鐘震宇，潘國(guó)敏

（廣東中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，東莞 523146）

1 前言

傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力系統(tǒng)主要是以燃油、天然氣等作為燃料，而燃油是非再生資源，且燃油燃燒后產(chǎn)生的有害氣體對(duì)大氣、環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。隨著各國(guó)對(duì)環(huán)保的越來(lái)越重視，全球?qū)Τ杀镜陀汁h(huán)保的再生資源利用引起極大的關(guān)注，很多船舶設(shè)計(jì)公司都在持續(xù)不斷地設(shè)計(jì)和研究如天然氣、風(fēng)力、太陽(yáng)能、核能等新能源應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)研究的核心目標(biāo)是利用牲畜運(yùn)輸船上的糞便廢棄物進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換，將糞便廢棄物合理轉(zhuǎn)化為能源，有效地利用船舶自身的資源降低運(yùn)行成本，減少對(duì)大氣、環(huán)境的污染，促進(jìn)牲畜運(yùn)輸船的更新?lián)Q代。

牲畜運(yùn)輸船所運(yùn)載的動(dòng)物每天產(chǎn)生的排泄物是驚人的，所消耗的人力、物力巨大，給船上的污物處理和存儲(chǔ)帶來(lái)很大的不便。因此，充分利用牲畜運(yùn)輸船糞便廢棄物進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換，形成一條半自給自足的燃料供應(yīng)鏈，為船舶航行推進(jìn)和日常使用提供動(dòng)力，既能節(jié)省燃油消耗，又能大大改善對(duì)大氣、環(huán)境的污染。

2 牲畜糞便廢棄物能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要功能是將糞便廢棄物合理轉(zhuǎn)化為能源，利用牲畜船上的糞便排泄物、有機(jī)物和死亡生物等，在高效催化微生物的作用下轉(zhuǎn)換為沼氣。該系統(tǒng)可有效地利用船舶自身的資源，降低運(yùn)行成本，減輕船舶污物的處理壓力。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)劃分為四大模塊：糞便廢棄物收集模塊；糞便廢棄物發(fā)酵模塊；熟料轉(zhuǎn)換成殘?jiān)欧拍K；沼氣凈化和壓縮收集模塊。四大模塊之間有序鏈接，組成完整的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

2.2 工作原理

（1）在糞便廢棄物收集模塊中，定時(shí)打開牛欄沖洗裝置的自動(dòng)沖洗控制閥，糞便廢棄物便自動(dòng)流入糞便投料口，在投料口處進(jìn)行部分液體分離，并將大部分的沖洗水經(jīng)過(guò)濾后重復(fù)作清洗使用；

（2）經(jīng)過(guò)糞便收集過(guò)程，糞便廢棄物將進(jìn)入發(fā)酵模塊中，在密閉無(wú)氧發(fā)酵罐中發(fā)生發(fā)酵反應(yīng)，經(jīng)過(guò)初反應(yīng)、主反應(yīng)、熟料三個(gè)過(guò)程。在糞便廢棄物的發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程中，菌種投料口會(huì)在菌種密度檢測(cè)儀的監(jiān)控下完成發(fā)酵菌種的補(bǔ)充；

（3）經(jīng)充分反應(yīng)后的熟料會(huì)在反應(yīng)艙自身壓力的作用下流到殘?jiān)A存艙，同時(shí)在反應(yīng)艙和殘?jiān)A存艙中配置攪拌泵以加快反應(yīng)的速率。殘?jiān)A存艙中廢料在溢流的作用下經(jīng)管道進(jìn)入殺菌消毒單元，經(jīng)過(guò)處理后直接排放舷外。在殘?jiān)A存艙到殺菌消毒單元之間設(shè)置應(yīng)急排放管、應(yīng)急排放閥；

（4）在熟料轉(zhuǎn)換成殘?jiān)欧胚^(guò)程的同時(shí)，沼氣的凈化和壓縮收集過(guò)程也同時(shí)發(fā)生。在反應(yīng)艙的頂部設(shè)置沼氣收集管道連接沼氣處理模塊（含凈化機(jī)組、壓縮機(jī)組），經(jīng)過(guò)凈化和壓縮后進(jìn)入沼氣收集罐體，進(jìn)而供應(yīng)給相應(yīng)的機(jī)器使用。

糞便廢棄物能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖見圖1，系統(tǒng)流程圖見圖2。

2.3 應(yīng)用前景

2.3.1 從能源角度分析

（1）以4 500 m2的牲畜船為例.該船能裝載3 000頭奶牛，每頭奶牛每天能產(chǎn)生糞便和尿液約30 kg，每噸糞便可產(chǎn)生沼氣190 m3。3 000 頭牲畜船所有奶牛每天產(chǎn)生的沼氣量為17 100 m3，以60%的轉(zhuǎn)化率計(jì)算，每天可產(chǎn)生沼氣10 260 m3。

（2）沼氣的熱值為35.4 MJ/m3，燃油的熱值為40 MJ/kg，即1 t 燃油的熱值相當(dāng)于=1 100 m3沼氣的熱值。由此可得出該船一天產(chǎn)生的沼氣熱值相當(dāng)于9.3 t 燃油的熱值。

（3）對(duì)于4 500 m2母型船，連續(xù)航行18 000 n mile （約30 天）測(cè)得到的數(shù)據(jù)是每天消耗燃油19 t，即相當(dāng)于每天所需沼氣量為20 900 m3。

通過(guò)以上的計(jì)算，對(duì)該船的能源供應(yīng)設(shè)計(jì)方案為：

采用純沼氣動(dòng)力，續(xù)航30 天需要的沼氣為627 000 m3,船舶自供應(yīng)513 000 m3，岸上需提供存儲(chǔ)115 000 m3。

