本發(fā)明涉及船舶尾氣處理/壓載水處理及環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種船舶尾氣污染物和壓載水綜合處理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前世界海運(yùn)貿(mào)易量的97％是由排水量超過(guò)10億噸的9.4萬(wàn)艘船舶承擔(dān)，由其造成的污染占全球污染量的3.5％～7.6％。船舶所造成的大氣污染問(wèn)題在一些港口城市更加嚴(yán)重，其中如何降低船舶硫氧化物的排放已引起國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注。目前imomarpol73/78公約附則vi對(duì)于sox的減排要求為：船舶燃料油的含硫量由現(xiàn)在的3.5％，至2020年1月1日起降至0.5％；在硫排放控制區(qū)，自2015年1月1日起，不得高于0.1％。為了滿足公約要求，mepc委員會(huì)認(rèn)可3種措施包括：使用低硫燃油，使用替代燃料，使用經(jīng)批準(zhǔn)的廢氣后處理脫硫技術(shù)。

由于低硫燃油的價(jià)格一般是高硫油的近兩倍，采用這種措施會(huì)很大程度上增加船舶的營(yíng)運(yùn)成本。而使用替代燃料，如lng，它幾乎沒(méi)有sox和pm排放，而且可減少85％～90％的no以及15％～20％的co的排放，完全符合公約的各種要求。但是，目前除北歐外，全球并未建立起lng補(bǔ)給鏈，而以lng為燃料的船舶目前最高續(xù)航能力只有22天，而且lng燃料罐的建造成本更高，對(duì)現(xiàn)有柴油機(jī)船舶進(jìn)行改造有一定困難，也需要對(duì)船員進(jìn)行重新培訓(xùn)。lng作為替代燃料目前還只適用于內(nèi)河航線或短航程船舶，大規(guī)模應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶的前景并不十分明朗。近年來(lái)，后處理技術(shù)中的濕法脫硫技術(shù)漸漸成為主流。濕法脫硫包括開(kāi)式、閉式以及混合式三種。但濕法脫硫不論采用何種方式，由于高溫尾氣與洗滌水接觸脫硫后都會(huì)使洗滌水溫度升高，閉式系統(tǒng)一般采用獨(dú)立的海水換熱器對(duì)洗滌堿液進(jìn)行降溫，而開(kāi)式系統(tǒng)通過(guò)與大量新鮮海水混合后再排放入海。船舶低速柴油機(jī)的排煙溫度一般在230～260℃，經(jīng)過(guò)脫硫塔后一般溫度下降至120℃左右，根據(jù)實(shí)船試驗(yàn)，采用鎂基-海水法開(kāi)式脫硫系統(tǒng)，洗滌海水的溫度將由10.1℃升高至40.2℃。將這么高溫度的海水直接排放入海不僅對(duì)海洋生物造成一定影響，而且這在一定程度上也浪費(fèi)了大量能源。

另一個(gè)值得關(guān)注的是壓載水帶來(lái)的生物入侵問(wèn)題。為了船舶的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性，船舶經(jīng)常會(huì)使用壓載水。壓載水中包含大量水生微生物、藻類和動(dòng)物，它們會(huì)跟隨船舶航行被排放到原本不屬于它們的生態(tài)系統(tǒng)中，給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成巨大威脅。為此，imo專門(mén)制定了《國(guó)際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》(bwm公約)，隨著芬蘭批準(zhǔn)加入該公約使得締約國(guó)總數(shù)達(dá)到52個(gè)，總商船噸位達(dá)到35.1441％，滿足公約生效要求，該公約將于2017年9月8日開(kāi)始生效。為滿公約要求，目前基本上是通過(guò)在船舶上安裝獲得型式認(rèn)可的壓載水處理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這些壓載水處理系統(tǒng)不論采用超聲波法、紫外線照射法、臭氧法還是羥基自由基法等都會(huì)消耗大量高品位的電能，或者需要加入化學(xué)試劑，這些方式既不節(jié)能也不環(huán)保。據(jù)英國(guó)學(xué)者周培林研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把海水加熱到65℃時(shí)，幾秒鐘就可以破壞或殺死海水里的微生物和病菌。就目前已知的需引起人們高度注意的物種來(lái)說(shuō)，在40℃的溫度下加熱大約8分鐘就已足夠達(dá)到消除污染的目的。一般將壓載水加熱到35～45℃并在此溫度下保持一段時(shí)間即能滿足壓載水的排放要求。加熱法可采用缸套水或廢氣余熱對(duì)壓載水中的微生物進(jìn)行有效的殺滅處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種船舶尾氣污染物和壓載水綜合處理系統(tǒng)，通過(guò)利用船舶余熱處理壓載水，在滿足船舶減排和避免生物入侵的同時(shí)，達(dá)到了充分的環(huán)保和節(jié)能效果，極大地節(jié)約了船舶改造成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種船舶尾氣污染物和壓載水綜合處理系統(tǒng)，包括濕法脫硫系統(tǒng)、煙氣換熱器、壓載艙、中央冷卻器和蓄熱柜，所述煙氣換熱器的高溫介質(zhì)入口與待處理尾氣相連，所述煙氣換熱器的高溫介質(zhì)出口與所述濕法脫硫系統(tǒng)的脫硫塔的待處理尾氣入口相連，所述中央冷卻器的低溫介質(zhì)入口與所述壓載艙中的待處理海水相連，所述中央冷卻器的低溫介質(zhì)出口與所述煙氣換熱器的低溫介質(zhì)入口相連，所述煙氣換熱器的低溫介質(zhì)出口與所述蓄熱柜的介質(zhì)入口相連，所述蓄熱柜的介質(zhì)出口與所述壓載艙相連。

