全面创新 突破发展军民两用技术开发助企业转型升级——江苏南极机械有限责任公司倪氏压载水管理系统研发纪实

江苏南极机械有限责任公司　金　星　倪建峰　汪立庆　任　聪

全面创新 突破发展军民两用技术开发助企业转型升级——江苏南极机械有限责任公司倪氏压载水管理系统研发纪实

江苏南极机械有限责任公司金星倪建峰汪立庆任聪

编者按：

江苏省泰兴市城区工业园区积极贯彻落实国家关于建立和完善军民结合、寓军于民武器装备科研生产体系的战略部署，坚持“政府主导、企业主体、市场运作”的基本原则，支持和发展了一批军民结合型产业，培育和壮大了一批具有市场竞争力的军民结合型企业，走上了一条以舰船、航空航天配套设备为特色、军民深度融合的良性发展之路。其中，江苏南极机械有限责任公司在军民两用压载水管理系统研发方面取得了显著成就，结合在全船污水和固体垃圾处理领域的技术优势，向实现船舶真正意义上的零排放迈出了坚实的一步，为提高我国船舶配套技术水平、保护全球海洋生态环境作出了积极的贡献。江苏兆胜空调有限公司抓住国内外海洋战略发展，以及特种行业制冷需求增长等时代机遇，推进自主创新，积极推动企业由设备制造向系统集成转型升级，并加大力度挺进国际市场，全力打造“世界领先的特种空调生产基地”。本期“业界聚焦”栏目对这两家企业的军民两用产品开发情况进行了介绍，以期对相关企业有所启示。

江苏南极机械有限责任公司（简称“江苏南极机械公司”）是国家火炬计划重点高新技术企业，江苏省高新技术企业和江苏省船舶配套行业重点企业，拥有近50年的发展历史，主要从事舰船防污染设备、舰船动力系统轴舵系产品，以及其它舱室机械产品的研发与生产业务，产品主要销往全国各大、中型船厂，被“南极”长城站、中山站、向阳红十号、极地号科学考察船、远望系列测量船、辽宁舰及赴索马里护航编队等国家重点船舶和工程广泛选用。江苏南极机械公司注重科技创新，在军民两用产品的研发中取得了显著成就，被认定为江苏省企业技术中心和江苏省船舶污水序批式膜法处理设备工程技术研究中心，拥有国家火炬计划项目2项，国家重点新产品2项，获得国家发明专利和实用新型专利23项、省级高新技术产品8项、省科技成果转化项目1项、江苏省首台套重大装备1套。

倪氏压载水管理系统是江苏南极机械公司为满足国际公约要求，针对目前市场上运用紫外线法和电解法对压载水进行处理存在的弊端，经过充分的市场调研、论证，创新采用过滤+微滤膜分离+充氮驱氧技术，去除压载水中的浮游生物，防止压载水中微生物复苏，从而实现对远洋船舶装载的全球不同区域压载水进行处理而最新研发的成套设备。该系统研发历时3年多时间，在中国船级社的全程监督下，通过了东海、黄海、长江三大水域的各种试验，包括20T小试、200T陆基试验、200T和1500T实船试验等，并对微滤膜进行了900h耐久性试验及其它单项试验，充分证明了该系统的可靠性，排放水质完全符合公约要求，各项技术性能指标均达到了预期目标。该系统的应用使船舶的压载水排放达到了世界公约标准的要求，其研制成功填补了国内该技术领域的空白，技术达到世界先进水平，对于提高我国船舶配套关键设备国际竞争力、保护海洋生态环境具有重要意义，将产生显著的经济和社会效益。该系统现已获得中国船级社、美国船级社、法国船级社、英国船级社、意大利船级社及日本船级社的型式认可证书，并已进入美国海岸警卫队（USCG）试验认证阶段，预计于2017年获得USCG证书。

本文对江苏南极机械公司倪氏压载水管理系统的研发过程进行了追踪，展示了我国民营企业在军民两用技术与产品开发中勇往直前，创新开拓的风采。

倪氏压载水管理系统开发的背景

众所周知，当前海洋资源的开发和利用已成为世界各国竞争的焦点，由此带来的海洋运输业的空前发展、远洋船舶航行中大量压载水造成的有害水生物和病原体的传播已被世界环保基金会认定为海洋面临的四大危害之一。据称，世界上每年约有100亿吨压载水在各个港口之间流动，约有3000种浮游生物和指示菌传播到各地。而由于被迁移地没有“天敌”，部分生物的泛滥对当地的生态造成了较为严重的破坏。

