小型船用油水分離器的創新設計與實現

劉邵宏，童偉

(1.南華工商學院，廣東廣州510507;2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510641)

由于MEPC.107(49)［1］決議增加了對含乳化油成分污水處理要求，使得現有大多采用重力分離技術［2］以及聚結、過濾分離技術的船用油水分離器無法滿足新的排放法規，為此通過研究應用能有效分離乳化油成分的膜分離技術［3］等新技術，對設備進行創新設計。

1 系統工作原理

圖1 系統工作原理圖

設計該設備時，將波紋板重力聚結分離［4］、二級纖維過濾和三級超濾分離等技術相結合［5］，并采用油份報警記錄儀實時監測出水含油量，其工作原理如圖1所示。

2 設備的主要參數計算

該設備處理量為0.25 m3/h。計算符合ZC 船舶與海上設施法定檢驗規則。符合GB 4795-84 《船用艙底油污水分離裝置技術條件》處理裝置型式試驗和認可準則。

2.1 波紋板設計計算

2.1.1 設計最小油滴上浮速度

已知:20 ℃時水密度ρw=0.998 g/cm3;油密度ρ0=0.895 g/cm3，水動力黏性系數μ =1.005 ×10－3N·s/m2，設計除去最小油珠直徑d=20 μm。

根據Stocks 公式［6］計算上浮速度u2:

u2=g(ρw－ρ0)d2/(18μ)=0.022 3 mm/s

2.1.2 板間距

根據板間距、材質與分離效果的關系［7］，購買的PVC 波紋板規格(長×寬)為260 mm×260 mm，板間距為a=4 mm。則板內上浮時間:

t1=4/0.022 3 =179 s≈3 min

2.1.3 板組層數

取板層數n=60，板寬B =0.26 m，考慮分離器容積利用率和水利條件，取修正系數Φ =1.5，Q =0.25 m3/h。

則板間水平流速為:

板內流動時間為:

則t2＞t1＞Φ，可去除油滴。

2.1.4 雷諾數Re 校核

已知波紋板波長λ =32 mm，一個波長展開長度為l1=38 mm，板間距a =4 mm，板間水平流速v =66.7 mm/min，20 ℃時水的運動黏滯系數ν =60.6 mm2/min。

可知波紋板很好地滿足層流運動［7］，水利條件較好。

2.1.5 確定波紋板層數和間距

根據以上分析，確定波紋板尺寸(長× 寬×高):240 mm×260 mm×260 mm，板組層數為60 塊，板間距為4 mm，實際停留時間為:

其中裝置有效容積利用率α=0.9。

2.2 濾芯設計計算

2.2.1 濾芯材質選擇

綜合考慮濾芯孔徑、膜通量，二、三級濾芯具體性能參數見表1。

表1 濾芯性能參數

2.2.2 二級過濾濾芯尺寸確定

已知設計處理量Q = 0.25 m3/h，膜通量P =70 000 L·m－2·h－1，則濾芯有效過濾面積為

考慮過濾器內部空間，取二級濾芯高度H2=0.2 m，底圓半徑R2=0.11 m，則:

A2=2πR2·H2=0.138 m2＞［A］

理論處理量為:

Q2=A2·P=9.66 m3/h

2.2.3 三級過濾濾芯尺寸確定

已知設計處理量Q = 0.25 m3/h，膜通量P =50 000 L·m－2/h－1，則濾芯有效過濾面積為:

考慮過濾器內部空間，取三級濾芯高度H3=0.2 m，底圓半徑R3=0.11 m，則:

A3=2πR3·H2=0.138 m2＞［A］

理論處理量為:

Q3=A3·P=6.9 m3/h

2.3 超濾組件選型

根據超濾膜工作壓力與過濾通量的關系［8］，選擇型號為UF-BTR-200 超濾膜組件(見表2)。

表2 超濾膜組件規格

所需數量為:

n=0.25 ×1 000/(4 ×60)=1.04

故使用2 根并聯安裝。

2.4 其他基本參數

其他參數見表3。

表3 設備基本參數

3 系統工況簡介

系統工作過程如下:

(1)艙底油污水經粗濾器后，由柱塞泵泵入第一級重力分離室，此分離器采用拱頂結構進水沿筒體切線方向進入后。再經層流版進入波紋板組件進行聚結分離。

(2)第二級纖維過濾器過濾掉較大的油珠和固體懸浮雜質，之后進入第三級過濾室。

(3)第三級過濾室進一步將水中更微小的油珠和雜質充分捕捉，使得過濾后的出水僅含乳化油成分。

(4)考慮不是所有船舶都含有乳化油，為延長濾膜使用壽命，提高處理效率，當處理后的水經檢測含油量不超過15 ×10－6，直接排出舷外。如超過時，則進入超濾膜系統，進一步過濾水中的乳化油成分，直至達到排放標準。

(5)設置順沖與反沖工況。分別對分離器和超濾膜裝置自動順沖洗和反沖洗，克服濾膜因污染和堵塞導致分離效果下降，同時延長濾膜使用壽命。

4 設備總體布置

分離器、油份報警記錄儀、泵單元組件、超濾膜組件、電控箱、電磁排油閥、電磁排水閥、手動排油閥、閥門、管道等布置如圖2所示。

圖2 設備總體布置圖

5 結束語

該設備的設計中采用了最新波紋板聚結分離和超濾膜分離技術，具有體積小、分離效率高、膜組件壽命長等特點。整個分離過程采用無人值守的PLC 全自動化控制，操作簡單。目前已在清遠聯鑫船舶機電設備廠投入批量生產。

【1】國際海事組織(IMO)海上環境保護委員會.修訂的船舶機器處所艙底水防污染設備指南和技術條件［S］.MEPC.107(49):決議，2003.

【2】萬楚筠，黃鳳洪，廖李，等.重力油水分離技術研究進展［J］.工業水處理，2008，28(7):13－16.

【3】巢峰，徐筱欣.董玉海.船舶油污水艙底乳化液膜分離試驗系統研究［J］.實驗室研究與探索，2008，27(2):25－27.

【4】曹建樹，李衛青，鄭遠揚.新型波紋板油水分離器分離性能研究［J］.過濾與分離，2001，11(2):12－13.

【5】馬如中，何麗君，張百祁.15mg/L 艙底水分離處理重油及乳化液的技術探討［J］.船海工程，2010，39(6):38－40.

【6】葉銳.船舶油水分離器結構設計［J］.港航節能，2009(4):10－17.

【7】陳文征.波紋板油水分離技術研究［D］.北京:中國石油大學，2008:49－55.

【8】向平，蔣紹階.超濾膜過濾通量計算模型的實驗［J］.重慶大學學報，2004，27(1):69－71.