優(yōu)選地，所述煙氣換熱器為板式換熱器、或殼管式換熱器、或脈動(dòng)熱管換熱器。

優(yōu)選地，所述蓄熱柜內(nèi)的底部為斜面，并且在所述蓄熱柜的下部安裝觀察鏡。

優(yōu)選地，所述蓄熱柜還連接排污系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述排污系統(tǒng)包括與所述蓄熱柜順次相連的排污泵和污物存儲(chǔ)裝置。

優(yōu)選地，所述蓄熱柜的體積為15立方米～50立方米。

優(yōu)選地，所述濕法脫硫系統(tǒng)為開(kāi)式脫硫系統(tǒng)，或閉式脫硫系統(tǒng)，或混合式脫硫系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述煙氣換熱器的高溫介質(zhì)出口處煙氣的溫度降低至80℃～100℃。

優(yōu)選地，所述蓄熱柜由保溫材料制成或在蓄熱柜外包覆保溫材料。

一種船舶尾氣污染物和壓載水綜合處理方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1：構(gòu)建權(quán)利要求1所述的船舶尾氣污染物和壓載水綜合處理系統(tǒng)；

s2：將中央冷卻器的低溫介質(zhì)入口與待處理的壓載艙的出水管相連；

s3：打開(kāi)中央冷卻系統(tǒng)，打開(kāi)煙氣換熱器；

s4：打開(kāi)煙氣換熱器的高溫介質(zhì)進(jìn)口閥，使高溫尾氣通過(guò)煙氣換熱器降溫至80℃～100℃后進(jìn)入脫硫塔進(jìn)行脫硫處理；

s5：打開(kāi)待處理的壓載艙的出水閥，使壓載艙中的壓載水經(jīng)過(guò)中央冷卻器和煙氣換熱器連續(xù)升溫至50℃，之后，進(jìn)入蓄熱柜，并在蓄熱柜儲(chǔ)存至少8分鐘；

s6：將蓄熱柜中處理結(jié)束的壓載水返回至相應(yīng)的壓載艙；

s7：依次處理各個(gè)壓載艙的壓載水，直到全船的壓載水全部處理完畢。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過(guò)利用柴油機(jī)燃燒時(shí)排出的高溫尾氣及中央冷卻器的余熱加熱壓載水至50℃，并保持一定時(shí)間，可以殺死壓載水中的微生物，使壓載水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明在使用高硫燃油的情況下能夠充分提高船舶能效、降低淡水消耗量、滿足尾氣及壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)、以及不會(huì)對(duì)海洋生物造成影響。因此，本發(fā)明具有顯著特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中的船舶尾氣污染物和壓載水綜合處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中的船舶尾氣污染物和壓載水綜合處理方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

需要說(shuō)明的是，在下述的具體實(shí)施方式中，在詳述本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說(shuō)明，特對(duì)附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進(jìn)行了局部放大、變形及簡(jiǎn)化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對(duì)本發(fā)明的限定來(lái)加以理解。

