海冰淡水化生产中利用自然气流通风融冰装置的使用方法与流程

本发明涉及一种海冰脱盐淡化的方法，尤其是涉及一种通过重力方法使海冰脱盐淡化的方法。属于海水淡化技术领域。

背景技术：

环渤海地区是我国淡水资源最缺乏的地区之一，渤海是我国冬季主要结冰海区，开发海冰资源用以解决环渤海地区的缺水状况，是我国海水淡化研究领域的最新前沿课题。

海冰主要由多边形的纯水冰晶、卤水胞、空气和少量固体杂质组成。海冰中所含有的盐分主要来自冰体内部的卤水胞，卤水胞为高浓度盐水，在一般的低温环境中（-30℃）也不会结冰，而以液体形式存在于海冰内部。海冰内部的冰晶之间还存在有缝隙，这为卤水胞在重力作用下沿着这些缝隙流出冰体提供了条件。海冰重力脱盐就是根据海冰的液-固两相共生的结构特征，通过重力作用将海冰冰体中的卤水胞排出去的方法。

中国发明专利申请200510092863.7公开了一种重力法海冰脱盐设施，但这种设施存在缺陷，主要表现为堆积的海冰受空气温度变化影响很大，融化速度得不到控制。海冰重力脱盐是指海冰内部的卤水胞受重力作用面下渗流出冰体的过程，由于海冰内部的缝隙非常细小，因此卤水胞的下渗速度很慢、渗出量也少。但海冰的融化受环境温度，也就是空气温度的影响很大。当脱盐设施中的海冰暴露在空气之中时，如果中午时分的空气温度升至海冰的冰点温度（-1.4℃）以上，海冰中的纯水冰晶就会产生部分融化，这些融水会下渗到脱盐设施的底部，并与受重力作用而下渗到此的卤水混合在一起，此时若想把卤水排出脱盐设施，势必要带走很多淡水；若不进行排水，则重力脱盐过程将无法实现。因此，合理地控制和减缓海冰融化速度，对于充分排出冰内卤水胞、提高重力脱盐率，对于减少淡水冰晶融化、提高淡水回收率都是非常重要的。

中国发明专利申请2010102414342（一种海冰或咸水冰脱盐淡化的装置和工艺）公布了一种用隔温层覆盖在海冰上，隔离海冰与外界气温的方法，其目的是控制融冰的温度：为了加快卤水胞的下渗速度，可以适时对隔温层内的海冰进行通入温暖的空气，使冰块内部的温度发生变化，促进冰块内部缝隙扩大，使卤水能顺利渗出海冰冰体；当冰块中的纯水冰晶将要融化时，停止温暖空气的输入。该方法的优点是提高了淡水的回收率。但是该方法一方面需要通风设备和消耗电力；另一方面，在融冰后期，将出现数量较多的盐度在1‰至1.3‰的低盐度卤水，该卤水盐度已经接近标准淡水的盐度，且数量较大，作为废水处理，十分可惜。

技术实现要素：

针对上述专利申请2010102414342（一种海冰或咸水冰脱盐淡化的装置和工艺）的不足之处，本发明提出这样一种装置和方法：利用自然力对海冰进行通风融冰制作淡水；利用自然力将1‰至1.3‰的低盐度卤水改造成为淡水。此外，该装置和方法还能够在无人值守的情况下，利用自然力自动控制通风融冰的时间。

本发明设计思路：1、利用伯努利原理，驱使自然气流进入海冰堆中进行热交换。2、利用太阳能对高盐度卤水进行蒸馏，所取得的蒸馏水用来稀释1‰至1.3‰的低盐度卤水，使之成为盐度低于1‰的淡水。3、根据海冰中淡水冰晶在即将融化前卤水量增大的现象，利用出卤量大小，自动控制通风机构的开闭。

