重力法海冰脱盐设施与海冰固态重力脱盐方法

摘要

本发明提供一种用重力法海冰脱盐设施，以及用该设施进行的海冰固态重力脱盐方法。重力法海冰脱盐设施包括进料装置、重力脱盐池、盐水观测井、成品传输装置和存储池。海冰固态重力脱盐方法包括：取海冰原冰，通过进料装置堆放于重力脱盐池；使冰体内部的卤水在重力作用下排出；收集经脱盐的固态冰晶，转入存储池，自然环境融化。该方法主要依靠自然能源，系统所耗能量很小，清洁、无污染；属于纯物理脱盐过程，且所排出卤水可进行回收晒盐，环境友好；原冰利用率高；脱盐时间短；设施结构简单，维护量小，易于推广；在不适宜使用其它海水淡化方法的低温环境下可有效使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备淡水的设施和方法，特别涉及一种通过重力法使海冰淡化从而制备淡水的设施和海冰固态重力脱盐的技术方法，其属于间接海水淡化。

背景技术

随着全球淡水资源的日益短缺，寻找和扩大新水源以增加淡水资源总量已经成为迫在眉睫的世界性课题。而且随着陆地水源开发利用强度的不断加大，可供人类开采使用的地表水和地下水越来越少，向大海要水已经成为世界各缺水国水资源开发利用的基本战略。目前，国内外主要的海水直接淡化方法有蒸馏法和膜法。这类技术主要通过利用物理化学方法脱除海水原水中的大部分盐类，使处理后的产水达到生活用水标准。但海水直接淡化利用技术不仅需要较高的设备投资，也需要较大的能源投入，因而其造水成本也比较高。

环渤海地区是我国北方的重要经济地带，也是京津唐、辽中南、山东半岛大都市区集中发展的地带。快速城市化造成这一地区淡水人均拥有量大幅度减少，大部分城市和地区的人均水资源量已低于500m³，其中大连、天津、北京、青岛等城市的人均水资源量甚至低于180m³，处于严重短缺状况。环渤海地区已成为我国淡水资源最缺乏的地区之一。

环渤海地区冬季气候寒冷，在冷空气和寒潮的侵袭下，部分海区的海水发生冻结，形成较大面积的季节性海冰区。据初步估算，渤海重冰年海冰的潜在储量可达到500亿立方米以上，如果这部分海冰能够通过某种技术方法被处理成淡水，将为我国北方缺水地区提供新型后备淡水资源。

海冰是海水热量损失到临界状态(温度低于海水的冰点)并持续冷却的产物，即海水冻结物。海冰盐度是指海冰融水盐度。由于海水在自然冻结过程中将大量盐分排出冰体，所以海冰盐度大大低于海水。通常渤海海水盐度为28～32‰，海冰盐度一般为6～8‰，即海水经过自然冻结过程可除掉80％左右的盐分。

海冰主要由多边形的纯冰晶、卤水、空气和少量固体杂质组成。纯冰晶就是淡水。卤水是海水冻结所形成的高浓度盐水，它构成海冰盐分的主体部分。海冰结构的基本特征就是不含盐的六角形冰晶体按晶架结构紧密的排列在一起，卤水和空气被封闭于二个或多个冰晶体晶壁之间，形成了所谓的“卤水胞”。海冰中这种主要为液-固两相共生的混合结构奠定了海冰脱盐淡化的基础，如果通过某种方法将海冰冰体中的卤水除去，海冰就可以变成淡水冰。

发明内容

本发明基于利用自然能源以降低脱盐成本的考虑，主要根据海冰内冰晶体与卤水胞排列的结构特点，在合理低温时，通过重力作用进行排盐。重力法海冰脱盐设施针对海冰冰晶体间间隙小、卤水通道方向不规则、卤水向下移动困难、致使移动速度缓慢等问题，在-10～2℃环境温度下，通过海冰与空气间适量的热量交换，促使卤水在重力作用下沿冰晶体间隙向下移动，可以大大缩短排盐时间。本发明利用堆积冰体内部压力、温差以及重力等作用，在保证冰晶体基本上处于固体冻结状态的前提下，使卤水在重力和静水压的作用下随微量海冰融水沿盐水通道排出。

因此，本发明的目的在于提供一种重力法海冰脱盐设施，即将海冰大体按一定要求置入海冰脱盐设施内，通过重力作用实现海冰的固态脱盐。本发明的另一个目的在于提供一种海冰固态重力脱盐方法。本发明的具体技术方案如下：

首先，本发明提供一种重力法海冰脱盐设施，包括：进料装置，用于海冰进料，安置在重力脱盐池进料口；重力脱盐池，用于海冰脱盐，池底面有坡度；盐水观测井，设置在重力脱盐池一角，在该角处重力脱盐池的池底具有最低点，盐水观测井与重力脱盐池通过排盐孔相连，盐水观测井底部还具有盐水排放管路和阀门；成品传输装置，用于将经淡化的海冰移入存储池；存储池，用于存放经淡化的海冰。

