尹彦泽1， 朱发新1， 张敏2， 卢金树1， 李玉乐1， 王帅军1
（1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山316022；2.舟山市敏瑞科技咨询有限公司，浙江舟山316022）
摘 要：以船舶晃荡油舱为研究对象，针对其油气处理存在的问题，从船舶晃荡油舱逸出油气处理装置基本要求出发，利用AutoCAD软件设计出了船舶晃荡油舱逸出油气回收利用装置，并介绍了其工作原理和主要组成部件，最后从结构、技术、操作及经济等方面分析了该装置的可行性。
关键词：VOCs；回收利用；晃荡油舱；船舶
船舶是当今世界一股非常重要的交通运输力量。船舶在作业及运输过程中，由于船舶的摇晃、油加热等原因，会不断地从油舱逸出油气（挥发性轻质气态烃类有机化合物，volatile organic compounds，VOCs）[1-2]。据相关数据显示，我国现有船舶20余万艘，有2000多万载重吨，并且驱动装置以柴油机居多[3]。其中大部分船用柴油机为20世纪80年代开发的，只有部分产品是在21世纪初开发使用[4]，因此造成的燃油损失及经济损失惊人。同时，从油舱逸出的油气也可能导致人员中毒、大气及海洋环境污染、火灾、爆炸等危险事故，产生更为严重的后果[5]。
目前，船舶上油气处理的常用方法为充惰和呼吸阀排出法，即：在油舱中充入一定量的惰性气体，通过降低氧含量来避免油气火灾和爆炸。当油舱中混合气体压力升高到一定值时，部分混合气体会自动通过呼吸阀排出舷外，仍有可能造成人员中毒、大气及海洋环境污染等不良后果。
1.1 油气处理的常用方法
船舶油舱中一般装载着大量的油，其成分主要为各种烃类[6]。在液货装载、卸载或船舶运输过程中，油舱中燃油会不断挥发出轻质烃类成分的混合气体或油气。由于船舶晃荡、油加热等原因，加剧了VOCs的挥发。如果挥发出的VOCs不加处理，任其从油舱逸出或者扩散，可能造成油气燃烧与爆炸、大气污染、人员中毒等事故，危及船舶及人员安全，造成重大损失[7-8]。为了确保船舶及人员安全，保护大气及海洋环境，油舱逸出的油气必须要处理。
油气处理的常用方法有冷凝法、吸收法、吸附法、膜分离法和氧化燃烧法[9-10]等，这几种方法在加油站、储油基地、油罐车等场合已经得到了一定应用，效果良好，有效地减少了大气污染、毒害以及油气爆炸等，同时又可以回收油气或借助油气燃烧产生的热量作其他用途，但是这些方法在船舶上应用很少[11]。
1.2 船舶晃荡油舱油气处理方法及存在的问题
在船舶上，油气处理的常用方法是采用充惰及通过透气孔（或呼吸阀）排出舷外，即：在油舱的上层空间充注一定量的惰性气体（N2为绝大多数的混合气体），降低VOCs浓度，避免油舱发生火灾或爆炸[12-13]。随着油气不断挥发，上层空间气体压力不断升高，达到油舱透气孔的启阀压力时，呼吸阀将自动打开，混合气体经过透气孔排出舷外，直到混合气体压力降低到透气孔的关阀压力时，透气孔自动关闭，此时油舱中的油气浓度已经非常低，远低于火灾或爆炸对应的极限浓度，降低了油舱发生火灾及爆炸的风险，从而保证船舶及人员安全。
充惰及透气孔排气的这种处理方法可以有效避免油舱发生火灾及爆炸，但是实际过程中仍然存在很多的问题：1）油气中含有大量有毒的气态烃类物质，人员吸入会引起人员慢性中毒、恶心、乏力等健康问题；2）从透气孔排出的油气混合物，会形成光化学烟雾，造成大气的二次污染；3）油气是原油中燃烧性能较好的轻质烃类，其排放会直接影响燃烧品质；4）油气的不断排放也会造成浪费；5）呼吸阀损坏、人员操作不当、静电等仍然可能引起油舱火灾或爆炸[14-15]。
船舶装载着几万吨不等的油[16]，存在着较大的安全隐患，一旦处理不当，威胁船舶及人员安全，造成大气及海洋环境污染[17]。因此船舶晃荡油舱逸出油气处理装置应满足如下基本要求：1）油气处理方法简单实用，油气能再回收利用，避免油损失，造成大气与海洋环境污染；2）油气处理装置组成简单及操作方便；3）具有安全保护装置，紧急情况下可以排出舷外，保障船舶及人员安全；4）该装置应具有检测功能，能有效地指示相关参数的极限值；5）该装置运行成本低，设备的改装或初期投入或成本少；6）该装置的维护保养简单，工作量少。
3.1 船舶晃荡油舱逸出油气回收利用装置工作原理
图1 船舶晃荡油舱逸出油气回收利用装置工作原理图
A,B,C,D.油舱 E.集气室 F.压缩机 G.冷却器 H.气液分离器 I.惰性气体舱（惰气舱） J.单螺杆泵 1,2,3,4.呼吸阀（透气孔） 5,25.单向阀 6,7,8,9,11,12,13.截止阀 10.自动泄油阀 14,15,16,17.回油电磁阀 18.氧气浓度控制电磁阀19,20,21,22,23,24,26,27,31.截止止回阀 28.时序控制阀 29.冷却器出水管 30.冷却器进水管 32.压力继电器 33.手动卸油阀 34.船舶废气产生的惰气 35.惰气泄放管 36.惰气补充管 37.混合气体泄放管
