自然蒸發(fā)法海水曬鹽的自動(dòng)化技術(shù)研究

劉玉良，王朝海，王學(xué)鵬

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.舟山市海大科學(xué)技術(shù)研究院，浙江舟山 316041；3.浙江精宏機(jī)械有限公司，浙江舟山 316032）

自然蒸發(fā)法海水曬鹽的自動(dòng)化技術(shù)研究

劉玉良1,2,3，王朝海1,2，王學(xué)鵬3

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.舟山市海大科學(xué)技術(shù)研究院，浙江舟山 316041；3.浙江精宏機(jī)械有限公司，浙江舟山 316032）

在分析自然蒸發(fā)法海水曬鹽工藝流程的基礎(chǔ)上，論述了曬鹽的自動(dòng)化方案，然后應(yīng)用自制的小車替代人工完成打鹽花操作。小車機(jī)械部分基于尼龍材質(zhì)，使海水腐蝕問(wèn)題得到解決。調(diào)試結(jié)果表明，自制的小車能夠滿足打鹽花的速度和質(zhì)量要求，而且小車的底板、軸承、輪子、電路、軟件等全部自主設(shè)計(jì)和開發(fā)，有效地控制了成本，有利于在中小鹽場(chǎng)推廣應(yīng)用。

海水曬鹽；打鹽花；自動(dòng)化；海水腐蝕

海水曬鹽可分為工廠化曬鹽和自然蒸發(fā)法曬鹽，前者屬于新技術(shù)領(lǐng)域，通常與海水淡化協(xié)調(diào)進(jìn)行[1-2]，但我國(guó)的海水曬鹽大多屬于后者。我國(guó)現(xiàn)有海水鹽場(chǎng)約33.33萬(wàn)hm2，規(guī)模和產(chǎn)量均居世界第一[3]。其中，北方鹽場(chǎng)規(guī)模較大，機(jī)械化、自動(dòng)化程度較高。例如，年產(chǎn)300多萬(wàn)噸海鹽的長(zhǎng)蘆鹽場(chǎng)（圖1-a），自動(dòng)化率60%～80%，先進(jìn)程度已趕上墨西哥的黑勇士鹽場(chǎng)、澳大利亞的丹皮爾鹽場(chǎng)等[3-4]。但是，我國(guó)南方中小鹽場(chǎng)較多，大型機(jī)械化裝備不適用，這些中小鹽場(chǎng)技術(shù)更新緩慢，目前仍以千百年來(lái)最原始的人工方式（圖1-b）為主，普遍存在工作環(huán)境差、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，以及招工難、行業(yè)萎縮[5]等亟待解決的問(wèn)題。

圖1 海水曬鹽作業(yè)方式對(duì)比Fig.1 Comparison between the ways of drying salt from sea water

基于上述背景，本文在研究自然蒸發(fā)法海水曬鹽工藝流程的基礎(chǔ)上，針對(duì)單調(diào)、重復(fù)、又費(fèi)力的打鹽花環(huán)節(jié)，提出自動(dòng)化改進(jìn)方案，然后自制小車替代人工進(jìn)行打鹽花。本文主要論述打鹽花小車的機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和打鹽花效果。

1 海水曬鹽工藝流程概述

自然蒸發(fā)法海水曬鹽一般由蒸發(fā)池和結(jié)晶池組成，其中蒸發(fā)池面積較大。以面積1.33 hm2的典型鹽場(chǎng)為例，蒸發(fā)池占1 hm2以上，其余是對(duì)稱分布的結(jié)晶池。海水曬鹽包括壓灘、納潮、制鹵、曬鹵、收鹽等流程[5-7]，如圖2。所謂壓灘，就是用壓灘機(jī)把鹽池壓平壓實(shí)。納潮是利用海潮高漲引水入塘，要求鹽民熟知潮汐漲落、潮位高低、海水濃度變化等，以保證適時(shí)納入濃度高的海水。制鹵又叫蒸發(fā)，是海水吸收太陽(yáng)能，然后蒸發(fā)掉水分直至得到氯化鈉飽和溶液的過(guò)程，制鹵蒸發(fā)速度跟溫度、濕度、面積、風(fēng)力、風(fēng)向、母液所含溶質(zhì)、日照時(shí)間、鹵水深淺、池底黑膜顏色深淺[3]等緊密相關(guān)。

圖2 海水曬鹽流程Fig.2 Flow chart of drying salt from seawater

曬鹵又叫結(jié)晶，又細(xì)分為開池→沖池→打鹽花等過(guò)程，其中開池又叫開庭、開曬或灌池，就是將飽和鹵水放進(jìn)結(jié)晶池，在雨后或曬鹽淡季轉(zhuǎn)入旺季后進(jìn)行，一般上午為宜；沖池又叫加鹵或添鹵，是為了保持濃度而給結(jié)晶池補(bǔ)充飽和鹵水。

