轉輪除濕技術在紙漿運輸船上的應用分析

殷華兵，李 雨，吳信溪

（中遠海運特種運輸股份有限公司，廣東 廣州 510623）

0 引 言

紙漿的主要成分是從木材和其他植物中提取的纖維。海上運輸的干紙漿貨物主要是指含水量為10%左右的紙漿，工業壓制成的規則、層狀的紙漿先用外包紙包裝成方塊狀，再用鐵絲捆扎成捆運輸。圖1為吊運紙漿貨物上船的場景。紙漿在造紙、紡織、食品和制藥等領域具有廣泛用途，隨著我國人民生活水平的不斷提升和產業結構的深入調整，進口干紙漿的需求量越來越大，采用紙漿運輸船將巴西、芬蘭和東南亞等地區的紙漿運輸到遠東地區的需求也在不斷攀升。

圖1 吊運紙漿貨物上船的場景

船舶在復雜多變的環境中航行時，受貨艙（包括艙蓋和道門等）的技術狀態、貨物特性、天氣和海況等因素的影響，會有貨艙進水；同時，受不同海域空氣溫度/濕度變化、海上晝夜溫差變化和貨艙內外溫度差異等因素的影響，貨物可能出現結露或吸水受潮現象，進而導致貨損的情況發生。

結露是熱空氣作用在冷表面上形成的一種現象，當貨艙內空氣的露點溫度高于貨艙艙壁或貨物表面的溫度時，就會在艙壁或貨物表面出現結露現象，船舶在裝運玻璃制品、鋼材、煤炭、魚粉和糧食等貨物時都需避免貨艙出現結露現象，強調在運輸過程中監測貨艙的干、濕溫度，計算貨艙內空氣的露點溫度，并將其與艙外空氣的露點溫度和大氣溫度相比較，通過采取自然通風或風機強制通風等措施避免以上情況發生；此外，船公司通過在體系文件中制定《貨艙通風操作須知》等文件以加強這方面的管理。

受潮一般是貨物吸收船舶上浪進入貨艙的水分或含濕量很高的空氣中的水分引發的，吸濕性很強的貨物吸水之后易導致貨損或者貨差。

干紙漿受潮或大量吸水之后會膨脹，導致外包裝破裂或打包鐵絲斷裂，進而影響裝卸貨效率，情況嚴重時會導致貨艙結構遭到破壞；受潮的紙漿內部會積聚很多熱量，嚴重時會引發火災；同時，受潮的紙漿會發生霉變、變形，其品質會發生變化，導致貨損或者貨差。由此可見，在運輸紙漿過程中防止貨艙壁上結露對于保障海上干紙漿運輸的安全性和減少貨損或者貨差而言非常重要，其中防止貨艙壁上結露的方法相對比較常規，而防止干紙漿受潮的技術手段是紙漿船重點關注的內容，也是本文研究的重點。紙漿船一般采用風雨密性能優越的專業背載式艙蓋防止貨艙上浪或下雨進水，在空氣的含濕量很高的情況下采用專業除濕設備除濕，避免干紙漿因直接吸收空氣中的水氣而受潮。

1 紙漿運輸船除濕技術的選擇

除濕技術廣泛應用于制藥﹑廢水處理﹑食品加工﹑電子﹑醫療產品和國防科技等領域中，濕空氣的熱濕處理是在定壓條件下進行的，濕空氣焓的變化就是熱濕處理過程中熱量的交換，而濕空氣含濕量的變化就是熱濕處理過程中水蒸氣含量的變化，因此空氣中的熱力學變化過程通常涉及焓的變化和含濕量的變化。目前工業上相對成熟的除濕技術主要有冷卻除濕、壓縮除濕、固體吸附式除濕、液體吸收式除濕和吸附轉輪除濕等5種。本文在分析比較這些技術的優劣之后，認為吸附轉輪除濕技術更符合紙漿船除濕應用場景。

1.1 主要除濕技術比較[5]

1) 冷卻除濕：通過空調、冷媒等介質進行熱交換，將濕空氣的溫度降至露點以下，制冷劑的冷凝熱可全部或部分由水冷冷凝器或風冷冷凝器帶走，剩余的冷凝熱用于加熱從蒸發器中出來的空氣，其出風溫度能進行調節。該除濕技術一般應用于對濕度控制要求較高的場合，能耗和成本較高。