本发明是通过如下技术方案实现的：该装置包括通风系统、融冰设备和自动控制机构；

通风系统由迎风管、窄竖井、水平风道、排气管和弧形顶构成，且依次连接；其中，迎风管后部设一风舵，迎风管与窄竖井转动连接；排气管和弧形顶连接处设有排气口；

融冰设备由融冰池、储水池、保温层构成；其中，融冰池俯视形状呈矩形，融冰池左侧和右侧为墙体，融冰池的前侧为第一铁丝网，融冰池的后侧为第二铁丝网；第二铁丝网后设空气室，该空气室通过多个小孔与通风系统的窄竖井相通；融冰池的底部为设有漏水孔的底板，融冰池通过漏水孔与位于融冰池下方的储水池相通；保温层覆盖在融冰池上面；

所述融冰池内水平置放多根具有多个通风孔的通气管，通气管的管口朝第一铁丝网和第二透风板的气隙设置；

自动控制机构由设有气隙的第一透风板、设有气隙和板条的第二透风板、拉伸弹簧、拉绳、滑轮、接卤桶、浮动闸门、接卤井构成；第二透风板与第一铁丝网固连；第一透风板与第二透风板滑动连接；拉伸弹簧的一端固定于融冰池的墙体，另一端与第一透风板连接；拉绳绕过滑轮，拉绳的一端与第一透风板的拉杆连接，另一端与接卤桶接连；接卤桶位于接卤井内，且位于水槽下方；接卤桶底部设一漏洞；所述储水池下部设有与接卤井相通的水槽；所述的浮动闸门设置在水槽中；

储水池旁边设置有低盐卤水池和蒸馏池；储水池通过水槽和接卤井与低盐卤水池和蒸馏池连通；蒸馏池上方设置有倾斜的透光棚，透光棚的最低处位于低盐卤水池的上方；所述低盐卤水池与接卤井相通处设置有第一闸门，所述蒸馏池与接卤井相通处设置有第二闸门；

所述浮动闸门呈l形，其内中空，底部呈一向上弯曲的弧面。

所述的融冰池左侧和右侧的墙体，为混凝土墙体。

所述拉杆与第一透风板固连。

所述的第一透气板可以由翻盖透气板代替，所述的第二透气板可以由大气隙底板代替；大气隙底板包括筋条和气腔；翻盖透气板包括气口、透气板、盖板，盖板中设有短臂和铰接于透气板的支轴；盖板的两端各设置有与透气板连接的扭转弹簧；在翻盖透气板相对于大气隙底板朝拉伸弹簧的移动中，所述短臂受阻于大气隙底板的筋条时，则盖板被迫绕支轴转动打开，同时扭转弹簧积蓄了弹力能量，外界的气流可以通过翻盖透气板的气口和大气隙底板的气腔进入到海冰中；反之，当翻盖透气板朝拉绳移动时，则扭转弹簧结蓄的弹力能量，迫使盖板转动，盖住气腔，隔绝外界气流流入海冰中。

该装置的使用方法：

待脱盐淡化的碎块状的海冰放置在融冰池中；之后，将隔温层覆盖在融冰池上；进入自然通风阶段：

第一步骤：第一透风板的气隙和第二透风板的气隙处于重合位置；一方面，外界气流流过弧形顶时，流速加大，压强变小，排气管内空气从下部被吸到上部，进而从排气口流出；另一方面，当任何方向的风吹过迎风管和风舵，风力驱使风舵带动迎风管转动，使迎风管管口对着风向，从而气流不断从迎风管、窄竖井流入水平风道，该气流在经过窄竖井时，由于通道变窄，流速加大，压强变小，使得融冰池内海冰中的空气被吸引，从而外界的空气能穿过第一透风板的气隙、第二透风板的气隙、第一铁丝网，其中一部分外界的空气进入碎块状海冰间的空隙，另一部分外界的空气从通气管管口进入，进而从多个通风孔流出，进入到碎块状的海冰间；该两部分外界的空气在碎块状的海冰中经过热交换后，穿过第二铁丝网，空气室、小孔，进入到窄竖井；此后，随同流入窄竖井的外界气流一起进入水平风道，然后经排气管，从排气口流出；当外界气温低，流入海冰中的外界低温空气不能使冰块内部缝隙扩大，因此下渗的卤水量较少，从储水池的水槽流入接卤桶内的卤水全部从漏洞流出；