在本发明的重力法海冰脱盐设施中，重力脱盐池建于地表面以上，池的底面与地面高度相同，深度为0.8～1.2m，容积不小于30m³，重力脱盐池底面的坡度为2～5‰。

在本发明的重力法海冰脱盐设施中，盐水观测井的下部深度比重力脱盐池的底面高度低0.5～1.5m。盐水观测井容积不大于重力脱盐池容积的1/10，并且不小于1.5m³。

其次，本发明提供一种海冰固态重力脱盐方法，该方法包括：取海冰原冰，通过进料装置堆放于重力脱盐池；使冰体内部的卤水在重力作用下排出；收集经脱盐的固态冰晶，转入存储池，自然环境融化。

在本发明的海冰固态重力脱盐方法中，脱盐环境温度保持在-10～2℃，脱盐时间为8～14天，优选10～12天。

在本发明的海冰固态重力脱盐方法中，当重力脱盐池内冰堆体底部30cm处海冰的融水盐度≤1‰时，将重力脱盐池内经淡化的海冰移入存储池。

在本发明的海冰固态重力脱盐方法中，还包括收集排出的卤水。

本发明具有以下特点：主要依靠自然能源(重力能和太阳辐射)，系统所耗能量很小。脱盐时间10～12天，淡化海冰水盐度低于1‰。海冰原冰利用率高，脱盐后的淡水冰量可达到原冰量的65％。属于物理脱盐过程，且所排出卤水可进行回收晒盐，环境友好。系统装置结构简单，维护量小，运行安全，易于推广。

附图说明

图1是表示本发明重力法海冰脱盐设施的结构示意图。

图2是表示重力脱盐及排盐回收部分的立体示意图。

图3是表示重力脱盐池堆冰析出盐水盐度与温度变化关系的图表。

图4是表示重力脱盐池堆冰析出盐水盐度与太阳辐射强度变化关系的图表。

图5是表示重力脱盐池堆冰析出盐水盐度与风速变化关系的图表。

图6是表示2#重力脱盐池堆冰剖面冰层盐度分布的图表。

具体实施方式

现在具体描述根据本发明重力法海冰脱盐设施的一个具体实例的各部分的设计及安装。

参考图1，根据本发明的一种重力法海冰脱盐设施由如下部分组成：进料装置1、重力脱盐池2、盐水观测井3、成品传输装置4和存储池5。

进料装置1

进料装置是安置在重力脱盐池进料口用于输入原冰的装置，例如可以是一种传送带装置，参见图1，其尺寸和功率可根据生产规模以及脱盐池容积进行调整。

重力脱盐池2

重力脱盐池例如可以是建在室外地表面之上、开口向上、底部及四壁不透水的水泥池，参见图2，但不限于此。其形状没有限制，可以是长方形或正方形。脱盐池底部与地面高度相同，脱盐池设计深度一般在0.8～1.2m，其容积可根据实际条件进行调整，一般不小于30m³。脱盐池底面略带有坡度，坡度可以为2～5‰(即脱盐池底面与水平面的夹角)，但是该坡度随脱盐池尺寸的变化可以有所变化。由于该坡度，池内的水可以自然汇集到设置在脱盐池一角的盐水观测井，脱盐池底面的最低点设置在该处。

盐水观测井3

盐水观测井例如可以是设置在重力脱盐池一角的开口向上、底部及四壁不透水的水泥池，参见图2。其形状没有限制，可以是长方形、正方形或圆形。井的上部高度可以与重力脱盐池上沿相同，下部深度比脱盐池底面高度低0.5～1.5m，优选低1m，容积不大于脱盐池的1/10，一般不小于1.5m³。盐水观测井井壁与脱盐池底部交汇处设有一个或多个排盐孔，其孔径没有限制，一般为30～60mm，优选为50mm，孔间距根据井的大小而定，一般为0.1～0.3m，优选为0.2m。孔的重力脱盐池一端略高于盐水观测井一端，可用例如PVC管导流。盐水观测井底部安有盐水排放管路(例如PVC管，用于排放/回收排出的盐水)和阀门，盐水排放管路通往重力法海冰脱盐设施之外，并可与另外的盐水排放/回收设施相连接，管路的管径没有限制，例如可以为100mm～150mm。

成品传输装置4

成品传输装置例如可以是安置在重力脱盐池进料口对面池壁上、用于将脱盐后淡化的冰移入存储池的闸门装置，参见图1，其尺寸可根据重力脱盐池出料口一侧的池壁宽度确定，一般单体闸门宽度不小于1.2m，不大于2.5m。