2) 壓縮除濕：通過對潮濕的空氣進行壓縮、冷卻，分離出其中的水分。該除濕技術一般應用于風量小的場合，能耗和成本較高。

3) 固體吸附式除濕：采用毛細管將水分吸附在固體吸濕劑上，可降低露點，但當吸附面積較大時，設備隨之變大，吸濕效率較低，不太適合工業應用。

4) 液體吸收式除濕：采用氯化鋰水溶液的噴霧吸收水分，從而降低空氣的露點。該技術應用的除濕機較大，且必須定期更換吸收液，會給工業產品帶來一定的污染。

5) 吸附轉輪除濕：采用固體吸附分離技術進行除濕，可連續循環通風除濕，除濕溫度在10～45℃，在相對濕度為50%～60%的情況下效率最高。該除濕技術的特點是結構簡單、體積小、可靠性高、除濕量大、除濕效果好，適用于大面積場合，能耗相對較低。

紙漿船運輸的干紙漿的相對密度較小，為提高船舶的技術經濟性，在相同吃水條件下通常追求較大的貨艙艙容，在這種情況下，留給機艙和其他設備的安裝空間就比較狹小；同時，大艙容意味著除濕量比較大。此外，遠洋船舶對設備可靠性的要求很高。吸附轉輪除濕設備具有運動部件少、能耗低、可靠性高、安裝空間要求低、可連續循環作業、除濕量大和對除濕對象無污染等特點，加上干紙漿在溫度為10～45℃、相對濕度為50%～60%時的儲存狀態最佳，與吸附轉輪除濕設備的工作范圍接近，吸附轉輪除濕設備必然成為紙漿船的較優選擇。

1.2 吸附轉輪除濕技術原理

吸附轉輪主要靠轉輪上高效硅膠（

m

SiO·

n

HO）強大的水蒸氣吸附能力除濕。輪轉主要以玻璃纖維和耐熱陶瓷為基材，將高效硅膠以多孔蜂窩狀涂布在基材上制作而成。除濕轉輪以8～10r/h的速度轉動，當待除濕的回風通過轉輪處理區時，硅膠通過巨大的表面質點與風中的水分子相吸，將水蒸氣吸附在固體物質表面，水蒸氣發生相變并釋放潛熱，轉輪吸收水分達到飽和狀態，被處理的干熱空氣通過送風總管送入貨艙或工作空間；當轉輪轉到再生區域時，被加熱到110～180℃的再生風通過再生區域將硅膠的水分加熱汽化帶走，排至外部空間中，從而使硅膠恢復吸附能力，實現連續循環作業的目標。吸附轉輪除濕原理圖見圖2。

圖2 吸附轉輪除濕原理圖

2 紙漿船除濕系統的布置和設計要點

新建紙漿船在滿足船舶建造規范的前提下通常會盡可能地壓縮機艙和其他設備占用的空間，這是提高貨艙艙容的有效手段，設計要點如下。

2.1 集中處理和通風總管模式

紙漿運輸船的除濕系統可采用集中處理和通風總管模式，這樣能靈活利用空間，從而增大貨艙艙容，其中風管采用總管-支管的方式布置。

以某紙漿船為例，在艏部和艉部空艙內各布置1臺大排量的吸附轉輪除濕機，其中，艏部除濕機的送風總管通過支管送風到No.1、No.2和No.3貨艙，艉部除濕機通過送風總管對No.4、No.5和No.6貨艙進行除濕。回風總管也采用上述總管-支管的方式布置。考慮到備用和互換的需要，2臺除濕機選擇相同型號的除濕機，且送風總管與回風總管相連通，平時用蝶閥隔開，一旦其中一臺除濕機發生故障，可打開隔離閥，用另外一臺代替進行除濕作業。紙漿船除濕機的通風總管布置在船舶兩側的通道內，可節約布置空間（見圖3）。

圖3 除濕系統通風總管布置圖

2.2 貨艙內風口布置要點

在對貨艙進行除濕時，需將整個貨艙內的空氣流動起來，防止通風局部短路，實現整個貨艙空間內的空氣循環，從而避免貨艙內局部貨物吸濕造成貨損和貨差。為優化進風口和回風口布置，需對各貨艙內除濕空氣的流動情況進行有限元模擬和評估。

