船舶壓載水處理系統(tǒng)用旋流分離器氣水分離技術(shù)

王慶海，高天鴻，盧曉偉，李 超

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東青島 266101）

0 引言

電解法船舶壓載水處理技術(shù)是以稀鹽水或海水為原料，通直流電電解后產(chǎn)生次氯酸鈉溶液和氫氣，利用次氯酸鈉溶液殺滅壓載水中的有害水生物和病原體的方法。其存在的問題是：在電解過程中產(chǎn)生的氫氣如果不及時排出，會隨電解液在電解槽中流動，增大電解液的阻抗，降低電流效率；同時，氫氣聚集過多也會影響壓載水處理裝置的穩(wěn)定運行，而且氫氣的聚集具有安全隱患，為保證壓載水處理過程的安全性及效率，故需要使用氣液分離裝置排出氫氣[1]。

目前，常用的方式是將海水電解液引入旋流分離器內(nèi)后，利用排氫風(fēng)機促使氫氣從海水電解液中分離，分離后的氫氣通過氣水分離閥后將氫氣中夾雜的水分分離，然后再進入排氫管路。該氫氣分離法不僅分離效率相對較低，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能耗較高，大大增加了設(shè)備的采購、運行及維護成本。通過在分離器殼體內(nèi)設(shè)置排氣組件，可有效促使海水電解液中的氫氣逸出，從而提高旋流分離器的氣液分離效率，減少分離器中氫氣濃度過高造成的安全風(fēng)險，降低緩沖罐憋壓對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[2-3]。

1 旋流分離器氣水分離裝置設(shè)計與分析

以BalClor?壓載水管理系統(tǒng)為例，該壓載水管理系統(tǒng)對船舶壓載水處理的方式為支路電解方式，壓載水處理裝置通過船舶海底門取水，壓載水通過壓載泵和過濾器過濾后進入壓載艙，同時在濾器的出口引出一支管進行通過電解單元電解海水產(chǎn)生高濃度次氯酸鈉，之后通過加藥泵注入過濾器出口主管路與海水混合。電解單元電解海水產(chǎn)生高濃度次氯酸鈉化學(xué)反應(yīng)式如下。

電離反應(yīng)：

電解單元中除氫裝置的主要原理如圖1所示：支路中海水經(jīng)過電解單元電解通過旋流分離器分離，氫氣通過汽水分離閥排出到大氣中，次氯酸鈉溶液進入緩沖罐中，之后再通過加藥泵回注進入主管路[4-5]。

圖1 電解單元中除氫裝置原理圖

本文對目前旋流分離器進行設(shè)計改進，見圖2和圖3，當(dāng)海水電解液由分離器入口進入分離器殼體內(nèi)時，海水電解液對驅(qū)動扇會造成沖擊，從而驅(qū)動驅(qū)動扇轉(zhuǎn)動，驅(qū)動扇的轉(zhuǎn)動有效增加海水電解液的湍流程度，促進氫氣逸出。同時驅(qū)動扇的轉(zhuǎn)動帶動中空轉(zhuǎn)軸和集氣帽旋轉(zhuǎn)，從而使部分海水電解液能夠與集氣帽碰撞接觸后沿著集氣帽的外緣甩出，進而促進氫氣從海水電解液中逸出[6-8]。集氣帽能夠及時地收集分離器殼體內(nèi)的氫氣，促進氫氣從中空轉(zhuǎn)軸內(nèi)排出，從而促進氫氣及時地從海水電解液中分離。與驅(qū)動扇接觸后的水流一部分沿著中空轉(zhuǎn)軸的管壁和集氣帽的外壁下落，另一部分由于離心力向外甩出至分離器殼體的內(nèi)壁上，并沿著分離器殼體的內(nèi)壁向下流動，最終在重力作用下從排水口排出，而氫氣從排氣孔和中空轉(zhuǎn)軸內(nèi)排出，即實現(xiàn)海水電解液的氣液分離。

圖2 旋流分離器局部剖視圖

圖3 旋流分離器俯視剖視圖

假設(shè)旋流分離器入口電解液流速穩(wěn)定，為電解單元額定入水流量，電解液在驅(qū)動驅(qū)動扇過程中的流量損失忽略，電解液的動能可完全轉(zhuǎn)化為驅(qū)動扇的動能，驅(qū)動排風(fēng)扇促進氫氣溢出；在電解液驅(qū)動驅(qū)動扇過程中由于與扇葉的沖擊作用，電解液流態(tài)會變得紊亂無序，旋轉(zhuǎn)湍流打破了靜態(tài)氣液平衡，提高了氫氣從電解液中逃逸的速率，加速氫氣分離[9]；電解液沖擊驅(qū)動扇后沿著旋流分離器管壁螺旋下落形成分離器內(nèi)部中心空氣柱，有利于氫氣的釋放。

假設(shè)本文研究旋流分離器中排氣扇扇葉的尖速比與風(fēng)機尖速比保持一致，排風(fēng)扇排風(fēng)流量計算公式為

式中：Q為氣體流量；V線為扇葉外緣線速度；r為扇葉長度；a為尖速比。

2 結(jié)果與分析

以BalClor?壓載水管理系統(tǒng)BC-1000 和BC-3000型號除氫裝置為例進行分析，目前技術(shù)方案主要通過排氫風(fēng)機進行排氫，其中BC-1000型號使用CBL-20型號風(fēng)機，BC-3000型號用CBL-23型號風(fēng)機。兩風(fēng)機設(shè)備主要參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)機性能參數(shù)

通過改進旋流分離器結(jié)構(gòu)，在旋流分離器中增加驅(qū)動扇，假設(shè)該驅(qū)動扇尖速比與風(fēng)機尖速比保持一致為5.1，根據(jù)旋流分離器中電解液的入口流量計算可知驅(qū)動扇相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 驅(qū)動扇基本參數(shù)

通過計算改進型旋流分離器可有效增大氫氣擴散效率，能分別有效降低BC-1000和BC-3000電解單元風(fēng)機流量2.9%，5.7%，提高了旋流分離器氣水分離效率。

3 結(jié)論

本文對一種新型旋流分離器技術(shù)方案進行分析，通過與目前旋流分離器在理論和數(shù)值方面的對比分析，新型旋流分離器在不增加能耗的前提下提高溶液紊亂程度，提高氣液分離效率；通過對氣體進行及時抽離降低旋流分離器內(nèi)部壓強，解決了氫氣不易從海水電解液中分離的問題，充分利用海水電解液的動能，能夠減小排氫風(fēng)機的功率，降低了壓載水處理過程的能耗，從而降低了設(shè)備的運行成本，能夠簡化船舶壓載水電解裝置的結(jié)構(gòu)，減小除氫模塊的空間尺寸，方便實船布置。