存储池5

存储池例如可以是建在室外地表面之下、开口向上、底部及四壁经过防水处理的池子，参见图1，但不限于此。存储池边缘的上沿与地面高度相同，设计深度一般在2～3m，开口面积可根据实际条件确定，例如可以是重力脱盐池的5倍以上，容积可根据实际条件进行调整，一般不小于重力脱盐池的10倍。

根据本发明重力法海冰脱盐设施的一个具体实例按上述要求修建安装完毕后，系统就可运行，即可实施根据本发明的海冰固态重力脱盐方法。在该具体实例中，重力法海冰脱盐设施运行的工艺流程为：取海冰原冰，将海冰原冰通过进料装置的传送带送入并堆放在重力脱盐池内，环境平均温度保持在-10～2℃。池内海冰中的卤水在重力作用下沿冰内盐水通道不断排出冰体外并下沉到脱盐池底部，进而沿脱盐池底倾斜面汇流到盐水观测井。动态监测井内盐水的盐度变化，并不断将井内的浓盐水排出，同时每天监测冰堆底部30cm处冰体的盐度。如果冰堆底部30cm处冰体的盐度降低到所定标准，例如在本具体实例中为当冰体的融水盐度≤1‰时，则结束重力脱盐过程，并将脱盐池内的经淡化的海冰移入到用于存储经淡化海冰的存储池，经淡化的海冰最后自然融化成淡水。

上述方法中，其中的环境温度是指户外天气温度。

实施例：重力法海冰脱盐试验

试验时间为2005年1月17日至2005年1月30日。试验地点为河北省沧州市临港经济技术开发区(原中捷友谊农场：东经117°21′，北纬36°22′)。脱盐设施采用依前述具体实例建造的重力法海冰脱盐设施。试验用冰取自渤海湾，成冰时海水盐度约为32.7‰，海冰盐度为5.0～5.2‰，冰厚平均约10～15cm。

重力法海冰脱盐设施的环境要素背景值：在1月17日到1月30日期间，多日平均太阳辐射强度为119.2w/m²；日均气温为-4.87℃～-0.22℃，多日平均气温为-2.37℃；日均地温为-2.4℃～-0.8℃，多日平均地温为-0.96℃；多日平均风速为3.28m/s。

重力法海冰脱盐设施设定条件：重力脱盐池外型尺寸为5m×6m×1m，脱盐池内堆放海冰原冰体积约30m³，冰体堆高顶点为2m，每10天沿垂直方向进行冰堆分层取样，取样点从池底向上每30cm取一个样品，测其融水盐度。

试验结果：从表1、图3、图4以及图5可以看出重力脱盐池冰堆排出浓盐水盐度总体上随着太阳辐射强度的增大及温度(气温和地温)的升高而降低，而且其变化趋势与所监测环境要素大体一致。此外，还可以看出冰堆排出盐水盐度总体趋于降低。合理低温时，海冰堆积时间为10天以上，重力脱盐池冰堆除低部冰层外，盐度均小于1‰，如图6所示。海冰堆高为2m时，单体重力脱盐池生产能力约为20m³/(30m²·10d)淡化冰，冰期总生产能力约为110m³淡水，出水率为65％左右。

                  表1  重力脱盐池盐水排出体积与盐度以及日均气温和风速

  日期     1^#脱盐池盐水     2^#脱盐池盐水  日均气温  (℃)  日均风速  (m/s)  盐度(‰)  体积(m³)  盐度(‰)  体积(m³)  1月17日  1月18日  1月19日  1月20日  1月21日  1月22日  1月23日  1月24日  1月25日  1月26日  1月27日  1月28日  1月29日  1月30日  50.8  52.8  54.9  57.1  52.1  51.3  54.7  45.5  43.5  40.7  42.1  38.0  47.3  49.0  0.72  0.67  0.59  0.57  0.52  0.68  0.75  0.71  0.73  0.48  0.70  0.81  0.53  0.39  48.6  55.6  43.5  42.7  41.7  42.0  45.3  39.9  39.8  30.2  32.4  26.1  32.4  33.2  0.68  0.67  0.61  0.63  0.54  0.72  0.84  0.75  0.79  0.60  0.81  0.85  0.58  0.49  -1.42  -1.34  -2.02  -2.02  -2.40  -0.38  0.20  -0.37  0.32  -1.73  0.63  0.80  -1.48  -2.24     1.710  2.585  2.918  2.856  3.629  2.341  1.736  2.535  4.506  3.968  2.399

                            表2  重力脱盐效果及相关参数

     冰料(固态)       出水(液态)  出水率  (％)  日产  (m³/d)  冰期总产  (m³/a)  体积  (m³)  盐度  (‰)  体积  (m³)  盐度  (‰)  1^#脱盐池  30  5.1  15.77  0.9  66.54  1.577  110.39  2^#脱盐池  30  5.1  15.21  0.6  64.18  1.521  106.47

注：生产周期10d；运行时间70d；合计日产3.1m³；合计年产216.9m³。