本發(fā)明涉及一種船舶尾氣與壓載水一體化處理系統(tǒng)，屬于環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
全球超過80% 的國際貿(mào)易是通過海洋運(yùn)輸來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）截止到 2010年12月數(shù)據(jù)，全球正在運(yùn)行的100 總噸以上船舶大約有104304艘。隨著運(yùn)輸船舶數(shù)量的不斷增加，船舶排放的污染物對大氣和水體造成的污染和危害也日趨嚴(yán)重。
目前，為了節(jié)約成本船用柴油機(jī)一般使用低品質(zhì)（高硫含量）重油，因此釋放出大量的污染物，主要有氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）、碳氧化物（COX）和細(xì)顆粒物（PM2.5）等大氣污染物。英國《衛(wèi)報》報道，船舶NOX排放約占世界NOX總排放的18%-30%，SOX 排放約占世界SOX總排放的9%。這些污染物對環(huán)境具有嚴(yán)重危害性：如SOx，它是產(chǎn)生酸雨的主要原因之一。NOx 是NO及NO2的總稱，其中NO2 也是造成酸雨的原因之一；而NO與血液中的血紅素的結(jié)合能力比CO還強(qiáng)，容易使人們中毒而死亡。CO2則是溫室氣體之一，是全球暖化的主因。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。由于陸上工業(yè)脫硫脫硝設(shè)備及技術(shù)相對成熟，船舶尾氣處理技術(shù)大多是借鑒工業(yè)煙氣脫硫脫硝技術(shù)展開研究的。但是，由于船舶條件所限，船舶尾氣脫硫脫硝設(shè)備必須滿足輕便、體積小、能耗低、不對海洋造成二次污染和經(jīng)濟(jì)性好等要求。
水體的污染主要是由于排放壓載水造成的?，F(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶一般通過灌注壓載水來保證航行的安全和穩(wěn)定，壓載水的作用十分重要。但壓載水中含有大量的細(xì)菌、病毒、藻類、原生生物、軟體動物和魚類等，地理性隔離水體間的傳播可能會危害其周圍原有海洋生物或引入新的外來物種，從而使原有生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈遭受破壞，進(jìn)而引起嚴(yán)重的環(huán)境污染與生態(tài)安全。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界年壓載水排放量約100億噸，平均每立方米壓載水中含浮游動、植物可達(dá)1億個以上。每天，全球有超過3000種生物存在于壓載水中，并且被確認(rèn)可通過壓載水異域排放引起入侵傳播的生物物種達(dá)500余種。壓載水異域排放加劇了海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞和環(huán)境的惡化，被全球環(huán)境基金組織和國際海事組織認(rèn)定為當(dāng)前海洋環(huán)境所面臨的四大威脅之一。目前，船舶壓載水主要處理方法可分為機(jī)械法、物理法和化學(xué)法。