打鹽花就是將“鹽花”打沉。曬鹵過(guò)程，結(jié)晶核會(huì)在鹵水表面形成，當(dāng)太陽(yáng)幅射強(qiáng)、蒸發(fā)量大而又風(fēng)平浪靜的時(shí)候，鹵水表面的晶核優(yōu)先成長(zhǎng)，成為片狀或漏斗狀的“鹽花”而飄浮在鹵面上。這些“鹽花”遮蓋了鹵水表面，擋住了太陽(yáng)輻射，妨礙鹵水及池底吸熱，阻止了水分子逸出，從而影響水分蒸發(fā)和曬鹽效益。因此，打鹽花是曬鹵過(guò)程勞動(dòng)量最大而且十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。打鹽花之后是收鹽環(huán)節(jié)，是海水曬鹽的最后一道工序，一般用鹽耙將鹽從結(jié)晶池各個(gè)方向統(tǒng)一扒攏到中心堆起，再收至泥箕，然后由人工挑進(jìn)鹽倉(cāng)或碼垛（圖2）。

上述海水曬鹽流程中，壓灘每年一次就可以，重復(fù)度不高，納潮和制鹵一般依靠自然力，勞動(dòng)強(qiáng)度不算太大。但是，曬鹵環(huán)節(jié)的打鹽花等，需要不斷重復(fù)地進(jìn)行，尤其在高溫酷暑季節(jié)，剛好又是曬鹽旺季，鹽民長(zhǎng)時(shí)間在結(jié)晶池打鹽花容易捂出腳疾。因此，自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于打鹽花意義重大，本文重點(diǎn)解決此問(wèn)題。

2 自動(dòng)化打鹽花的方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)化打鹽花研究方面，浙江省提出很多方法，其中影響較大的是岱山縣曬鹽示范區(qū)提出的套繩法（圖3-a）。所謂套繩法打鹽花，就是事先在結(jié)晶池兩側(cè)打若干根木樁，再將一根長(zhǎng)套繩盤旋纏繞于各木樁，通過(guò)布放在四個(gè)結(jié)晶池對(duì)稱中心的機(jī)器帶動(dòng)套繩運(yùn)轉(zhuǎn)，從而替代人工進(jìn)行打鹽花。套繩法的主要缺陷是大面積打樁，而且每次收鹽之前要收回套繩。由于套繩很長(zhǎng)，套繩的布放和收取既繁瑣又費(fèi)時(shí)，明顯影響了曬鹽效率。這種方法實(shí)際上未得到行業(yè)認(rèn)可，因此只在曬鹽示范區(qū)使用過(guò)。

本文提出的打鹽花自動(dòng)化方案是用遙控小車替代人工進(jìn)行，就是由小車帶動(dòng)一根短繩打鹽花，繩子長(zhǎng)度稍大于鹽池的長(zhǎng)對(duì)角線即可，繩子一端固定于小車尾部，另一端可通過(guò)石頭固定于鹽池中央，如圖3-b。本文之所以沒有選用全自動(dòng)智能車，主要因?yàn)橹悄苘嚨男酒^貴，設(shè)備成本高，而且在高溫高腐蝕的環(huán)境中纖細(xì)的電子線路更易故障，而且鹽民年齡普遍較大，不便于復(fù)雜電子系統(tǒng)的操作和維護(hù)。本文選用遙控式小車，主要基于設(shè)備成本、惡劣環(huán)境、操作便利、運(yùn)行穩(wěn)健等關(guān)鍵問(wèn)題的考慮。

圖3 打鹽花方案對(duì)比Fig.3 Scheme comparison of smashing salt tablet:bush rope method and vehicle method

3 打鹽花遙控小車的設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遙控小車本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括底盤、四輪、軸承、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等，如圖4。輔助結(jié)構(gòu)包括滾筒、滾軸（2個(gè)）、支撐架（2個(gè)）、滑塊（2個(gè)）、滑軌（2個(gè)）、支板、支柱、輪架（2個(gè)）、鞭繩、支桿、移動(dòng)塊（2個(gè)）、下板、齒輪（2個(gè)）、氣缸等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已申請(qǐng)發(fā)明專利。小車本體長(zhǎng)1 m，寬0.6 m。這里面最關(guān)鍵的問(wèn)題是抗擊海水腐蝕，為此小車本體全部采用尼龍材質(zhì)。小車軸承的尺寸較小，設(shè)計(jì)時(shí)借鑒了玻璃軸承的原理進(jìn)行改造，其余機(jī)械零部件全部自行設(shè)計(jì)和定制，使得設(shè)備成本得到控制。

圖4 打鹽花小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.4 Mechanical structure of the vehicle for smashing salt tablet

3.2 電氣設(shè)計(jì)

