防海生物装置的性能比较和实船选用

随着航海运输及海洋资源的开发不断扩大,渤海的海生资源和生态环境同时受到较大的破坏。渤海环境质量严重恶化,表现于海岸带污染明显、污染范围扩大、生态系统弱化、生态环境退化、赤潮、富营养化等。近10年来,渤海水质的富营养化特征日趋显著,氮磷营养盐浓度在不同海区和年际中变化,并且连续超过海洋水质标准。水质的富营养化引起藻类及其他浮游生物、贝类等迅速繁殖。

海洋环境中存在的小型污染物(粘土、微生物等)以及大型污染物(藻类、贝类、螅类等)在船上冷却系统中有极为理想的生长环境,那些低等生物粘附在海底格栅附近及海底阀箱、海水总管等内部,随着温度的提升、水流的改变,以及盐分及充足的氧气的存在,加剧这些低等海生物的快速生长繁衍。特别是那些贝壳类海生物的抱团快速繁衍,对船舶的营运危害相当明显,具体表现在:

1. 海生物堵塞海底格栅网、海水滤器、海水管道、海水泵及冷却器,极大地降低热交换率,使燃料成本加大(空调、发动机等)。

2. 海生物会对管道造成严重的生物腐蚀。

3. 主海底阀门因为海生物过量生长而不能关严,影响船舶航行安全。

4. 没有防海生物装置的船舶,定期不定期地清除海生物要投入巨大的财力人力。

5. 冷却循环系统和发动机必须经常维修或大修,浪费时间及金钱。

近几年来,我司在渤海湾工作的船舶,如华龙、华跃轮等都等不到两年半一个进坞检修周期,就分别发生海水总管大部分污堵造成主副机海水冷却量不够,海水泵吸不上水等现象,而不得不申请停航拆检总管部分,疏通清洁后维持使用;甚至于我司华信轮刚投产使用一年就发生海水总管海生物严重污堵现象。

针对在渤海水域营运作业的船舶所面临的共同问题,我们积极探讨研究,从污堵海生物的种类及成因着手,根据清除出的贝类海生物的形状大小分析,应该主要为微小生物粘附在海水管线内部因生长条件的改变而快速繁衍所致。我们同时对国内外多种防海生物装置的设计原理、购置改装及日常使用维护成本、管理使用的方便可靠性,以及实际使用的效果情况,都做了大量的收集研究和咨询比较工作。

目前现有船舶为解决受海生物污堵问题困扰这一普遍难题,采取了多种方法,例如:防污涂料、加液氯、电解海水防污、电解铜阳极和铝阳极防污防腐、非氧化性杀菌剂及人工铲除等。当前船舶普遍采用的方法是除了涂专用防海生物油漆以外,一般再选用下列几种防海生物装置:

1. 加液氯

液氯是五六十年代船舶较为广泛采用的杀菌消毒剂,其方式是在海水冷却系统上加装一路细管,通过一只小排量泵按海水流量比例把一定量的液氯泵入冷却海水中;并与海水起化学作用,产生次氯酸和盐酸:CL2+H2O=HCLO+HCL 。 其中次氯酸是很强的氧化消毒剂,它能破坏细胞壁,影响生物对营养物质的吸收,对海生物具有很大的杀伤和抑制作用。但液氯处理缺乏持久性,氯气又易挥发,对储存管理存在着很大的危险和困难,这样造成成本的增加;其次因水生物对氯的敏感性和适应性就需在冷却海水中保持较高的氯溶度,而冷却水中含有余量氯对系统上的含铜件产生腐蚀;再从环保角度看,加氯不仅杀伤了贝类、蛤类、藻类等污染海生物,同时对周边的鱼虾类具有同等的杀伤作用。

2. 电解海水防海生物装置

电解海水防污是利用有效氯(氯气和次氯酸根)的毒性杀死海生物,在特制的阳极上通直流电,电解海水,达到防污的目的,达到防海生物附着生长的目的。在电解海水时,主要有下面的反应:

阳极反应:2CLCL2 +2e

4OHO2+2H2O+4e

阴极反应:2H2O+2e2OH-+H2

随着分子和离子的运动,由阳极产生的氯气与阴极产生的氢氧根结合,发生下列的反应:CL2+2NaO NaOCl+NaCl+H2O 电解中形成的CL2和OCL是强氧化剂,对海生物具有毒性,能杀死海生物起防污作用。

该套设备不像涂料那样释放毒物,此方法不会对环境造成污染;又不像加液氯那样需长年贮存和运输。在电解的海水中,最后的残氯浓度只要在0.01ppm以上,就可以达到满意的防污效果。

