專利名稱：重力法海冰脫鹽設(shè)施與海冰固態(tài)重力脫鹽方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備淡水的設(shè)施和方法，特別涉及一種通過重力法使海冰淡化從而制備淡水的設(shè)施和海冰固態(tài)重力脫鹽的技術(shù)方法，其屬于間接海水淡化。
背景技術(shù)：
隨著全球淡水資源的日益短缺，尋找和擴(kuò)大新水源以增加淡水資源總量已經(jīng)成為迫在眉睫的世界性課題。而且隨著陸地水源開發(fā)利用強(qiáng)度的不斷加大，可供人類開采使用的地表水和地下水越來越少，向大海要水已經(jīng)成為世界各缺水國水資源開發(fā)利用的基本戰(zhàn)略。目前，國內(nèi)外主要的海水直接淡化方法有蒸餾法和膜法。這類技術(shù)主要通過利用物理化學(xué)方法脫除海水原水中的大部分鹽類，使處理后的產(chǎn)水達(dá)到生活用水標(biāo)準(zhǔn)。但海水直接淡化利用技術(shù)不僅需要較高的設(shè)備投資，也需要較大的能源投入，因而其造水成本也比較高。
環(huán)渤海地區(qū)是我國北方的重要經(jīng)濟(jì)地帶，也是京津唐、遼中南、山東半島大都市區(qū)集中發(fā)展的地帶?？焖俪鞘谢斐蛇@一地區(qū)淡水人均擁有量大幅度減少，大部分城市和地區(qū)的人均水資源量已低于500m3，其中大連、天津、北京、青島等城市的人均水資源量甚至低于180m3，處于嚴(yán)重短缺狀況。環(huán)渤海地區(qū)已成為我國淡水資源最缺乏的地區(qū)之一。
環(huán)渤海地區(qū)冬季氣候寒冷，在冷空氣和寒潮的侵襲下，部分海區(qū)的海水發(fā)生凍結(jié)，形成較大面積的季節(jié)性海冰區(qū)。據(jù)初步估算，渤海重冰年海冰的潛在儲量可達(dá)到500億立方米以上，如果這部分海冰能夠通過某種技術(shù)方法被處理成淡水，將為我國北方缺水地區(qū)提供新型后備淡水資源。
海冰是海水熱量損失到臨界狀態(tài)(溫度低于海水的冰點(diǎn))并持續(xù)冷卻的產(chǎn)物，即海水凍結(jié)物。海冰鹽度是指海冰融水鹽度。由于海水在自然凍結(jié)過程中將大量鹽分排出冰體，所以海冰鹽度大大低于海水。通常渤海海水鹽度為28～32‰，海冰鹽度一般為6～8‰，即海水經(jīng)過自然凍結(jié)過程可除掉80％左右的鹽分。
海冰主要由多邊形的純冰晶、鹵水、空氣和少量固體雜質(zhì)組成。純冰晶就是淡水。鹵水是海水凍結(jié)所形成的高濃度鹽水，它構(gòu)成海冰鹽分的主體部分。海冰結(jié)構(gòu)的基本特征就是不含鹽的六角形冰晶體按晶架結(jié)構(gòu)緊密的排列在一起，鹵水和空氣被封閉于二個或多個冰晶體晶壁之間，形成了所謂的“鹵水胞”。海冰中這種主要為液-固兩相共生的混合結(jié)構(gòu)奠定了海冰脫鹽淡化的基礎(chǔ)，如果通過某種方法將海冰冰體中的鹵水除去，海冰就可以變成淡水冰。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于利用自然能源以降低脫鹽成本的考慮，主要根據(jù)海冰內(nèi)冰晶體與鹵水胞排列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在合理低溫時，通過重力作用進(jìn)行排鹽。重力法海冰脫鹽設(shè)施針對海冰冰晶體間間隙小、鹵水通道方向不規(guī)則、鹵水向下移動困難、致使移動速度緩慢等問題，在-10～2℃環(huán)境溫度下，通過海冰與空氣間適量的熱量交換，促使鹵水在重力作用下沿冰晶體間隙向下移動，可以大大縮短排鹽時間。本發(fā)明利用堆積冰體內(nèi)部壓力、溫差以及重力等作用，在保證冰晶體基本上處于固體凍結(jié)狀態(tài)的前提下，使鹵水在重力和靜水壓的作用下隨微量海冰融水沿鹽水通道排出。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種重力法海冰脫鹽設(shè)施，即將海冰大體按一定要求置入海冰脫鹽設(shè)施內(nèi)，通過重力作用實(shí)現(xiàn)海冰的固態(tài)脫鹽。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種海冰固態(tài)重力脫鹽方法。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下首先，本發(fā)明提供一種重力法海冰脫鹽設(shè)施，包括進(jìn)料裝置，用于海冰進(jìn)料，安置在重力脫鹽池進(jìn)料口；重力脫鹽池，用于海冰脫鹽，池底面有坡度；鹽水觀測井，設(shè)置在重力脫鹽池一角，在該角處重力脫鹽池的池底具有最低點(diǎn)，鹽水觀測井與重力脫鹽池通過排鹽孔相連，鹽水觀測井底部還具有鹽水排放管路和閥門；成品傳輸裝置，用于將經(jīng)淡化的海冰移入存儲池；存儲池，用于存放經(jīng)淡化的海冰。