第二步骤：当外界温度升高，流入海冰中的暖空气加快促进冰块内部缝隙扩大，使卤水能顺利渗出海冰冰体，卤水量增加，流入接卤桶内的较大量的卤水来不及全部从漏洞流出，使得接卤桶内卤水越积越多，表明海冰中的淡水冰晶将要融化，最后承接了一定量卤水的接卤桶通过拉绳克服拉伸弹簧的弹力，拉动第一透风板的气隙到与第二透风板的板条重合的位置；从而自动隔绝了外界的温暖空气进入海冰堆中，避免淡水冰晶融化；

第三步骤：融冰池中海冰的温度逐渐降低，下渗的卤水量逐渐减少，最后从储水池流入接卤桶内的卤水全部从漏洞流出；拉伸弹簧的弹力克服接卤桶的重量，将第一透风板的气隙拉到与第二透风板的气隙重合的位置，使融冰池中的海冰与外界空气进行热交换；

重复第一步骤、第二步骤和第三步骤；当测得从水槽中流出的卤水盐度大于1.3‰时，关闭第一闸门，打开第二闸门，水槽中的卤水通过接卤桶和接卤井排入蒸馏池；当测得从水槽中流出的卤水盐度在1‰—1.3‰之间时，关闭第二闸门，打开第一闸门，水槽中的卤水通过接卤桶和接卤井排入低盐卤水池；当测得从水槽中流出的卤水盐度小于1‰时，关闭第一闸门和第二闸门；同时将浮动闸门下沉至水槽底部并固定，阻止水槽流出水来；之后，第一透气板持续被拉伸弹簧拉住，使得外界的空气穿过第一透气板的气隙、第二透气板的气隙、第一铁丝网，其中一部分外界的空气进入碎块状海冰间的空隙，另一部分外界的空气从通气管管口进入，进而从多个通风孔流出，进入到碎块状的海冰间；该两部分外界的空气在碎块状的海冰中经过热交换后，穿过第二铁丝网，空气室、小孔，进入到窄竖井；此后，随同流入窄竖井的外界气流一起进入水平风道，然后经排气管，从排气口流出；海冰在融冰池中逐渐融化为淡水流入储水池中；

阳光透过透光棚，加热蒸馏池中的卤水，使卤水蒸发，其水蒸汽上升，在透光棚上遇冷，凝结成蒸馏水，蒸馏水流向位于透光棚最低处，进而流入低盐卤水池，低盐卤水池中的卤水不断被蒸馏水稀释，最后成为盐度小于1‰的淡水；

当所述融冰池内的海冰全部融化为淡水流入储水池，且测得储水池中的水为盐度小于0.9‰以下的淡水，而此时低盐卤水池中的卤水还没有被足够多的蒸馏水稀释成为盐度小于1‰的淡水；为尽快结束淡水制作，可以将一定数量的储水池中的淡水加入到低盐卤水池中，使低盐卤水池中的水稀释成为盐度小于1‰的淡水。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用伯努利原理设计的通风结构，使海冰脱盐淡化的方法比现有技术省略了用于融冰的通风设备和电力消耗。