遙控小車的電氣部分包括遙控器、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)控制器、變壓器等（圖5-a）。除變壓器、步進(jìn)電機(jī)及芯片外，軟件編程和電路板設(shè)計(jì)等均自行完成。本文的遙控器內(nèi)置一個(gè)51單片機(jī)芯片為核心的電路板，外置的8個(gè)按鈕分別完成加速、減速、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、開機(jī)、停止等命令，遙控范圍200 m。步進(jìn)電機(jī)有2個(gè)，一個(gè)是轉(zhuǎn)矩5 N·m的舵機(jī)用來(lái)控制轉(zhuǎn)彎，另一個(gè)是轉(zhuǎn)矩10 N·m轉(zhuǎn)矩的直流步進(jìn)電機(jī)用來(lái)提供動(dòng)力。為防止海水腐蝕和電路短路，本文選用垂直軸直流步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一是用來(lái)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)控制小車的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角范圍0°～60°，二是用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而控制小車的前轉(zhuǎn)、后轉(zhuǎn)、加速、減速、啟動(dòng)、停止等，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線（圖5-b）。變壓器的作用是將220 V市電轉(zhuǎn)換為36 V交流電，再通過(guò)自主設(shè)計(jì)的整流穩(wěn)壓電路得到36V直流電。電機(jī)控制器及散熱裝置密封后布放于小車上，接受遙控的運(yùn)動(dòng)指令?？刂扑惴ǚ矫妫覀冇肅語(yǔ)言編寫代碼，編譯后分別燒寫到遙控器內(nèi)置芯片和電機(jī)控制器主控芯片。

圖5 打鹽花小車的電氣結(jié)構(gòu)Fig.5 Electrical structure of the vehicle for smashing salt tablet

4 試驗(yàn)測(cè)試

遙控小車的設(shè)計(jì)和制作完成之后，我們先在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試其移動(dòng)穩(wěn)定性，然后在舟山市朱家尖鹽場(chǎng)進(jìn)行綜合性測(cè)試。根據(jù)結(jié)晶池的實(shí)際情況設(shè)置了37%以上飽和鹽水濃度、3～4 cm鹽水深度[7]等測(cè)試環(huán)境，主要測(cè)試小車在結(jié)晶池濃鹽水環(huán)境中的行進(jìn)速度、穩(wěn)定性、載荷能力、轉(zhuǎn)彎能力、打花效果等，結(jié)果表明自制的小車可以代替人工完成打鹽花要求。

5 結(jié)論

本文在論述海水曬鹽工藝流程的基礎(chǔ)上，選取打鹽花這一單調(diào)、重復(fù)又費(fèi)力的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提出了依托遙控小車的自動(dòng)化方案。小車的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、防腐能力、安全性等均可通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)、尼龍材質(zhì)選型和電機(jī)控制算法自編等得以保證，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及控制算法的完善。除打鹽花外，收鹽也是勞動(dòng)強(qiáng)度極大的曬鹽環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的小車可以繼續(xù)參與收鹽環(huán)節(jié)，因此還需研制一套吸鹽、送鹽一體化的新裝置固定于小車之上，這是我們下一步研究的重點(diǎn)。

[1]GAO W Z,LI C S,XU C D,et al.An experimental investigation of salt-water separation in the vacuum flashing assisted with heat pipes and solid adsorption[J].Desalination,?2016,399:116-123.

[2]ISMAIL T M,AZAB A K,ELKADY M A,et al.Theoretical investigation of the performance of integrated seawater desalination plant utilizing renewable energy[J].Energy Conversion and Management,2016,126:811-825.

[3]曹英貴.海水曬鹽生產(chǎn)中鹽田工藝探究[J].化工管理,2014(18):183-183.

[4]王凱旋,胡海燕,鄭 杰.岱山島利用濃海水曬鹽的實(shí)證研究[J].中國(guó)外資,2012(14):284-285.

[5]黃招揚(yáng).廣西海水曬鹽工藝研究——以廣西北海市鐵山港區(qū)北暮鹽場(chǎng)為例 [J].廣西民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,14 (3):41-45.

[6]世界鹽業(yè)簡(jiǎn)介.http://www.qhsalt.com.cn/newscenter/readnews.asp.[2005-04-17].

[7]制鹽技術(shù)史.http://blog.sina.com.cn/s/blog_56eda5160102vp9u.html.[2015-08-25].

Research on Automation Technology of Baysalt Seawater with Natural Evaporation Method

LIU Yu-liang1,2,3,WANG Chao-hai1,2,WANG Xue-peng3，*
(1.School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering of Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022;2.Zhoushan Haida Institute of Science and Technology,Zhoushan 316041; 3.Zhejiang Jinghong Machinery Co Ltd,Zhoushan 316032,China)

First the technological process of seawater solar salt with the method of natural evaporation is analyzed and the automatic scheme in point is discussed.Then a remote controlled vehicle is designed and made for smashing salt tablet.The vehicle’s mechanical parts are all made of nylon material against seawater corrosion and the debugging results show that the requirement of smashing salt tablet can be satisfied.Furthermore,the equipment cost is effectively controlled by the independent research and development of bottom plate,bearing,wheel,circuit&software,in order for the following popularization and application.

baysalt seawater;smashing salt tablet;automation;seawater corrosion

TP23

A

1008-830X(2016)04-0322-04

2016-05-10

浙江省公益性項(xiàng)目(2015C31072)；定海區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015C3101)

劉玉良（1971-），男，河南唐河人，教授，博士，研究方向：信號(hào)處理與通信網(wǎng)絡(luò)，智能機(jī)器人.