為了滿足imomarpol73/78公約附則vi和《國(guó)際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》的要求，本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有的使用高硫燃油的船舶進(jìn)行改造，在滿足船舶減排和避免生物入侵的同時(shí)，能夠達(dá)到充分的環(huán)保和節(jié)能效果，極大地節(jié)約了船舶改造成本。

本發(fā)明采用現(xiàn)有的濕法脫硫系統(tǒng)對(duì)高硫燃油燃燒的尾氣進(jìn)行脫硫處理，濕法脫硫系統(tǒng)可以為開(kāi)式脫硫系統(tǒng)、或閉式脫硫系統(tǒng)、或混合式脫硫系統(tǒng)。不論采用何種方式，燃油燃燒釋放的高溫尾氣與洗滌水接觸脫硫后都會(huì)使洗滌海水溫度升高，洗滌海水的溫度可以由10.1℃升高至40.2℃。將這么高溫度的海水直接排放入海不僅對(duì)海洋生物造成一定影響，而且這在一定程度上也浪費(fèi)了大量能源。

船舶的構(gòu)造中還有一重要的核心設(shè)備——船舶冷卻系統(tǒng)，其作用原理為把冷卻介質(zhì)送到柴油機(jī)和其他輔助設(shè)備的受高溫和摩擦作用的部件，將其多余的熱量帶走，對(duì)其進(jìn)行冷卻，使其保持正常穩(wěn)定的工作性能。其中，中央冷卻系統(tǒng)因其具有避免管路與輔助設(shè)備被腐蝕和結(jié)垢的優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。

中央冷卻系統(tǒng)，由海水冷卻系統(tǒng)、低溫淡水冷卻系統(tǒng)和高溫淡水冷卻系統(tǒng)組成。其中，海水冷卻系統(tǒng)的主要設(shè)備有海水泵、過(guò)濾設(shè)備和中央冷卻器，舷外海水在海水泵的作用下被輸送至中央冷卻器的海水側(cè)入口，在中央冷卻器內(nèi)與低溫淡水進(jìn)行熱量交換后，從中央冷卻器的海水側(cè)排出。低溫淡水冷卻系統(tǒng)主要冷卻低溫部件(包括輔柴油機(jī)、空調(diào)、冷藏裝置、空壓機(jī)、大氣冷凝器等)，低溫淡水在經(jīng)過(guò)淡水管路系統(tǒng)支路上各換熱設(shè)備對(duì)滑油、空氣、缸套冷卻水等冷卻后，在干路上匯合，由低溫淡水泵將冷卻水輸送至中央冷卻器的淡水側(cè)入口，在中央冷卻器中與海水進(jìn)行熱交換降低冷卻水溫度。高溫淡水冷卻系統(tǒng)的主要功能是冷卻主機(jī)燃燒室部件，防止燃燒室部件過(guò)熱或過(guò)冷，以保證主機(jī)機(jī)械處于正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)。高溫淡水與低溫淡水的冷卻都是閉式冷卻,海水冷卻系統(tǒng)用于冷卻中央冷卻器，為開(kāi)式冷卻。在中央冷卻系統(tǒng)中，舷外海水只在中央冷卻器中進(jìn)行熱交換而不接觸其它熱交換器、發(fā)電機(jī)以及主柴油機(jī)的冷卻部件，盡量縮短并簡(jiǎn)化船舶海水冷卻管系，有效地防止了由海水腐蝕引起的冷卻器以及管路漏泄故障的發(fā)生，提高了設(shè)備的使用壽命和系統(tǒng)的安全可靠性。所以，現(xiàn)代大型船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置的冷卻普遍采用中央冷卻系統(tǒng)。

在上述的中央冷卻系統(tǒng)中，低溫淡水通過(guò)中央冷卻器與舷外海水進(jìn)行熱量交換，低溫淡水的溫度被降低，海水的溫度則升高，之后，海水被再返回至大海。該過(guò)程中，也存在生物入侵的問(wèn)題，并且也浪費(fèi)了部分能量。

本發(fā)明采用40℃～50℃的溫度加熱壓載水大約8分鐘的原理，殺死海水中的微生物和病菌，滿足《國(guó)際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》的要求。

本發(fā)明通過(guò)利用濕法脫硫系統(tǒng)和中央冷卻系統(tǒng)的余熱，加熱壓載艙中的壓載水至50℃，并持續(xù)一段時(shí)間，至少8分鐘，殺死壓載水中的微生物，使壓載水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