圖4為結合有限元分析設計的某貨艙進風口和出風口布置圖，其中：進風口有2個，與貨艙風機的風道共用，可直接將送風總管輸出的干熱空氣通到貨艙底部，根據紙漿裝貨情況，適當關閉可閉通風柵；回風口布置在貨艙頂部，盡量靠近貨艙蓋，輸送的低密度干熱風從艙底經過紙漿空隙或氣囊間隙上升，濕冷的貨艙空氣被除濕風機吸入，實現貨艙內空氣的循環流動。需注意的是，進風口和出風口盡量布置在貨艙的不同側面，距離應盡可能遠。進風管和回風管的流通面積及除濕風機的排量等設計需滿足不低于5～10次/h換氣次數的要求。

圖4 某貨艙進風口和出風口布置圖

紙漿貨屬于易燃品，需在貨艙內布置火災報警系統和二氧化碳滅火系統，貨艙除濕系統的進風口和出風口設置的蝶閥應為防火蝶閥，或采用防火風閘串聯普通蝶閥的設計，滿足貨艙防火分隔和破艙穩性的要求。為滿足規范的要求，在進口和出口通風柵設置可拆卸的防火星鋼絲網。為實現自動控制，系統采用遙控蝶閥控制。

2.3 主要控制參數及監控

當前沒有專門針對紙漿運輸過程中溫度和濕度控制的指導性文件，但由《紙漿造紙廠設計規范》和國內外主要紙漿貨主提供的資料了解到，推薦的紙漿最佳存儲和工作溫度為25℃±1℃，相對濕度為50%±5%，而海上空氣的溫度一般為15～40℃，相對濕度為60%～80%，若在巴西裝運貨物，貨物的相對濕度和溫度會更高。雖然干紙漿的濕度在運輸前會控制在10%左右，但其會在貨艙內揮發水蒸氣而導致相對濕度增大。因此，紙漿裝載結束之后，貨艙內空氣的相對濕度會比較大，需連續大功率地對貨艙進行除濕。

在設計除濕系統時，選取的主要技術參數見表1，要對相關參數進行測量和實時監控。為保證貨艙內的空氣滿足要求，需實時監測貨艙內的空氣和除濕機的工作狀態，同時提供報警顯示功能，遠程控制除濕系統的啟停。系統的就地控制面板采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）控制，同時可將遙控面板布置在駕駛臺上。系統通過控制遙控閥和除濕機的開關控制各貨艙的溫度和濕度處在設計狀態，各貨艙的溫度和濕度通過溫濕度傳感器采集，系統原理見圖5。

圖5 除濕系統控制原理圖

表1 貨艙除濕系統主要技術參數

3 結 語

吸附轉輪除濕技術在工業領域有廣泛的應用，但在紙漿船上應用時存在技術方面的挑戰。紙漿貨最佳存儲環境為溫度25℃±1℃、相對濕度50%±5%，而海上空氣環境一般為溫度15～40℃、相對濕度60%～80%，結合紙漿船的布置和維護管理特點，決定對紙漿船上的除濕系統采用集中處理和通風總管的布置方式，有效節約布置空間和提高設備的可靠性，同時采用防火風閘與普通蝶閥串聯的方式消除通風總管對貨艙防火分隔和破艙穩性的影響。對貨艙內低密度的干熱除濕空氣從艙底經過紙漿堆碼空隙或氣囊間隙上升流動的過程進行有限元模擬評估，從而優化計算出進口風和出口風的具體布置和風口流通面積，實現貨艙內除濕空氣循環流動，從而取得最佳的除濕效果。采用溫濕度傳感器和PLC實時采集和控制全船貨艙的溫度和濕度參數，實現整個除濕系統的集中自動控制和管理。

目前高效硅膠固體吸附分離技術的核心技術仍掌握在歐美發達國家手中，我國的轉輪除濕機在技術和性能指標上與其相比還有較大差距，大部分仍采用進口轉輪核心零部件進行組裝，致使轉輪除濕機的造價較為昂貴。

此外，當前對紙漿運輸船轉輪除濕機的使用和維護管理還存在較大盲區，例如：如何盡早發現和處理貨艙內紙漿移動產生大量的紙漿粉末堵塞濾器導致壓頭損失過大的問題；如何避免紙漿運輸過程中移位堵住進風口和回風口的問題；如何實現全面監測貨艙內溫度和濕度的變化；如何進一步了解運輸過程中貨艙內不至于導致貨損和貨差的空氣參數最低限制，從而更精確地控制除濕機的啟停；如何通過貨艙通風機的配合達到最佳節能降耗的目標等。這些問題需在日常工作中通過不斷積累經驗予以解決。