此套装置包括电解阳极、电解槽、喷管或喷头、有效氯测定箱、过滤器、流量计、电源、控制箱等,结构较为繁琐。其中电解阳极的材料要求很高,一般用钛合金,在钛的表面涂上TiO2―RuO2固溶体,就构成了钛涂钌阳极,这样该装置的初期购置及使用维护更新备件成本就很高。在设计电解槽时应解决电极材料、极板间距、海水流速、电流密度、沉淀产物的排除问题;同时也要考虑电解槽的水密性和电性绝缘。在实际使用电解反应时,阴极上形成的OH 与海水中的钙、镁离子反应形成胶状的氢氧化钙和氢氧化镁沉淀,此沉淀积在电解槽的阴极上,影响海水流量,增加电阻,使电流效率下降,须人工拆检并用清水冲洗极板和电解槽后才能恢复使用。再者由于受其工作原理的局限,在渤海湾冬季海水温度低于摄氏5度时,由于电解电流太低而无法正常工作。

另外,该装置同样也不能避免剩余氯对排出水口附近造成海水污染。

电解海水防污装置在我国的大型船舶上已有应用,但由于该装置购置投入费用高,多数是进口设备,使用维护成本较大,目前还不普及。

1)非氧化性杀菌剂

非氧化性杀菌剂具有高效、低毒、广谱、对环境污染小等特点。它的防海生物机理是附着在海生物表面,穿透细胞壁,破坏海生物膜蛋白活性,造成细胞破裂、死亡。如,现在使用的季胺盐等有机杀菌剂最大的优点是对贝类、蛤类、藻类等污染海生物具有很强的杀灭、抑制作用,而对鱼虾类几乎没有伤害作用。与氧化性杀菌剂相比,海生物对非氧化性杀菌剂没有敏感性,这样船舶在日常使用时就可采用间断使用的方法来处理海生物。同时非氧化性物质对船舶冷却设备、管系等皆无腐蚀危害。

由于我国对非氧化性杀菌剂正处于科研起步阶段,目前一些船舶使用的药剂大部分为国外产品,消费价格昂贵。但从发展趋势来看,对非氧化性杀菌剂的卓越性推崇必将使其成为未来发展的主流。

2)电解铜阳极和铝阳极防污防腐装置

利用电解铜离子对海生物的抑制杀伤作用和电解铝离子对铜、铁等船舶设备管线的防腐保护作用,一举两得,全面解决防海生物污堵和海水管线腐蚀两大问题。该装置结构简单,由恒流电解控制箱、防海生物阳极、防腐阳极及接线盒组成。

例如,现在船舶较为广泛使用的由上海船舶运输科学研究所研发生产的DCF系列电解防污防腐装置的基本原理是:

采用外加电流的原理,在船舶海底门处安装防海生物阳极和防腐蚀阳极,通电进行海水电解和金属电解,产生有效氯和防海生物活性离子及防腐蚀FFⅠ型 (或FFⅡ型)离子,以流动海水作介质,形成电解液,再由海水泵抽出,分布到整个海水冷却管系中,达到既防止海生物附着又防止管系腐蚀的目的。防污阳极适用于任何海水冷却水管系的海生物防治。防腐蚀阳极分为适用于以钢管为主和以铜管为主的海水冷却管系两种防腐蚀产品。

DCF系列电解防污防腐装置的优点和特点:

1)安全性高,无毒,无污染,完全符合海洋环保要求。

2)全面解决海水管线海生物粘附繁殖和管线海水腐蚀两大问题。防海生物效率 96% 以上。防腐性能使管系使用寿命得以延长 3倍。

3)一次性改装投入费用低廉,性价比高,改装简便,阳极安装的海底门处有3道密封措施,具有很高的水密性。阳极仅引出两根电源控制线,控制箱可选择便利处安装。

4)电解电控箱为恒流电解电源,输入220V交流电源,输出240V低压直流电流。采用全系列集成、模块电路,减少了接点和控制键纽,提高了可靠性、稳定性,简化了日常使用操作、维护修理工作,在电解过程中具有很高的电解效率,能充分保证海水管系得到保护所需要的离子浓度。

5)阳极使用周期长,可保证船舶结合每一个坞检周期检查更换,更新阳极(铜棒和铝棒)费用低廉。

6)本装置阳极与市售产品的明显区别在于,阳极在遇到突况下会自动停止输出电流,阳极固定杆不会继续消耗而使水密性遭到破坏,阳极固定螺杆与海底门处于完整的水密状态,具有很高的安全性。

通过对现有防海生物产品的性能、初次购置安装投入成本、日常维护的可靠性和维护成本的综合比较,最终在上海船舶运输科学研究所的有关专家的支持和推荐下,我们选用了该所研发的DCF系列电解防污防腐装置,并结合船舶坞修,已经在我司华信轮、华洋轮安装并投入使用。通过一个周期的使用观察,确实有效地抑制了贝类等海生物在海水系统内的生长繁殖速度,大为改善了船舶海水冷却系统的使用工况,大大延长了海水滤器、海水管线及冷却器的清洗周期,从而保证了柴油机等设备的正常全负荷运行。良好的冷却效果同时也提高了主副机的热效率,从而也相应提高了船舶的营运经济性。