滤器外壳（7）、集污器（8）及粗滤水雾化喷嘴（11），所述粗滤器外壳（7）一端设置有进水口（4），所述粗滤器外壳（7）另一端设置有减速电机（1），所述减速电机（1）的输出轴与集污器（8）相连，所述集污器（8）一端通过密封接头与排污口（5）活动连接，所述排污口（5）远离集污器（8）一端穿设于进水口（4）侧壁并设置于进水口（4）的外部，所述集污器（8）上安装有若干吸嘴（3）、且所述吸嘴（3）与集污器（8）内部相连通，所述粗滤器外壳（7）内部还设置有过滤网（2），所述粗滤器外壳（7）的下表面设置有粗滤水出口（6），所述粗滤水出口（6）通过若干组增压泵（9）及流量计（10）与若干个粗滤水雾化喷嘴（11）相连；

所述精滤系统包括等离子体净化器（12），所述等离子体净化器（12）与粗滤水雾化喷嘴（11）相配合，所述等离子体净化器（12）与电源（13）相连，所述等离子体净化器（12）的出口端设置有精滤水出口（14），所述等离子体净化器（12）包括锥形高压电极（121）与接地电极（122），所述锥形高压电极（121）设置于接地电极（122）内部的空心区域中、且沿着垂直向下方向所述锥形高压电极（121）与接地电极（122）之间的距离逐渐增大，所述锥形高压电极（121）的外表面由周向交替排列的第一电极阵列及第一绝缘层阵列构成，所述接地电极（122）的内表面由周向交替排列的第二电极阵列及第二绝缘层阵列构成，所述第一电极阵列与第二电极阵列相互配合。

2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其特征在于：所述集污器（8）为空心管结构、且所述集污器（8）还与排污口（5）相连通。

3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其特征在于：所述吸嘴（3）包括连接杆（301）及吸引仓（302），所述吸引仓（302）及连接杆（301）均为空心结构，所述吸引仓（302）与连接杆（301）垂直相连，所述吸引仓（302）远离连接杆（301）一端开设有开口，所述连接杆（301）远离吸引仓（302）一端与集污器（8）相连，所述吸引仓（302）、连接杆（301）及集污器（8）内部相互连通。

4.根据权利要求1所述的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其特征在于：所述粗滤器外壳（7）内部通过过滤网（2）分别设置为内腔及粗滤腔，所述粗滤腔底端与粗滤水出口（6）相连通。

5.根据权利要求1所述的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其特征在于：所述第一电极阵列由若干个第一高压电极（1211）构成，所述第一绝缘层阵列由若干个第一绝缘层（1212）构成，每两个相邻的第一绝缘层（1212）之间为第一高压电极（1211），每两个相邻第一高压电极（1211）之间是第一绝缘层（1212）、且所述第一绝缘层（1212）的高度高于第一高压电极（1211）的高度。

6.根据权利要求1所述的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其特征在于：所述第二电极阵列由若干个第二高压电极（1221）构成，所述第二绝缘层阵列由若干个第二绝缘层（1222）构成，每两个相邻的第二绝缘层（1222）之间为第二高压电极（1221），每两个相邻第二高压电极（1221）之间是第二绝缘层（1222）、且所述第二绝缘层（1222）的高度高于第二高压电极（1221）的高度。

7.根据权利要求1所述的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其特征在于：所述粗滤水雾化喷嘴（11）为气动雾化直射式喷嘴、其喷雾的形态为空心雾锥。

8.根据权利要求1所述的一种基于等离子体射流技术的船舶压载水净化系统，其特征在于：所述粗滤水雾化喷嘴（11）的出水端、锥形高压电极（121）及接地电极（122）位于同一轴芯线上。

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