王庆海，高天鸿，卢晓伟，李 超
（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛 266101）
电解法船舶压载水处理技术是以稀盐水或海水为原料，通直流电电解后产生次氯酸钠溶液和氢气，利用次氯酸钠溶液杀灭压载水中的有害水生物和病原体的方法。其存在的问题是：在电解过程中产生的氢气如果不及时排出，会随电解液在电解槽中流动，增大电解液的阻抗，降低电流效率；
同时，氢气聚集过多也会影响压载水处理装置的稳定运行，而且氢气的聚集具有安全隐患，为保证压载水处理过程的安全性及效率，故需要使用气液分离装置排出氢气[1]。
目前，常用的方式是将海水电解液引入旋流分离器内后，利用排氢风机促使氢气从海水电解液中分离，分离后的氢气通过气水分离阀后将氢气中夹杂的水分分离，然后再进入排氢管路。该氢气分离法不仅分离效率相对较低，而且结构复杂，能耗较高，大大增加了设备的采购、运行及维护成本。通过在分离器壳体内设置排气组件，可有效促使海水电解液中的氢气逸出，从而提高旋流分离器的气液分离效率，减少分离器中氢气浓度过高造成的安全风险，降低缓冲罐憋压对系统稳定性的影响[2-3]。
以BalClor®压载水管理系统为例，该压载水管理系统对船舶压载水处理的方式为支路电解方式，压载水处理装置通过船舶海底门取水，压载水通过压载泵和过滤器过滤后进入压载舱，同时在滤器的出口引出一支管进行通过电解单元电解海水产生高浓度次氯酸钠，之后通过加药泵注入过滤器出口主管路与海水混合。电解单元电解海水产生高浓度次氯酸钠化学反应式如下。
电离反应：
电解单元中除氢装置的主要原理如图1所示：支路中海水经过电解单元电解通过旋流分离器分离，氢气通过汽水分离阀排出到大气中，次氯酸钠溶液进入缓冲罐中，之后再通过加药泵回注进入主管路[4-5]。
图1 电解单元中除氢装置原理图
本文对目前旋流分离器进行设计改进，见图2和图3，当海水电解液由分离器入口进入分离器壳体内时，海水电解液对驱动扇会造成冲击，从而驱动驱动扇转动，驱动扇的转动有效增加海水电解液的湍流程度，促进氢气逸出。同时驱动扇的转动带动中空转轴和集气帽旋转，从而使部分海水电解液能够与集气帽碰撞接触后沿着集气帽的外缘甩出，进而促进氢气从海水电解液中逸出[6-8]。集气帽能够及时地收集分离器壳体内的氢气，促进氢气从中空转轴内排出，从而促进氢气及时地从海水电解液中分离。与驱动扇接触后的水流一部分沿着中空转轴的管壁和集气帽的外壁下落，另一部分由于离心力向外甩出至分离器壳体的内壁上，并沿着分离器壳体的内壁向下流动，最终在重力作用下从排水口排出，而氢气从排气孔和中空转轴内排出，即实现海水电解液的气液分离。
图2 旋流分离器局部剖视图
图3 旋流分离器俯视剖视图
假设旋流分离器入口电解液流速稳定，为电解单元额定入水流量，电解液在驱动驱动扇过程中的流量损失忽略，电解液的动能可完全转化为驱动扇的动能，驱动排风扇促进氢气溢出；
在电解液驱动驱动扇过程中由于与扇叶的冲击作用，电解液流态会变得紊乱无序，旋转湍流打破了静态气液平衡，提高了氢气从电解液中逃逸的速率，加速氢气分离[9]；
电解液冲击驱动扇后沿着旋流分离器管壁螺旋下落形成分离器内部中心空气柱，有利于氢气的释放。
假设本文研究旋流分离器中排气扇扇叶的尖速比与风机尖速比保持一致，排风扇排风流量计算公式为
式中：Q为气体流量；
V线为扇叶外缘线速度；
r为扇叶长度；
a为尖速比。
以BalClor®压载水管理系统BC-1000 和BC-3000型号除氢装置为例进行分析，目前技术方案主要通过排氢风机进行排氢，其中BC-1000型号使用CBL-20型号风机，BC-3000型号用CBL-23型号风机。两风机设备主要参数见表1。
表1 风机性能参数
通过改进旋流分离器结构，在旋流分离器中增加驱动扇，假设该驱动扇尖速比与风机尖速比保持一致为5.1，根据旋流分离器中电解液的入口流量计算可知驱动扇相关参数见表2。
表2 驱动扇基本参数
通过计算改进型旋流分离器可有效增大氢气扩散效率，能分别有效降低BC-1000和BC-3000电解单元风机流量2.9%，5.7%，提高了旋流分离器气水分离效率。
本文对一种新型旋流分离器技术方案进行分析，通过与目前旋流分离器在理论和数值方面的对比分析，新型旋流分离器在不增加能耗的前提下提高溶液紊乱程度，提高气液分离效率；
通过对气体进行及时抽离降低旋流分离器内部压强，解决了氢气不易从海水电解液中分离的问题，充分利用海水电解液的动能，能够减小排氢风机的功率，降低了压载水处理过程的能耗，从而降低了设备的运行成本，能够简化船舶压载水电解装置的结构，减小除氢模块的空间尺寸，方便实船布置。