在本發(fā)明的重力法海冰脫鹽設(shè)施中，重力脫鹽池建于地表面以上，池的底面與地面高度相同，深度為0.8～1.2m，容積不小于30m3，重力脫鹽池底面的坡度為2～5‰。
在本發(fā)明的重力法海冰脫鹽設(shè)施中，鹽水觀測井的下部深度比重力脫鹽池的底面高度低0.5～1.5m。鹽水觀測井容積不大于重力脫鹽池容積的1/10，并且不小于1.5m3。
其次，本發(fā)明提供一種海冰固態(tài)重力脫鹽方法，該方法包括取海冰原冰，通過進(jìn)料裝置堆放于重力脫鹽池；使冰體內(nèi)部的鹵水在重力作用下排出；收集經(jīng)脫鹽的固態(tài)冰晶，轉(zhuǎn)入存儲池，自然環(huán)境融化。
在本發(fā)明的海冰固態(tài)重力脫鹽方法中，脫鹽環(huán)境溫度保持在-10～2℃，脫鹽時間為8～14天，優(yōu)選10～12天。
在本發(fā)明的海冰固態(tài)重力脫鹽方法中，當(dāng)重力脫鹽池內(nèi)冰堆體底部30cm處海冰的融水鹽度≤1‰時，將重力脫鹽池內(nèi)經(jīng)淡化的海冰移入存儲池。
在本發(fā)明的海冰固態(tài)重力脫鹽方法中，還包括收集排出的鹵水。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)主要依靠自然能源(重力能和太陽輻射)，系統(tǒng)所耗能量很小。脫鹽時間10～12天，淡化海冰水鹽度低于1‰。海冰原冰利用率高，脫鹽后的淡水冰量可達(dá)到原冰量的65％。屬于物理脫鹽過程，且所排出鹵水可進(jìn)行回收曬鹽，環(huán)境友好。系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)量小，運(yùn)行安全，易于推廣。


圖1是表示本發(fā)明重力法海冰脫鹽設(shè)施的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是表示重力脫鹽及排鹽回收部分的立體示意圖。
圖3是表示重力脫鹽池堆冰析出鹽水鹽度與溫度變化關(guān)系的圖表。
圖4是表示重力脫鹽池堆冰析出鹽水鹽度與太陽輻射強(qiáng)度變化關(guān)系的圖表。
圖5是表示重力脫鹽池堆冰析出鹽水鹽度與風(fēng)速變化關(guān)系的圖表。
圖6是表示2#重力脫鹽池堆冰剖面冰層鹽度分布的圖表。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在具體描述根據(jù)本發(fā)明重力法海冰脫鹽設(shè)施的一個具體實(shí)例的各部分的設(shè)計(jì)及安裝。
參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的一種重力法海冰脫鹽設(shè)施由如下部分組成進(jìn)料裝置1、重力脫鹽池2、鹽水觀測井3、成品傳輸裝置4和存儲池5。
進(jìn)料裝置1進(jìn)料裝置是安置在重力脫鹽池進(jìn)料口用于輸入原冰的裝置，例如可以是一種傳送帶裝置，參見圖1，其尺寸和功率可根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模以及脫鹽池容積進(jìn)行調(diào)整。
重力脫鹽池2重力脫鹽池例如可以是建在室外地表面之上、開口向上、底部及四壁不透水的水泥池，參見圖2，但不限于此。其形狀沒有限制，可以是長方形或正方形。脫鹽池底部與地面高度相同，脫鹽池設(shè)計(jì)深度一般在0.8～1.2m，其容積可根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行調(diào)整，一般不小于30m3。脫鹽池底面略帶有坡度，坡度可以為2～5‰(即脫鹽池底面與水平面的夾角)，但是該坡度隨脫鹽池尺寸的變化可以有所變化。由于該坡度，池內(nèi)的水可以自然匯集到設(shè)置在脫鹽池一角的鹽水觀測井，脫鹽池底面的最低點(diǎn)設(shè)置在該處。