2、本发明通过稀释和太阳能蒸馏的方法，将1‰至1.3‰的低盐度卤水，使之成为淡水。从而将现有技术中的废水变成淡水，因此比现有技术较大程度地提高了淡水的生产效率。

3、根据卤水量的大小自动控制通风机构的开合，减轻了值守人员的工作量。

4、由于有了自动控制通风机构，可以根据环境温度自动增加通风次数（而现有技术通常是选择在中午时分通风一次），从而加快了将海冰制作成淡水的速度。

附图说明

下面结合图对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图和气流图。

图2是图1运作过程图。

图3是图1是a-a剖视示意图。

图4是图3中的b-b局部视图

图5是图3中的零部件立体图。

图6是通气管的剖视图。

图7是实施例4的立体示意图。

图8是图7中的c-c剖视图。

图9是图7运作过程的状态图。

图10是图9中的d-d剖视图。

具体实施方式

实施例1：（见图1至图6）本发明装置包括通风系统、融冰设备和自动控制机构；通风系统由迎风管53、窄竖井23、水平风道24、排气管28和弧形顶27构成，且依次连接；其中，迎风管53后部设一风舵51，排气管28和弧形顶27连接处设有排气口29；

融冰设备由融冰池32、储水池35、保温层31构成；其中，融冰池32俯视形状呈矩形，左侧和右侧为混凝土墙体（未画出），融冰池的前侧为第一铁丝网37，融冰池的后侧为第二铁丝网38；第二铁丝网38后设空气室39，该空气室通过小孔26与通风系统的窄竖井23相通；融冰池32的底部为设有漏水孔的底板34，融冰池32通过漏水孔（未画出）与位于融冰池下方的储水池35相通；保温层31覆盖在融冰池32上面；

融冰池32内水平置放多根具有多个通风孔331的通气管33，通气管33的管口朝第一铁丝网37和第二透风板的气隙711设置。

由于海冰重力脱盐过程需要三个月左右，现有技术在此期间需要人工观测卤水的出水量情况，根据出水量的大小，进而实施对海冰的通风与否。本实施例具有一套能根据卤水量的多少，自动进行通风的机构，从而可以省略这方面的人工值守。同时，根据环境温度可以自动增加通风次数（而现有技术通常只是选择在中午时分通风一次），从而加快了将海冰制作成淡水的速度。自动控制机构（见图1、图3、图5）由设有气隙711的第一透风板71、设有气隙711的第二透风板72、拉伸弹簧74、拉绳46、滑轮44、接卤桶41、浮动闸门36、接卤井43构成；第二透风板72与第一铁丝网37固连；第一透风板71与第二透风板72滑动连接；拉伸弹簧74的一端固定于融冰池32的混凝土墙体，另一端与第一透风板71连接；拉绳46绕过滑轮44，拉绳46的一端与第一透风板的拉杆719连接，另一端与接卤桶41接连；接卤桶41位于接卤井43内，且位于水槽35下方；接卤桶41底部设一漏洞42；在拉伸弹簧74的拉力下，当第一透风板的气隙711滑动到与第二透风板的气隙711重合时，外界的空气可以穿过第一透风板的气隙711、第二透风板的气隙711、第一铁丝网37、融冰池32中的碎块状海冰间的空隙、第二铁丝网38、空气室39、小孔26，进入到窄竖井23中；当第一透风板的气隙711滑动到与第二透风板的板条729重合时（见图5），外界的空气则不能进入融冰池32；拉绳46绕过滑轮44，拉绳46的一端与固定在第一透风板71上的拉杆719连接，另一端与接卤桶41接连；接卤桶41位于接卤井43内，接卤桶41底部设一漏洞42；所述储水池35下部设有与接卤井43相通的水槽351；所述的浮动闸门36设置在水槽351中，浮动闸门36呈l形，

其内中空，为一壳体，底部呈一向上弯曲的弧面，恰如船头，迎水而浮。当浮动闸门36内灌入水后，就会下沉至水槽351底部，阻止水槽351中的水流出。浮动闸门36的另一个作用是可以阻止外界的空气从水槽351进入到融冰池32，以免影响融冰池32中的温度的控制。