以油舱A为例说明该装置的工作原理。如图1所示，由于船舶的摇晃及油的加热等原因，油舱A中的油不断挥发（蒸发）出油气（轻质成分的气态烃类），并与舱室上部的保护性惰性气体混合，形成混合气体（油气混合物），使得油舱A上部空间的气压升高。当混合气体压力达到某一设定值后，在压差的作用下，混合气体可以从油舱呼吸阀1逸出，通过单向阀5进入集气室E储存。当集气室E内混合气压力达到设定值后，在压力继电器32的控制下，压缩机F和冷却器G自动启动，集气室E内的气体经截止阀6进入压缩机F，压缩加压后的混合气通过截止阀7进入冷却器G，被冷却后经截止阀8和截止阀9进入气液分离器H。气液分离器H分离出来的液态油气由泵J吸入，通过回油电磁阀14输送到油舱A中，实现逸出油气的回收利用。
气液分离器H分离出来的惰性气体经过氧气浓度控制电磁阀18进入惰气舱I进行存储，根据需要，再经过截止止回阀19、20进入油舱A中，实现充惰或补惰。
截止止回阀24为集气室的放残阀，需要定期进行放残处理，以防集气室E内聚集过量的液态及其他固体杂质颗粒，对压缩机F造成液击和运动部件、阀件的过度磨损。
3.2 船舶晃荡油舱逸出油气回收利用装置主要组成部件
1）压缩机。压缩机F一般采用活塞式单级压缩机，通过活塞的往复运动，起到吸排作用。如图1所示，油舱逸出的混合气体从吸入阀进入压缩机F，经过压缩后的混合气体从排出阀排至冷却器G中。压缩机F上装有压力继电器32，控制压缩机F的起停，避免频繁起停。当集气室E中混合气体压力达到设定值时，压力继电器32动作，压缩机F启动，该装置开始工作，实现油气的回收利用。
2）冷却器。冷却器G为卧式壳管式水冷冷却器，卧式壳管内部循环流动的是冷却水，管外为混合气体。冷却水从进水管30进入冷却器G，从出水管29排出。调节进入冷却器G的冷却水量，可以调节混合气体冷却温度，避免混合气体温度太低或太高，影响后续环节中的气液分离效果。进出冷却器的冷却水可以采用淡水或海水。以海水作为冷却淡水时，应对冷却海水做相应的处理，避免冷却器的腐蚀情况。
3）气液分离器。气液分离器H为惯性式气液分离器，运用不同气体分子的质量不同，其惯性也不相同。通过不断改变混合气体的流动方向，分子质量较大的油沿着气液分离器的壁面自动流到底部聚集，达到一定量时通过自动泄放阀或手动泄放阀泄回油舱。
气液分离器H分离出的液态油气通过自动卸油阀10、截止阀13(或者截止阀11、单螺杆泵J、截止阀12），在时序控制阀28的作用下，依据设定时间次序可以依次打开回油电磁阀14，并进入相应的油舱A(或B、或C、或D)，完成油气的回收利用。气液分离器H分离出的惰性气体中氧含量低于设定值时，通过分离器H上部的氧气浓度控制电磁阀18进入惰气舱I进行储存。当氧含量高于设定值时，电磁阀18关闭，气液分离器H内的压力升高，当达到设定压力值时，截止止回阀31自动打开，惰性气体直接排至大气。
当自动卸油阀10故障无法正常工作时，可以打开手动卸油阀33替代自动卸油阀10完成上述油气回收利用的工作。截止止回阀27为气液分离器H的放残阀，通过混合气体泄放管37进行定期的放残处理，可以防止气液分离器H底部液体聚集的铁锈等杂质颗粒过多，而损伤单螺杆泵J及管路中相关阀件。
4）惰性气体舱。通常惰气舱内的压力设定在0.15～ 0.25 MPa，当惰气舱I压力超过最高设定值0.25 MPa时，单向阀25自动打开，多余的惰性气体经过惰性气体泄放管35排至大气，当惰气舱I内压力低于0.15 MPa时或氧气含量超标时，可以将船舶废气产生的惰气通过惰气补充管路36补充进来，降低惰气舱I中的氧含量或提高惰气压力，以便为油舱更快捷充惰。
船舶废气来自于主机、付机、燃油锅炉等产生的废气，可以通过去硫、脱氮、除油灰、除湿等操作产生符合要求的惰气，再通过惰气补充管路36以及截止止回阀26存储在惰气舱I中。船舶废气产生的惰气也可以通过惰气充注管34直接给油舱充惰。
当某油舱A(或B、C、D)内压力低于设定值时，可以打开截止止回阀19，把惰气舱I内惰性气体通过截止止回阀20（或21、22、23）向该油舱补充惰性气体。
4.1 结构可行性
一般情况下，惰性气体舱I是由专用压载舱改装，其结构和组成附件的密封性、强度及刚度等相关参数均满足使用要求。
该装置的其他组成设备或部件均为通用件或标准件，可以在市场上直接选用，这些设备或部件的强度、刚度等参数也符合要求。根据往常的工作经验，估算出每个油舱的逸出油气量，再具体选择这些设备或部件的型号。
4.2 技术可行性