請(qǐng)參閱圖1。如圖1所示，本發(fā)明的一種船舶尾氣污染物和壓載水綜合處理系統(tǒng)，包括濕法脫硫系統(tǒng)01、煙氣換熱器02、中央冷卻器03、壓載艙04和蓄熱柜05。煙氣換熱器02的高溫介質(zhì)入口021與待脫硫處理的柴油燃燒釋放的高溫尾氣相連，高溫介質(zhì)出口022與濕法脫硫系統(tǒng)的脫硫塔01的待處理尾氣入口011相連，中央冷卻器03的低溫介質(zhì)入口033與壓載艙04的待處理海水相連，低溫介質(zhì)出口034與煙氣換熱器02的低溫介質(zhì)入口023相連，煙氣換熱器02的低溫介質(zhì)出口024與蓄熱柜05的介質(zhì)入口051相連，蓄熱柜05的介質(zhì)出口052與壓載艙04相連。

利用中央冷卻器03對(duì)壓載水進(jìn)行升溫預(yù)處理。通常，低溫淡水冷卻系統(tǒng)進(jìn)入中央冷卻器03的低溫淡水的溫度在40～45℃左右，經(jīng)中央冷卻器03冷卻后在30～40℃排出。如果船舶航行在高緯度海域或冬季，甚至零下的極寒水域情況下，由于舷外氣溫較低，壓載艙內(nèi)的壓載水溫度一般在5℃左右，甚至更低，此時(shí)可關(guān)閉海底門(mén)，將中央冷卻系統(tǒng)采用的舷外海水改用壓載水與低溫淡水進(jìn)行熱交換，通過(guò)調(diào)節(jié)壓載水的流速及流量，低溫的壓載水經(jīng)中央冷卻器03后可穩(wěn)定升溫至30℃左右，然后再進(jìn)入煙氣換熱器02與高溫?zé)煔膺M(jìn)行熱量交換，使壓載水溫度升高到50℃左右，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓載水的加熱。

柴油機(jī)燃燒排放的高溫?zé)煔?，在進(jìn)入煙氣換熱器之前的溫度高達(dá)230-260℃，如果直接進(jìn)入脫硫塔，則會(huì)讓脫硫塔中的冷卻海水升溫至40℃以上，然后冷卻海水被排入大海，如此高溫度的海水會(huì)對(duì)海洋生物的生存環(huán)境造成影響，并且也浪費(fèi)了大量能量。通過(guò)增加煙氣換熱器，高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣換熱器后進(jìn)入脫硫塔前的溫度降低為80～100℃，將高溫?zé)煔獾臒崃炕厥?，用?lái)加熱壓載水，使壓載水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，既避免高溫冷卻海水污染海洋，又充分節(jié)能。

由于柴油機(jī)的負(fù)荷不同，產(chǎn)生的尾氣量也會(huì)有很大變化，這將導(dǎo)致煙氣換熱器出口024的壓載水溫度有所降低。為了保證壓載水的處理效果，設(shè)置蓄熱柜05，其用保溫材料制作，具有保溫的效果，從煙氣換熱器出口024經(jīng)加熱后的壓載水被存儲(chǔ)在蓄熱柜05中，經(jīng)保溫一段時(shí)間，至少8分鐘，即可殺死海水中的微生物，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓載水的處理。

由于海水升溫后會(huì)導(dǎo)致大量鹽份析出，連同微生物、藻類等，蓄熱柜會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的積垢現(xiàn)象。為了便于積垢的排出，可在蓄熱柜05的底部設(shè)置一斜面08，在斜面08的低端處設(shè)置排污出口053，連接排污系統(tǒng)。在本實(shí)施例中，排污系統(tǒng)包括與蓄熱柜05順次相連的排污泵06和污物存儲(chǔ)裝置07，通過(guò)排污泵06將積垢及時(shí)抽出，收集在污物存儲(chǔ)裝置07中，靠港時(shí)統(tǒng)一清理。