當(dāng)今，針對船舶尾氣污染控制和壓載水處理的研發(fā)都是獨(dú)立進(jìn)行的。如果簡單地將相關(guān)的船舶尾氣控制與壓載水處理設(shè)備和技術(shù)獨(dú)立地安裝到船舶上，將對船舶有限的空間、載荷與發(fā)電機(jī)功率造成浪費(fèi)。因此，研發(fā)一種有效降低船舶尾氣污染物排放和防止船舶壓載水傳播有害水生物和病原體的船舶污染控制技術(shù)，對臨港大氣環(huán)境、海洋生態(tài)系統(tǒng)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類健康都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
此本發(fā)明旨在解決上述問題，提供了一種船舶尾氣與壓載水一體化處理系統(tǒng)，該處理系統(tǒng)不僅能同時高效處理船舶尾氣與壓載水問題，且處理系統(tǒng)體積小，十分適合于船舶應(yīng)用。此外，通過使用氫燃料電池，可以有效回收H2，不僅避免了其帶來的安全隱患，同時為能源有限的船舶提供了新的供能方式。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種船舶尾氣與壓載水一體化處理系統(tǒng)，包括電化學(xué)海水改性反應(yīng)器、壓載水處理反應(yīng)器和尾氣凈化洗滌塔。其特征在于，包括以下內(nèi)容：
1）電化學(xué)海水改性反應(yīng)器是隔膜電解反應(yīng)裝置，包括隔膜、陰極腔和陽極腔。
進(jìn)一步地，所述的電化學(xué)海水改性反應(yīng)器由單個或多個隔膜電解反應(yīng)裝置串聯(lián)或并聯(lián)而成。
2）壓載水處理模塊包括過濾器、氧化滅活組件和后續(xù)排放還原組件三部分。
進(jìn)一步地，所述的過濾器可以是一級或多級過濾處理的串聯(lián)，用于去除海水中砂石顆粒和較大的微生物。所述的氧化滅活組件用于混合壓載水和強(qiáng)氧化性液流，殺死壓載水中的微生物。所述的后續(xù)排放還原組件用于把多余的氧化液流還原，避免排放的壓載水對海洋環(huán)境造成二次污染。
3）尾氣凈化塔包括微納米氣泡發(fā)生裝置、氧化洗滌塔和堿性吸收洗滌塔。
進(jìn)一步地，所述的電化學(xué)海水改性反應(yīng)器的陽極腔、微納米氣泡發(fā)生裝置和氧化洗滌塔依次連接，所述的電化學(xué)海水改性反應(yīng)器的陰極腔和堿性吸收洗滌塔依次連接。
進(jìn)一步地，所述的微納米氣泡發(fā)生裝置還與尾氣相連，使部分尾氣通入，并與強(qiáng)氧化性液流高度相溶混合，形成均勻的微納米氣泡，氣泡平均粒徑在500納米（nm）~5微米（μm）之間。
進(jìn)一步地，所述的氧化洗滌塔、堿性吸收洗滌塔內(nèi)都安裝有霧化噴嘴和固體填料，用于增大氣液接觸面積。
進(jìn)一步地，所述船舶尾氣與壓載水一體化處理系統(tǒng)還包括氫燃料電池反應(yīng)器，電化學(xué)海水改性反應(yīng)器所產(chǎn)生的H2，將送到氫燃料電池反應(yīng)器作為原料使用。
所述船舶尾氣與壓載水一體化處理系統(tǒng)的工作流程包括：
1）將天然海水用水泵泵入船舶壓載水處理反應(yīng)器的過濾器部分，去除海水中砂石顆粒和較大微生物；
2）將過濾后的天然海水用水泵泵入電化學(xué)海水改性反應(yīng)器，通過膜分離與電化學(xué)技術(shù)對海水進(jìn)行處理，形成兩股不同性質(zhì)的液流，分別為強(qiáng)氧化性液流和堿性液流。具體原理如下：海水改性處理時，陽極表面生成Cl2，進(jìn)一步，Cl2在陽極腔內(nèi)溶解生成氧化性的HClO，陰極表面生成OH￣。由于陽離子交換膜的阻隔分離，只有Na+可以自由通過，陰離子無法透過。因此，改性后陽極腔生成酸性強(qiáng)氧化性液流，主要成分為HClO，陰極腔生成堿性液流，主要成分為NaOH。
① 陽極腔主要反應(yīng)過程：
2Cl￣(aq)-2e￣→Cl2(g)
Cl2(g)?Cl2(aq)