2.3.2 從環(huán)境角度分析

沼氣作為清潔能源和可再生資源，其主要成分為甲烷，沼氣燃燒后不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，經(jīng)充分完全反應(yīng)后所產(chǎn)生的無(wú)機(jī)物對(duì)海洋沒有直接的危害，可直接排放到海里，可降低污水處理系統(tǒng)的處理能力。

2.3.3 從經(jīng)濟(jì)角度分析

除一部分船舶自身提供的沼氣外，只需補(bǔ)充部分的燃料就能維持船舶的使用要求，有效地減輕了燃油消耗。沼氣的價(jià)格遠(yuǎn)低于燃油，降低了營(yíng)運(yùn)成本，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，牲畜產(chǎn)生的大量糞便經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)和機(jī)械過(guò)程，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的殺菌凈化處理后可直接排放到大海，解決了傳統(tǒng)牲畜船對(duì)牲畜糞便的存儲(chǔ)、處理和運(yùn)輸問題，減少了處理牲畜排泄物的人力和物力。

2.3.4 從降低船員的工作強(qiáng)度分析

傳統(tǒng)牲畜運(yùn)輸船的牲畜糞便處理全部依靠人工，在航行的過(guò)程中進(jìn)行不斷的收集、堆積，既惡化了牲畜的生活條件和船員的工作條件，也消耗了大量的工作時(shí)間。通過(guò)本牲畜糞便廢棄物能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，糞便經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)和機(jī)械過(guò)程能直接排放到大海，減少處理牲畜排泄物的人力和物力。

3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 動(dòng)力裝置

該船配備一臺(tái)6 000 kW 燃?xì)鈨?nèi)燃主機(jī)（能同時(shí)燃燒天然氣、純沼氣）、3 臺(tái)750 kW 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、一臺(tái)900 kW 軸帶發(fā)電機(jī)，航速為18 kn。

3.2 發(fā)酵單元

有機(jī)物在隔絕空氣和一定的溫度、濕度、酸堿度密閉艙室內(nèi)，經(jīng)過(guò)沼氣細(xì)菌的分解代謝而產(chǎn)生一種優(yōu)質(zhì)可燃?xì)怏w。沼氣是混合了甲烷和二氧化碳等成分的可燃性氣體，主要成分是甲烷。沼氣的制取在陸上得到了廣泛的應(yīng)用，借鑒陸上的制取方式，在糞便廢棄物的發(fā)酵模塊中嚴(yán)格地控制沼氣的制造過(guò)程。以4 500 m2牲畜船為例，可將原重油艙與柴油艙改成沼氣的發(fā)酵艙和殘?jiān)A存艙（見圖3）。

3.3 沼氣處理單元

沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳，在燃燒放熱過(guò)程中，二氧化碳會(huì)降低熱的利用率，導(dǎo)致放熱成本增加。因此為了充分利用沼氣資源，需要首先進(jìn)行二氧化碳脫除處理。本項(xiàng)目配置了兩套沼氣壓縮處理模塊，能有效去除沼氣中的二氧化碳、水蒸氣和硫化物等成分，避免沼氣熱值的降低，減少各種雜質(zhì)對(duì)沼氣發(fā)電機(jī)的損耗，并減少對(duì)環(huán)境的污染。

3.4 殺菌消毒單元

經(jīng)過(guò)充分發(fā)酵反應(yīng)后產(chǎn)生的沼渣和沼液，需要進(jìn)行相應(yīng)的消毒凈化處理后才能排放。本項(xiàng)目配套的殺菌消毒裝置，采用先進(jìn)的殺菌處理工藝，可以有效地凈化發(fā)酵艙內(nèi)的殘?jiān)蜌堃海?jīng)過(guò)處理的殘?jiān)蜌堃嚎芍苯优欧诺酱蠛?，有效避免了?duì)環(huán)境的污染，同時(shí)沼渣和沼液直接排放能有效減少船的運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.5 壓縮單元

本船建有四個(gè)壓縮罐體（見圖4），其中兩個(gè)容積為1 500 m3、壓強(qiáng)為500 pa 的罐體供儲(chǔ)蓄岸上補(bǔ)充供應(yīng)的沼氣；兩個(gè)容積為1 500 m3、壓強(qiáng)為500 pa 的罐體供船舶燃料發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣收集。四個(gè)罐體可相互調(diào)配使用。

3.6 甲烷催化微生物的儲(chǔ)備

本項(xiàng)目配備了甲烷催化微生物的儲(chǔ)備系統(tǒng)供沼氣發(fā)酵使用。沼氣發(fā)酵微生物是在缺氧條件下降解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生沼氣的一群微生物，如甲烷鬃毛菌屬。甲烷鬃毛菌屬可能是自然界最主要的一種制造甲烷的微生物，它們寄居在廢水、沼澤和濕地中，通過(guò)分解身邊其它微生物產(chǎn)生的醋酸鹽，釋放出甲烷和二氧化碳。將甲烷鬃毛菌儲(chǔ)存于轉(zhuǎn)化單元中，將加快牲畜糞便廢棄物轉(zhuǎn)化為甲烷氣體的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

本新型沼氣動(dòng)力牲畜運(yùn)輸船，相比于傳統(tǒng)牲畜運(yùn)輸船能節(jié)省50%以上的燃料。目前，本企業(yè)對(duì)于配備牲畜廢棄物能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的沼氣動(dòng)力牲畜運(yùn)輸船的研發(fā)已經(jīng)取得了初步成果且在不斷改進(jìn)，一旦在此技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，便可聯(lián)合牲畜船領(lǐng)域的各大船東合作進(jìn)行投產(chǎn)，這必將創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。