為了便于及時(shí)處理積垢，可在蓄熱柜05的下部安裝觀察鏡(圖中未標(biāo)記)。

經(jīng)蓄熱柜05處理過(guò)且符合排放標(biāo)準(zhǔn)的壓載水可以被返回至壓載艙04。

優(yōu)選地，蓄熱柜的體積為15立方米～50立方米。

煙氣換熱器02可以為板式換熱器、或殼管式換熱器、或脈動(dòng)熱管換熱器。

請(qǐng)參閱圖2，利用上述的船舶尾氣污染物和壓載水綜合處理系統(tǒng)進(jìn)行綜合處理的方法，包括以下步驟：

s1：按圖1所示構(gòu)建船舶尾氣污染物和壓載水綜合處理系統(tǒng)。

s2：將中央冷卻器03的低溫介質(zhì)入口033與待處理的壓載艙的出水管相連。

s3：打開(kāi)中央冷卻系統(tǒng)，打開(kāi)煙氣換熱器02。

s4：打開(kāi)煙氣換熱器02的高溫介質(zhì)進(jìn)口閥，使高溫尾氣通過(guò)高溫介質(zhì)入口021進(jìn)入煙氣換熱器02，降溫至80℃～100℃后從高溫介質(zhì)出口022排出進(jìn)入脫硫塔01進(jìn)行脫硫處理。

s5：打開(kāi)待處理的壓載艙的出水閥，壓載艙中的壓載水從低溫介質(zhì)入口033進(jìn)入中央冷卻器03，從低溫介質(zhì)出口034排出，再經(jīng)煙氣換熱器02的低溫介質(zhì)入口023進(jìn)入，從低溫介質(zhì)出口024排出，經(jīng)中央冷卻器03和煙氣換熱器02的連續(xù)升溫至50℃，之后，進(jìn)入蓄熱柜05，并在蓄熱柜05中加熱至少8分鐘。

s6：經(jīng)步驟s5后，蓄熱柜05中的壓載水中的微生物和病菌被完全殺死，可以滿足壓載水的排放標(biāo)準(zhǔn)后，將蓄熱柜中處理結(jié)束的壓載水返回至相應(yīng)的壓載艙。

s7：依次處理各個(gè)壓載艙的壓載水，直到全船的壓載水全部處理完畢。

下面以某65000t的油船為例，分析柴油機(jī)能夠提供的可用于處理壓載水的尾氣余熱。表1給出了該油船各壓載艙的艙容。該輪選配主機(jī)機(jī)型為manb&w6s50mc，不同工況下柴油機(jī)的尾氣參數(shù)如表2所示。

表1壓載艙艙容

表2不同工況下柴油機(jī)的尾氣參數(shù)

當(dāng)主機(jī)以75％負(fù)荷正常航行時(shí)，柴油機(jī)尾氣可提供的熱量qe為：

qe＝cpe·me·(tei-teo)＝2870.9kw(1)

式中，cpe為尾氣比熱，取1.004kj/(kg*k)；me為尾氣流量，取19kg/s；tei為尾氣進(jìn)口溫度，取230.5℃；teo為尾氣出口溫度，取80℃。

假設(shè)壓載水進(jìn)入煙氣換熱器時(shí)的溫度為30℃，壓載水經(jīng)煙氣換熱器加熱后的出口溫度為50℃，則每小時(shí)可處理的壓載水量mw為：

式中，cpw為海水比熱，取4.3kj/(kg*k)；twi為壓載水進(jìn)口溫度，取30℃；two為壓載水出口溫度，取50℃。

從表1可知：該輪壓載水總量為28709.8m³，那么，完成所有壓載水處理需要的時(shí)間t為：

式中，v為壓載水總量，為28709.8m³；ρ為海水密度，取1.025kg/m³。

當(dāng)船舶航行在高緯度地區(qū)或者冬季時(shí)，壓載水溫度比較低，假設(shè)壓載水溫度為5℃，則可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓載水流量使壓載水經(jīng)過(guò)中央處理器的加溫后，溫度升高至30℃，仍然可以通過(guò)回收尾氣熱量使壓載水加熱至50℃左右，達(dá)到處理壓載水的目的。

綜上所述，本發(fā)明利用中央冷卻器和濕法脫硫系統(tǒng)的余熱加熱壓載水，達(dá)到壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)的方法，是切實(shí)可行的，利用本發(fā)明改造現(xiàn)有船舶，可以在使用高硫燃油的情況下能夠充分提高船舶能效、降低淡水消耗量、滿足尾氣及壓載水排放標(biāo)準(zhǔn)、以及不會(huì)對(duì)海洋生物造成影響，達(dá)到了充分的環(huán)保和節(jié)能效果，極大地節(jié)約了船舶改造成本。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。