鹽水觀測井3鹽水觀測井例如可以是設(shè)置在重力脫鹽池一角的開口向上、底部及四壁不透水的水泥池，參見圖2。其形狀沒有限制，可以是長方形、正方形或圓形。井的上部高度可以與重力脫鹽池上沿相同，下部深度比脫鹽池底面高度低0.5～1.5m，優(yōu)選低1m，容積不大于脫鹽池的1/10，一般不小于1.5m3。鹽水觀測井井壁與脫鹽池底部交匯處設(shè)有一個或多個排鹽孔，其孔徑?jīng)]有限制，一般為30～60mm，優(yōu)選為50mm，孔間距根據(jù)井的大小而定，一般為0.1～0.3m，優(yōu)選為0.2m?？椎闹亓γ擕}池一端略高于鹽水觀測井一端，可用例如PVC管導(dǎo)流。鹽水觀測井底部安有鹽水排放管路(例如PVC管，用于排放/回收排出的鹽水)和閥門，鹽水排放管路通往重力法海冰脫鹽設(shè)施之外，并可與另外的鹽水排放/回收設(shè)施相連接，管路的管徑?jīng)]有限制，例如可以為100mm～150mm。
成品傳輸裝置4成品傳輸裝置例如可以是安置在重力脫鹽池進(jìn)料口對面池壁上、用于將脫鹽后淡化的冰移入存儲池的閘門裝置，參見圖1，其尺寸可根據(jù)重力脫鹽池出料口一側(cè)的池壁寬度確定，一般單體閘門寬度不小于1.2m，不大于2.5m。
存儲池5存儲池例如可以是建在室外地表面之下、開口向上、底部及四壁經(jīng)過防水處理的池子，參見圖1，但不限于此。存儲池邊緣的上沿與地面高度相同，設(shè)計(jì)深度一般在2～3m，開口面積可根據(jù)實(shí)際條件確定，例如可以是重力脫鹽池的5倍以上，容積可根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行調(diào)整，一般不小于重力脫鹽池的10倍。
根據(jù)本發(fā)明重力法海冰脫鹽設(shè)施的一個具體實(shí)例按上述要求修建安裝完畢后，系統(tǒng)就可運(yùn)行，即可實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的海冰固態(tài)重力脫鹽方法。在該具體實(shí)例中，重力法海冰脫鹽設(shè)施運(yùn)行的工藝流程為取海冰原冰，將海冰原冰通過進(jìn)料裝置的傳送帶送入并堆放在重力脫鹽池內(nèi)，環(huán)境平均溫度保持在-10～2℃。池內(nèi)海冰中的鹵水在重力作用下沿冰內(nèi)鹽水通道不斷排出冰體外并下沉到脫鹽池底部，進(jìn)而沿脫鹽池底傾斜面匯流到鹽水觀測井。動態(tài)監(jiān)測井內(nèi)鹽水的鹽度變化，并不斷將井內(nèi)的濃鹽水排出，同時每天監(jiān)測冰堆底部30cm處冰體的鹽度。如果冰堆底部30cm處冰體的鹽度降低到所定標(biāo)準(zhǔn)，例如在本具體實(shí)例中為當(dāng)冰體的融水鹽度≤1‰時，則結(jié)束重力脫鹽過程，并將脫鹽池內(nèi)的經(jīng)淡化的海冰移入到用于存儲經(jīng)淡化海冰的存儲池，經(jīng)淡化的海冰最后自然融化成淡水。
上述方法中，其中的環(huán)境溫度是指戶外天氣溫度。
實(shí)施例重力法海冰脫鹽試驗(yàn)試驗(yàn)時間為2005年1月17日至2005年1月30日。試驗(yàn)地點(diǎn)為河北省滄州市臨港經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(原中捷友誼農(nóng)場東經(jīng)117°21′，北緯36°22′)。脫鹽設(shè)施采用依前述具體實(shí)例建造的重力法海冰脫鹽設(shè)施。試驗(yàn)用冰取自渤海灣，成冰時海水鹽度約為32.7‰，海冰鹽度為5.0～5.2‰，冰厚平均約10～15cm。
重力法海冰脫鹽設(shè)施的環(huán)境要素背景值在1月17日到1月30日期間，多日平均太陽輻射強(qiáng)度為119.2w/m2；日均氣溫為-4.87℃～-0.22℃，多日平均氣溫為-2.37℃；日均地溫為-2.4℃～-0.8℃，多日平均地溫為-0.96℃；多日平均風(fēng)速為3.28m/s。
重力法海冰脫鹽設(shè)施設(shè)定條件重力脫鹽池外型尺寸為5m×6m×1m，脫鹽池內(nèi)堆放海冰原冰體積約30m3，冰體堆高頂點(diǎn)為2m，每10天沿垂直方向進(jìn)行冰堆分層取樣，取樣點(diǎn)從池底向上每30cm取一個樣品，測其融水鹽度。
試驗(yàn)結(jié)果從表1、圖3、圖4以及圖5可以看出重力脫鹽池冰堆排出濃鹽水鹽度總體上隨著太陽輻射強(qiáng)度的增大及溫度(氣溫和地溫)的升高而降低，而且其變化趨勢與所監(jiān)測環(huán)境要素大體一致。此外，還可以看出冰堆排出鹽水鹽度總體趨于降低。合理低溫時，海冰堆積時間為10天以上，重力脫鹽池冰堆除低部冰層外，鹽度均小于1‰，如圖6所示。海冰堆高為2m時，單體重力脫鹽池生產(chǎn)能力約為20m3/(30m2·10d)淡化冰，冰期總生產(chǎn)能力約為110m3淡水，出水率為65％左右。