为了将盐度高的卤水实施太阳能蒸馏，产生的蒸馏水用于稀释1‰至1.3‰的低盐度卤水，使之成为淡水，本发明在储水池35旁边设置有低盐卤水池2和蒸馏池3；储水池35通过水槽351和接卤井43与低盐卤水池2和蒸馏池3连通；蒸馏池3上方设置有倾斜的透光棚93，透光棚93的最低处位于低盐卤水池2的上方；所述低盐卤水池2与接卤井43相通处设置有第一闸门91，所述蒸馏池3与接卤井43相通处设置有第二闸门92；

该装置的使用方法：

待脱盐淡化的碎块状的海冰放置在融冰池32中；之后，将隔温层31覆盖在融冰池32上，从而融冰池32的上方与外界空气隔绝；进入自然通风阶段：

第一步骤：第一透风板的气隙711和第二透风板的气隙711处于重合位置；一方面，外界气流流过弧形顶27时，流速加大，根据伯努利原理，流速快，压强小，排气管28内空气从下部被吸到上部，进而从排气口29流出；另一方面，当任何方向的风吹过迎风管53和风舵51，风力驱使风舵51带动迎风管53转动，使迎风管53的管口对着风向，从而气流不断从迎风管53、窄竖井23流入水平风道24，该气流在经过窄竖井23时，由于通道变窄，流速加大，压强变小，使得融冰池32内海冰中的空气被吸引，从而外界的空气能穿过第一透风板的气隙711、第二透风板的气隙711、第一铁丝网37、其中一部分外界的空气进入碎块状海冰间的空隙（因为透风板气隙的面积大于通气管管口的面积），另一部分外界的空气从通气管33管口进入，进而从多个通风孔331流出，进入到碎块状的海冰间；该两部分外界的空气在碎块状的海冰中经过热交换后，穿过第二铁丝网38、空气室39、小孔26，进入到窄竖井23；此后，随同流入窄竖井23的外界气流一起进入水平风道24，然后经排气管28，从排气口29流出；当外界气温低，流入海冰中的外界低温空气不能使冰块内部缝隙扩大，因此下渗的卤水量较少，从储水池的水槽351流入接卤桶41内的卤水全部从漏洞42流出；

第二步骤：当外界温度升高，流入海冰中的暖空气加快促进冰块内部缝隙扩大，使卤水能顺利渗出海冰冰体，卤水量增加，流入接卤桶41内的较大量的卤水来不及全部从漏洞42流出，使得接卤桶41内卤水越积越多，表明海冰中的淡水冰晶将要融化，最后承接了一定量卤水的接卤桶41通过拉绳46克服拉伸弹簧74的弹力，拉动第一透风板的气隙711到与第二透风板的板条729重合的位置；从而自动隔绝了外界的温暖空气进入海冰堆中，避免淡水冰晶融化；

第三步骤：融冰池32中海冰中的温度逐渐降低，下渗的卤水量逐渐减少，最后从储水池35流入接卤桶41内的卤水全部从漏洞42流出；拉伸弹簧74的弹力克服接卤桶41的重量，将第一透风板的气隙711拉到与第二透风板的气隙711重合的状态，使融冰池32中的海冰与外界空气进行热交换；

重复第一步骤、第二步骤和第三步骤；当测得从水槽351中流出的卤水盐度大于1.3‰时，关闭第一闸门91，打开第二闸门92，水槽351中的卤水通过接卤桶41和接卤井43排入蒸馏池3；当测得从水槽351中流出的卤水盐度在1‰—1.3‰之间时，关闭第二闸门92，打开第一闸门91，水槽351中的卤水通过接卤桶41和接卤井43排入低盐卤水池2；当测得从水槽351中流出的卤水盐度小于1‰时，关闭第一闸门91和第二闸门92；同时将浮动闸门36下沉至水槽351底部并固定（浮动闸门36是空心的，只要灌进水，即可下沉），阻止水槽351流出水来；之后，第一透气板71持续被拉伸弹簧74拉住，使得外界的空气穿过第一透气板71的气隙711、第二透气板72的气隙711、第一铁丝网37，其中一部分外界的空气进入碎块状海冰间的空隙，另一部分外界的空气从通气管33管口进入，进而从多个通风孔331流出，进入到碎块状的海冰间；该两部分外界的空气在碎块状的海冰中经过热交换后，穿过第二铁丝网38，空气室39、小孔26，进入到窄竖井23；此后，随同流入窄竖井23的外界气流一起进入水平风道24，然后经排气管28，从排气口29流出；海冰在融冰池32中逐渐融化为淡水流入储水池35中；