本装置的油气回收利用技术是采用物理方法，逸出油气由压缩机吸入，经压缩后再排至冷却器，经冷却后由气液分离器分离。分离出来的燃油由螺杆泵输送给油舱，分离出来的惰气可以存储到惰气舱中，也可以直接补充回油舱中。
本文采用的油气物理分离技术不会改变燃油的性质，仍然能够保证燃油品质，同时分离出来的惰气或油气不会排向舷外，不会造成大气及海洋环境污染。
4.3 操作可行性
本装置的组成部件大多数是标准件、通用件，因此操作简单，同时该装置的一些组成设备装有自动卸油阀、回油电磁阀、氧气浓度控制电磁阀、时序控制阀、压力继电器等自动化元件，对相应设备起着自动控制作用，有效地减少了该装置操作的工作量。
该装置也设有压力继电器、氧气浓度控制电磁阀、自动泄油阀、回油电磁阀等自动控制部件，起着安全保护作用，避免压力过高、氧气浓度过高发生爆炸或火灾等事故。
4.4 经济可行性
该装置的组成组件大多数是标准件、通用件，其成本是可以估算及控制，专用压载舱改装成惰气舱的改装费用，这些总费用逸出油气量的费用、大气及海洋污染损耗的费用和成本相比仍然是少的多。
本文分析了现有船舶晃荡油舱逸出油气处理方法可能存在的人员中毒、环境污染、降低燃油品质、燃油损失等问题；针对这些问题，从油气处理技术方法、运行成本、操作性能、维护保养、安全保护等方面总结出了船舶晃荡油舱逸出油气处理装置基本要求；利用AutoCAD软件设计出了船舶晃荡油舱逸出油气回收利用装置，并说明了其油气处理的工作原理，介绍了该装置的压缩机、冷却器、气液分离器、惰气舱等主要组成部件；最后从结构、技术、操作及经济等方面论证了该装置的可行性。
本文设计的船舶晃荡油舱逸出油气处理装置可应用于油船、大型渔船及散货船等一些船舶中，可有效地降低船舶油气排放、环境污染等。
由于本文暂属于前期的研究阶段，还需要通过后期的理论分析、数值仿真、模型试验等方面加以支撑和完善，争取早日应用到实船当中。
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（编辑 立 明）
Recovery Device Design of the VOCs Spilled from Sloshing Oil Tank in Ships
YIN Yanze1,ZHU Faxin1,ZHANG Min2,LU Jinshu1,LI Yule1,WANG Shuaijun1
（1.School ofPort and Transportation Engineering,ZheJiangOcean University,Zhoushan 316022,China; 2.ZhouShan MinRui Science and TechnologyConsultingCo.,Ltd.,Zhoushan 316022,China）
Abstract：Aiming at the existing problems of treatment methods about VOCs spilled from the sloshing oil tank in vessels, this paper takes the VOCs of oil tank as the research object.AutoCAD software is used to design the recovery device of the VOCs spilled from the sloshing oil tank in vessels.And we introduce its working principle and main components,and analyzes the feasibility of this device from the structure,technology,operation and economy.
Key words：volatile organic compounds;recycle;sloshing oil tank;vessel
中图分类号：TP 391.7
文献标志码：B
文章编号：1002－2333（2017）07－0015－03
作者简介：尹彦泽（1995—），男，本科生，轮机工程专业；朱发新（1982—），男，硕士，副教授，硕导，研究方向为船舶安全与污染控制。
通信作者：朱发新，zhufax7758@163.com。
收稿日期：2016-12-01
基金项目：2016年水产浙江省一流学科开放课题(20160022); 2014年浙江省自然科学基金项目(LQ14E090001); 2016年浙江海洋大学第四批教授博士'4个1'服务工程项目
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