Cl2(aq)+H2O(l)?HClO(aq)+HCl(aq)
② 陰極腔主要反應(yīng)過程：
2H2O(l)+2e￣→2OH￣(aq)+H2(g)
3）將上述一部分強(qiáng)氧化性液流用水泵泵入船舶壓載水處理模塊的氧化滅活組件，用于滅活壓載水的微生物；另一部分強(qiáng)氧化性液流用水泵泵入尾氣凈化塔的微納米氣泡發(fā)生裝置中，用于形成微納米氣泡溶液，然后送入氧化洗滌塔氧化尾氣。將上述一部分堿性液流用水泵泵入尾氣凈化塔的堿性吸收洗滌塔，吸收氧化后的尾氣；另一部分堿性液流用水泵泵入氫燃料電池反應(yīng)器，作為電解液使用。
4）通過除塵器將船舶尾氣經(jīng)進(jìn)行除塵處理，經(jīng)除塵的尾氣分為兩部分，一部分通過管線進(jìn)入氧化洗滌塔，隨氣流逐步上升；另一部分通過管線進(jìn)入微納米氣泡發(fā)生裝置，與強(qiáng)氧化性液流相溶混合，形成均勻的微納米氣泡溶液，再通過管線送入氧化洗滌塔經(jīng)霧化生成氧化性氣霧，與氧化洗滌塔內(nèi)上升的尾氣逆向接觸反應(yīng)，生成初次凈化尾氣。初次凈化尾氣由氧化洗滌塔頂排出經(jīng)氣體管道進(jìn)入堿性吸收洗滌塔并隨氣流逐漸上升，與堿性吸收洗滌塔中經(jīng)霧化生成的堿性氣霧逆向接觸反應(yīng)，將煙氣中的NO2、CO2、SO2和SO32￣進(jìn)一步脫除，生成二次凈化尾氣，二次凈化尾氣經(jīng)堿式吸收塔頂部排出，直接排放進(jìn)入大氣；
該步驟主要發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：
① NO氧化吸收主要過程：
HClO(aq)+NO(g)→NO2(g)+HCl(aq)
2NO2(g)+2OH￣(aq)→NO2￣(aq)+NO3￣(aq)+H2O(l)
② SO2氧化吸收主要過程：
SO2(g)+H2O(l)→HSO3￣(aq)+H+(aq)
HSO3￣(aq)→SO32￣(aq)+ H+(aq)
HClO(aq)+ SO32￣(aq)→SO42￣(aq)+HCl(aq)
SO2(g)+ 2OH￣(aq)→SO32￣(aq)+H2O(l)
5）將電化學(xué)海水改性反應(yīng)器生成H2送入氫燃料電池反應(yīng)器作為原料，產(chǎn)生能源，防止直接排放帶來的安全隱患，降低H2處理成本。此外，將電化學(xué)海水改性反應(yīng)器產(chǎn)生的部分堿性液流泵入氫燃料電池反應(yīng)器作為電解液使用。
此過程主要發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：
負(fù)極：2H2 + 4OH￣-4e￣→4H2O
正極：O2 + 2H2O + 4e￣→4OHˉ
6）在壓載水排放前，經(jīng)后續(xù)排放還原組把多余的強(qiáng)氧化性液流還原，避免多余強(qiáng)氧化性液流排放到海洋里。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
1）在電化學(xué)海水改性反應(yīng)器中，通過膜分離與電化學(xué)技術(shù)對海水進(jìn)行處理，形成兩股不同性質(zhì)的溶液流，分別為強(qiáng)氧化性溶液流和堿性溶液流。強(qiáng)氧化性液流可用于滅活壓載水的微生物和氧化船舶尾氣；而堿性液流可以用于中和吸收氧化后的尾氣。
2）由于采用了膜分離技術(shù)，所述的強(qiáng)氧化性液流的氧化性成分主要存在形態(tài)為HClO。HClO/Cl￣ (1.698V)氧化還原電對的電勢高于ClO￣/Cl￣(0.841V)。因此，HClO的氧化性強(qiáng)于ClO￣，能更高效氧化NO和SO2等，從而減少了海水用量，降低了液氣比，使吸收塔的體積大大減少。