我国海岸线长约18000千米，拥有126个开放国际港口。2001年进入辽宁省水域的压载水量达5.3亿吨；2004年增长至10.8亿吨，而全国的数字远比此高得多，外来入侵的生物物种迅速繁殖，掠夺、灭杀了本地物种。近年来，在我国海域，由于外来生物而频繁发生的赤潮，每年造成渔业损失高达亿元左右，这也与外国轮船排放的压载水中含有有毒红藻密切相关。据上海海洋大学统计，上海港每年进出港船舶达2万多艘次，其中1000多艘在港期间需要排放压载水，重量达数亿吨。据国家环保局2006年统计，由压载水中外来生物造成的直接经济损失约574亿元。

为了对压载水的排放进行管理，早在1973年，国际环境污染大会就提出并要求国际海事组织（IMO）和世界贸易组织（WTO）对压载水的处理和排放问题进行研究，但与船舶产生的其它污染物如油污水和生活污水等相比，压载水量大，牵涉生物学的检测难度大，标准难以确定。2004年4月，IMO通过了《船舶压载水及其沉积物控制和管理国际公约》。但该公约规定需30个成员国加入，且成员国的净载重吨位达到全世界的35%才能生效。根据最新消息，2016年9月8日，芬兰批准加入该公约。随着芬兰的加入，已经批准加入IMO压载水管理公约的国家数量达到了52个，总运力已经达到全球商船吨位的约35.14%，超过了35%的要求，这意味着国际压载水管理公约将从2017年9月8日生效，标志着停止水生入侵物种扩散迈出了里程碑式的一步。

此外，美国为保护其环境，制定了美国本土的压载水规定，并于2012年强制执行，列入“联邦法规”第77卷57号。这样，不管国际公约生效与否，进入美国水域的船舶都必须安装压载水管理系统。

因此，为了保护海洋生态环境，达到国际海洋航行标准，瞄准国内外船舶压载水管理系统市场，江苏南极机械公司开始了其压载水管理系统研发的征程。

压载水管理系统开发现状

为了推进先进的压载水管理系统的应用，联合国在全球范围内发起了名为“帮助发展中国家克服有效实施船舶压载水管理和控制方面的困难的项目”，简称“全球压载水管理项目”，总投资760万美元。我国、巴西、印度、伊朗、南非和乌克兰等6个国家入选参加该项目并获得了资助。该项目的发起对我国压载水处理事业的发展起到了带动作用。大连海事大学张硕慧教授解释了国际公约，并统计和比较了现有25种压载水处理技术后认为，提高压载水处理技术的有效性，要从压载水物理化学性质、所选择的指示性生物物质、分析技术方法来确定工艺流程。张硕慧教授带领的研究团队还进行了氯杀菌剂对细菌和藻类的忍受率的试验研究，试验结果显示，要达到D-2排放标准要求，氯添加量要达到20mg/L；有的浮游藻类因耐受性强可能需要较高的氯含量，例如，扁藻在氯化处理中有效氯含量即使高达40mg/L，仍不能达到去除的目的。美国通过试验确定，压载水的处理必须添加不少于20mg/L的氯剂。

研究表明，采用紫外线（UV）对压载水进行处理具有效率高、无有机物存活、无需化学品、无毒性副产物、所需空间小、操作维护方便等优点，但其也存在诸如海水混浊影响效率，必须附加精滤增加成本，小的有机体隐藏在大的有机体的阴影位置照不到光线，有些有机体（如双鞭藻胞子）甚至在紫外线光照强度达到1600mW/cm2时仍能存活，UV光照时间过长会引起微生物基因突变，以及长期在UV光照下塑料管会快速老化等问题。此外，采用UV技术同时还需采用精度达20μm的过滤装置才能避免水的浊度对紫外线灭活效果产生重大影响，UV虽然对细菌和浮游植物有抑制效果，但这些生物有可能在延续的培养中恢复生长能力。

事实上，压载水处理作为一个新兴行业，尚处于不断探索的过程中。此外，《国际压载水和沉积物控制和管理公约》本身也正处于不断完善的过程中，IMO陆续公布了54个补充通函和多项解释，包括G1、G2，直至G14，其中还有修订版本。目前，一些国际、国内先行者已着手研发压载水处理系统样机，并已开始按IMO的要求进行试验，也已有相关产品陆续推出。