表1 重力脫鹽池鹽水排出體積與鹽度以及日均氣溫和風(fēng)速

表2 重力脫鹽效果及相關(guān)參數(shù)

注生產(chǎn)周期10d；運(yùn)行時間70d；合計(jì)日產(chǎn)3.1m3；合計(jì)年產(chǎn)216.9m3。
權(quán)利要求
1.重力法海冰脫鹽設(shè)施，包括進(jìn)料裝置，用于海冰進(jìn)料，安置在重力脫鹽池進(jìn)料口；重力脫鹽池，用于海冰脫鹽，池底面有坡度；鹽水觀測井，設(shè)置在重力脫鹽池一角，在該角處重力脫鹽池的池底具有最低點(diǎn)，鹽水觀測井與重力脫鹽池通過排鹽孔相連，鹽水觀測井底部還具有鹽水排放管路和閥門；成品傳輸裝置，用于將經(jīng)淡化的海冰移入存儲池；存儲池，用于存放經(jīng)淡化的海冰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力法海冰脫鹽設(shè)施，其中重力脫鹽池建于地表面以上，池的底面與地面高度相同，深度為0.8～1.2m，容積不小于30m3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力法海冰脫鹽設(shè)施，其中重力脫鹽池底面的坡度為2～5‰。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力法海冰脫鹽設(shè)施，其中鹽水觀測井的下部深度比重力脫鹽池的底面高度低0.5～1.5m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力法海冰脫鹽設(shè)施，其中鹽水觀測井容積不大于重力脫鹽池容積的1/10，并且不小于1.5m3。
6.海冰固態(tài)重力脫鹽方法，該方法包括(1)取海冰原冰，通過進(jìn)料裝置堆放于重力脫鹽池；(2)使冰體內(nèi)部的鹵水在重力作用下排出；(3)收集經(jīng)脫鹽的固態(tài)冰晶，轉(zhuǎn)入存儲池，自然環(huán)境融化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的海冰固態(tài)重力脫鹽方法，其中脫鹽環(huán)境溫度保持在-10～2℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的海冰固態(tài)重力脫鹽方法，其中脫鹽時間為8～14天。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的海冰固態(tài)重力脫鹽方法，其中當(dāng)重力脫鹽池內(nèi)冰堆體底部30cm處海冰的融水鹽度≤1‰時，將重力脫鹽池內(nèi)經(jīng)淡化的海冰移入存儲池。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的海冰固態(tài)重力脫鹽方法，其中該方法還包括收集排出的鹵水。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用重力法海冰脫鹽設(shè)施，以及用該設(shè)施進(jìn)行的海冰固態(tài)重力脫鹽方法。重力法海冰脫鹽設(shè)施包括進(jìn)料裝置、重力脫鹽池、鹽水觀測井、成品傳輸裝置和存儲池。海冰固態(tài)重力脫鹽方法包括取海冰原冰，通過進(jìn)料裝置堆放于重力脫鹽池；使冰體內(nèi)部的鹵水在重力作用下排出；收集經(jīng)脫鹽的固態(tài)冰晶，轉(zhuǎn)入存儲池，自然環(huán)境融化。該方法主要依靠自然能源，系統(tǒng)所耗能量很小，清潔、無污染；屬于純物理脫鹽過程，且所排出鹵水可進(jìn)行回收曬鹽，環(huán)境友好；原冰利用率高；脫鹽時間短；設(shè)施結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)量小，易于推廣；在不適宜使用其它海水淡化方法的低溫環(huán)境下可有效使用。
文檔編號C02F103/08GK1919742SQ20051009286
公開日2007年2月28日 申請日期2005年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月23日
發(fā)明者陳偉斌, 顧衛(wèi), 徐學(xué)仁, 許映軍 申請人:國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心