3）采用堿性液流為吸附劑，代替了原有海水脫硫工藝中所使用的天然海水，可大幅增加對酸性尾氣的溶解度，減小吸收塔的體積。
4）壓載水處理模塊包括過過濾器、氧化滅活組件和后續(xù)排放還原組件三部分。這三部分不僅能有效滅活各種微生物，且避免排放壓載水對海洋環(huán)境造成二次污染。
5）氫燃料電池反應(yīng)器能有效利用電解海水所產(chǎn)生的H2，防止H2爆炸帶來的安全隱患，降低H2的處理成本。
6）采用微納米氣泡發(fā)生裝置可以實(shí)現(xiàn)氣液兩相高度相溶，增加氣液接觸面積，進(jìn)而推動氣液傳質(zhì)效率增加，增強(qiáng)尾氣的去除效率，降低了液氣比，進(jìn)而減小吸收塔體積和占地空間。
7）本發(fā)明不僅能同時處理船舶尾氣與壓載水問題，且大大減少了處理系統(tǒng)的體積，十分適合于船舶應(yīng)用。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
【符號說明】
過濾器1；氧化滅活組件2；后續(xù)排放還原組件3；管線4；閥門5；陽極腔6；隔膜7；陰極腔8；氧化洗滌塔9；堿性吸收洗滌塔10；氫燃料電池反應(yīng)器11；微納米氣泡發(fā)生裝置12。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
作為一個具體的實(shí)施例，如圖1所示，本發(fā)明的一種船舶尾氣與壓載水一體化處理系統(tǒng)，包括電化學(xué)海水改性反應(yīng)器、壓載水處理反應(yīng)器和尾氣凈化洗滌塔成。具體包括：過濾器1；氧化滅活組件2；后續(xù)排放還原組件3；管線4；閥門5；陽極腔6；隔膜7；陰極腔8；氧化洗滌塔9、堿性吸收洗滌塔10、氫燃料電池反應(yīng)器11和微納米氣泡發(fā)生裝置12。上述各部件通過管線4連接為氣路和液路。
所述的強(qiáng)氧化性液流在陽極腔6中產(chǎn)生，通過管線4和閥門5，分別輸送到氧化滅活組件2中氧化滅活微生物；輸送到微納米氣泡發(fā)生裝置12中形成微納米氣泡，然后送入氧化洗滌塔9中氧化尾氣中的NO和SO2等。
所述的堿性液流在陰極腔8中產(chǎn)生，通過管線4和閥門5，分別輸送到堿性吸收洗滌塔10中吸收尾氣和氫燃料電池反應(yīng)器11中作為電解液。
本發(fā)明的工藝流程（亦即上述設(shè)備的工作過程）是：
1.將過濾后的海水用水泵泵入電化學(xué)海水改性反應(yīng)器，選擇合適的電解電流強(qiáng)度（常規(guī)技術(shù)）產(chǎn)生濃度為0.2~5 g/L 的HClO溶液和NaOH溶液。
2.根據(jù)煙氣體積和SO2 、NO的濃度，按液氣比0.5-10 L/m3將所述的HClO溶液由噴淋泵打進(jìn)微納米氣泡發(fā)生裝置，與部分尾氣形成微納米氣泡溶液，然后泵入氧化洗滌塔頂部的液體入口，并在氧化洗滌塔頂部內(nèi)形成霧狀液滴，與氧化洗滌塔內(nèi)尾氣逆向流動，從而氧化尾氣中的NO和SO2。
3.按液氣比0.5-10 L/m3將所述的NaOH溶液由噴淋泵打進(jìn)堿性吸收洗滌塔頂部的液體入口，并在堿性吸收洗滌塔頂部內(nèi)形成霧狀液滴，與堿性吸收洗滌塔內(nèi)尾氣逆向流動，從而中和吸收尾氣中的酸性氣體。
4.根據(jù)海水的體積和微生物含量，按液氣比0.5-10 L/m3將所述的HClO溶液由泵打進(jìn)船舶壓載水處理模塊中的氧化滅活組件，殺死水中微生物。
5.將電化學(xué)海水改性反應(yīng)器產(chǎn)生的H2和部分NaOH溶液，送入氫燃料電池分別作為原料和電解液。
盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。