▲ NiBallastTMBWMS压载水管理系统（200T）

江苏南极机械公司早在2006年就已开始关注压载水处理新兴产业市场，在进行了充分的调查和研究，以及在对技术路线进行反复论证的基础上，启动了压载水管理系统的研发工作。

虽然江苏南极机械公司曾经开展过船用生活污水处理等产品的研发工作，也拥有陆上城市生活污水处理，以及食品、印染、毛纺等行业污水处理的经验，但压载水处理与这些污水处理的对象有所不同，需“对症下药”，选择合适的处理工艺。此外，压载水处理是一个新兴产业，尚没有成熟的经验可以借鉴，必须“全面创新”。同时，随着船舶配套产业的日益成熟，为了实现转型升级，江苏南极机械公司通过文献查阅，深入研讨，成功自主开发出了倪氏压载水管理系统，使公司的产值实现了稳步增长。

倪氏压载水管理系统的研发过程

▲ 压载水管理系统总装车间

在倪氏压载水管理系统研发启动之初，江苏南极机械公司的科研人员开展了大量的文献研究。科研人员在各种期刊上共收集了上百篇相关文章，查阅了IMO几百篇文件资料和几十项专利文献，并进行了深入的学习、分析，邀请专家对技术路线进行了充分研讨。此外，江苏南极机械公司作为制造型企业，没有充足的条件开展基础研究，只能在大量实验的基础上进行应用研究，这就使得其在压载水管理系统的研发中面临着时间和资金方面的严重挑战。

首先，在时间方面，如果使用化学试剂（IMO公约称为“活性物质”）进行压载水的处理，就要根据公约的G9导则要求，进行有关毒性物质对环境影响的评估程序，需耗时1.5年～2.5年。其次，从环境总容量来计算，压载水处理的水量非常大，如采用添加化学试剂的处理工艺，势必会造成二次污染，还会腐蚀舱壁，对船舶的安全营运带来隐患。以加氯处理工艺为例，每吨压载水要添加20g氯剂，如全部采用此工艺处理压载水，每年100亿吨压载水要向海洋中投放20万吨氯剂。而2015年举行的第68次IMO海上环境保护委员会（MEPC）会议发文规定，排放水中的含氯量标准由0.5mg/L降低至0.1mg/L，加拿大五大湖的排放水中的含氯量更是严格到0.038mg/L，因此，不能采用化学试剂压载水处理工艺。

在资金方面，江苏南极机械公司是一家民营企业，全部开发投入均依靠自筹资金，研发过程不允许有大的反复，必须确保研发路线选择正确。一旦路线错误，不仅会造成巨额投入损失，也会造成研发周期的延长。

为解决这两方面的问题，科研人员经过多次实验，最终决定采用“自制滤器+膜法分离+氮气驱氧技术”的技术路线，在压载舱内保持氮气有效正压，适用于长、短航程，可使微生物不再繁殖，减轻舱壁腐蚀，沉积物少，且耗电量极小。

科研人员对国、内外目前应用于大流量压载水处理的滤器进行了测试。测试结果表明，这些滤器在船舶实际使用条件下达不到压载水的通量要求，还经常出现堵塞现象。对此，科研人员自主设计了新型滤器，并从小型单只到大型复合各种样机开展了大量、反复实验，最终开发出了可处理大流量压载水的新型滤器。

对于行业中目前常用的紫外线处理工艺，科研人员发现，必须先去除直径20μm以上的杂质才有可能达到紫外线透射效果。USCG明确表示，低压UV技术只能击昏微生物，而对于大孢子、有壳虫卵，其3天后就会复活。若使用中压800W紫外灯管并使筒内壁涂层形成“电催化”氧化工艺，就需要执行G9环境评估程序，还需通过美国实验室的验证。对于像江苏南极机械公司这样的我国大部分民营企业来说，检验的时间成本和资金压力都是难以承受的。此外，现有已安装压载水管理系统的部分船舶在船舶停靠码头卸货时，甲板机械、货油泵、压载泵、压载水管理系统等同时运转，能耗巨大。因此，MEPC第65次会议规定，制造商要在提交给IMO的报告中增加能耗信息。江苏南极机械公司研发的倪氏压载水管理系统通过采用多项节能措施，大幅降低了能耗，解决了压载水管理系统的能耗瓶颈问题。