现有技术通常将盐度在1‰—1.3‰的卤水作废水处理，本发明可以利用蒸馏水稀释的方法，将这部分低盐度的卤水改造成为淡水：阳光透过透光棚93，加热蒸馏池3中的卤水，使卤水蒸发，其水蒸汽上升，在透光棚93上遇冷，凝结成蒸馏水，蒸馏水流向位于透光棚93最低处，进而流入低盐卤水池2，低盐卤水池2中的卤水不断被蒸馏水稀释，最后成为盐度小于1‰的淡水。

如果气温高，产生的蒸馏水足够多的话，也可以将1‰—1.5‰的卤水或者盐度更高的卤水改造成淡水。

实施例2、当融冰池32内的海冰已经全部融化为淡水流入储水池35，且测得储水池35中的水为盐度小于0.9‰以下的淡水，而此时低盐卤水池2中的卤水还没有被足够多的蒸馏水稀释成为盐度小于1‰的淡水。为尽快结束淡水制作，可以通过以下两种方法尽快得到更多的淡水：第一种方法，可以将一定数量（通过计算）的储水池35中的淡水加入到低盐卤水池2中，使低盐卤水池2中的水稀释成为盐度小于1‰的淡水；第二种方法，将一定数量（通过计算）的低盐卤水池2中的盐度大于1‰的水，加入到储水池35中盐度小于0.9‰以下的淡水中，使储水池35中的水成为盐度小于1‰的淡水。

实施例3、如果选择不采用自动控制机构，则可以像现有技术一样，在中午时分，由人工移动第一透风板的气隙711和第二透风板的气隙711处于重合位置；从而融冰池32内的海冰与外界空气持续进行热交换，通风时间控制在1-2小时。通风结束，由人工移动拉动第一透风板的气隙711到与第二透风板的板条729重合的位置；从而自动隔绝了外界的温暖空气进入海冰堆中，避免淡水冰晶融化。

实施例4，在实施例1中进入海冰的通风量是由第一透气板71的气隙711和第二透气板72的气隙711大小决定的。特点是第一透气板71短距离移动，就可以开闭通风的气隙711，其结构简单，但通风面积只能是透气板面积的不到一半。如果采用如下结构，就可以在短距离移动不变的情况下，获得较大的通风面积。

该结构特点是增大通风的空腔（见图7至图10），具体技术方案是：用翻盖透气板81代替所述的第一透气板71，用大气隙底板82代替所述的第二透气板72；大气隙底板82包括筋条829和气腔821；翻盖透气板81包括气口811、透气板812、盖板814，盖板814中设有短臂815和铰接于透气板812的支轴816；盖板814的两端各设置有与透气板812连接的扭转弹簧818；在翻盖透气板814相对于大气隙底板82朝拉伸弹簧74的移动中，所述短臂815受阻于大气隙底板的筋条829时，则盖板814被迫绕支轴816转动打开（见图8），同时扭转弹簧818积蓄了弹力能量，外界的气流可以通过翻盖透气板的气口811和大气隙底板的气腔821进入到海冰中。反之，当翻盖透气板81朝拉绳46移动时，扭转弹簧818结蓄的弹力能量，迫使盖板814转动，盖住气腔821（见图9和图10），隔绝外界气流流入海冰中。