《船舶压载水及其沉积物控制和管理国际公约》2009年MEPC第18次会议提出，使用化学试剂的压载水管理系统在认证时要进行腐蚀试验。同时，腐蚀试验与型式认可试验必须采用同一水样，且生物性能试验、化学物质试验、毒性试验和腐蚀试验必须同时进行（即“四同时”）。江苏南极机械公司采用膜法分离技术和氮气驱氧技术对压载水进行处理，无需使用化学试剂，还可对压载舱舱壁形成良好的防腐作用，减轻船体的腐蚀。腐蚀试验结果表明，将裸钢浸没在海水中，充入氮气后的腐蚀率仅为不充氮的1/20。

此外，《船舶压载水及其沉积物控制和管理国际公约》不仅对压载水处理效果进行了规定，对沉积物的控制也提出了要求，而早期开发的压载水处理设备大都仅关注压载水的杀菌处理，忽视了沉积物的控制问题。IMO指出，如果不能有效清舱，压载水处理后仍会由于舱内沉淀淤泥污染而达不到检验标准。因此，该公约要求港口建立接收沉积物污泥的设施，但该项要求实施较为困难，且需要高额费用。江苏南极机械公司在倪氏压载水管理系统研发启动时就考虑了沉积物的控制和清除问题，设计采用膜分离技术进行压载水处理，处理后的沉积物显著减少，清舱工作任务得以减轻，用户仅需定时清洗、更换滤膜，即可保证压载水处理质量。

经过4年多的努力，江苏南极机械公司目前已完成了额定处理量从200m3/h到4000m3/h全部倪氏压载水管理系统系列装置的中国船级社（CCS）型式认可，同时也获得了英国、法国、日本、美国、意大利等船级社的型式认可证书，以及美国海岸警卫队的替代认可证书，可满足压载水国际公约的要求，为我国的压载水处理事业，以及海洋强国战略实施作出了贡献。

倪氏压载水管理系统的优势及应用前景

▲ NiBallastTMBWMS压载水管理系统（1500T）

倪氏压载水管理系统采用纯物理处理工艺、模块化设计，可采用组合方式达到不同的处理能力，既能满足散货船、集装箱船、海洋工程船等船舶的需求，还能满足油船、液化气船、化学品船等特殊船舶的要求，产品适用范围广。江苏南极机械公司的科研人员攻克了微滤膜在大流量压载水方面的应用及反冲等技术难题，与其它处理技术相比，该系统具有以下特点：除氮气外，不添加任何化学试剂，可避免造成二次污染；采用模块化设计，适合各类新、老船舶安装；节能省电，维护、运行成本低，操作简便；进入压载舱的沉积物极少，可大量减少清舱工作；氮气对压载舱舱壁具有良好的防腐保护作用，可减轻船体的腐蚀；对处理水的盐度、温度无要求；适用于长、短航程。

据统计，《船舶压载水及其沉积物控制和管理国际公约》生效后，除新船必须安装压载水处理设备以外，还有约68000艘旧船需要加装压载水处理设备，以在5年内所有船舶加装完成来计算，全世界每小时就要生产1台设备，市场需求量巨大。按照2014年的统计数据，全世界有67家制造商的压载水管理产品正在开发或已供应市场，获得美国临时AMS（美国仓单系统）证的有45家，继续申请USCG型式认可的目前有30家，最终真正能获得美国USCG认可证书的估计仅为一半。2010年，江苏南极机械公司成为我国第9家向IMO申请型式认可的研发厂商；2013年11月，江苏南极机械公司成为我国第5家取得美国AMS替代证书的厂商；目前，江苏南极机械公司是我国唯一一家申请到美国本土实验室开展USCG型式认可的厂商。

倪氏压载水管理系统自研发成功以来，已在散货船、油船、化学品船、公务船、海洋工程船等各类船型中获得了广泛应用，性能稳定，得到了用户的广泛认可。为了有效提升压载水管理系统及其它新产品的科研、生产能力，2013年，江苏南极机械公司在江苏省泰兴市高新技术产业开发区总投资7亿多元，分两期进行项目建设。目前，一期工程6幢现代化厂房和2幢行政、研发大楼已全面竣工，首批70多台（套）数控车床、焊接机器人等大型智能化设备也已安装到位并投入生产。项目全面建成后，将达到20亿元规模的年生产能力，江苏南极机械公司将成为舰船配套和船舶防污染设备的重点科研生产基地，为国内外客户提供专业、满意的服务。

未来，江苏南极机械有限责任公司将在“全面创新”的道路上破解制约创新驱动发展的突出矛盾和问题，找准技术突破口，集中资源和力量，打通科技向实用性转化的通道，创造新的经济增长点，加快实现经济发展，为保护全球海洋生态环境作出积极的贡献。