湖盐的绿色开采

张青松，章庆生，蔡惠礼

(1.江苏省镇江船厂集团有限公司，江苏镇江 212000;2.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江 212003)

湖盐的绿色开采

张青松1，章庆生2，蔡惠礼1

(1.江苏省镇江船厂集团有限公司，江苏镇江 212000;2.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江 212003)

通过对湖盐开采的现状调查，研制出双刀轮采盐船和分离船，并提出了进一步实现绿色开采湖盐的方案。此方案为我国西部采挖蕴藏量巨大的优质湖盐资源提供施工借鉴，有利于节能减排，并在持续获得经济效益的同时，对自然资源和环境进行良好的保护。

湖盐;双刀轮采盐船;分离装置;节能;绿色开采

0 引言

在我国西北地区的青海、内蒙和新疆境内，分布着一些蕴藏量巨大的优质湖盐资源。自古以来天然形成的结晶体湖盐内含有人体需要的多种氨基酸和矿物质，在对这种原生态湖盐采挖后，又可自然形成再生盐，是取之不尽的优质露天盐矿。对这种既是食用盐又是化工原料的资源采挖，应在科学发展观的指导下，实现绿色开采，以利于在持续获得经济效益的同时，对自然资源和环境进行良好的保护。

绿色开采的含义是:在对湖盐采挖、筛选和载运的全寿命周期内(包括设计、设备制造、使用、维护保养、报废拆解等)，通过采用先进的技术和科学的管理，尽可能地满足用户功能和使用性能的要求，达到良好的经济效果。同时要求节省资源、节约能源，最大限度地减少或消除对盐湖环境的污染和对自然资源的长久利用，并对劳动者提供良好的保护，以实现湖盐开采事业的持续发展。

1 采盐船开采湖盐的工况调查

湖盐矿床是固液并存的露天石盐矿床，可以实施机械化开采作业，但盐湖所处的地理环境特殊，表征为海拔高度高、温差大、风速大、气象变化快、年施工日短。各地盐场的地质情况和盐湖中盐层的物理特性虽有不同，但差异不大，表1为青海茶卡盐湖的工况调查，它是采盐船需要适应的比较典型的湖盐开采工况。

表1 青海茶卡盐湖工况调查表

采盐船建造或上坡修理结束后，湖边工地具备整船组装和下水条件，盐湖地区的供电状况良好。

2 湖盐开采技术的变革

改革开放以来，对固液并存的露天湖盐实行机械化开采中，出现了不同的方式。根据盐层的密实度、结晶粒度和抗压强度等物理特性，采用了多种作业方式，从而在青海、内蒙和新疆等地的盐湖，除开采条件可适用陆用挖掘机作业外，一般都采用了不同形式的采盐船。主要有以下几种:

(1)绞吸式采盐船。这是直接移植绞吸式挖泥船的采盐工具，由于盐层的物理特性不同于泥土，所以一般对绞刀作了改造，盐浆通过尾排管输至水上分离机后由运盐船送出。

(2)链斗式采盐船。借鉴链斗式挖泥船，连续翻转的链斗采盐后直接进入采盐船旁的运盐船送出。

(3)刀轮式采盐船。采用双刀轮挖掘头代替绞吸式采盐船上的绞刀头，盐浆输入近旁的分离船，经分离后的盐由运盐船送出。

以上3种类型的采盐船都可以对原生态湖盐实现机械化作业，但生产效率、资源利用、环境和劳动保护等显示出明显的差异。

1990年，江苏省镇江船厂为内蒙古雅布赖盐场研制的80 m3电动刀轮式采盐船第一次将刀轮采掘头代替绞刀头采挖结晶体湖盐取得了成效。刀轮采盐有效克服了用绞刀头采盐遇到比较密实的盐层时，必须借助人工爆破盐层来辅助作业的现象，其功效也明显优于绞刀。

由镇江船厂、江苏省船舶设计研究所和青海省盐业公司合作攻关的新一代双刀轮采盐船—“青盐101”于2009年8月在茶卡盐湖投产试用，与之配套的由镇江船厂设计并现场指导建造的分离船也同时投入了营运。2年多来的使用证明:吸扬式双刀轮采盐船采掘结晶体湖盐满足了绿色开采的基本要求。

茶卡盐场原同时使用过3艘绞吸式采盐船，每艘船的电功率是95 kW，产量为60～100 t/h。现使用双刀轮采盐船只需1艘，全船配备的电功率为300 kW，平均产量超过了300 t/h，有效地避免了人工爆破对环境造成的污染和消除了作业中的安全隐患。表2为2种采盐船的效能对比。

表2 茶卡盐场使用2种采盐船的效能对比表

从表2看出，在采盐生产率提高的同时，刀轮采盐船只用1艘，其维修保养费和劳动力费用均降低，明显降低了采盐生产成本，提高了经济效益。

3 双刀轮采盐船及其配套船主要量度

图1和图2分别为茶卡盐湖上使用的双刀轮采盐船和分离船总布置图;4艘300 t专用运盐船往返于专门开启的航道之中，其总布置图见图3。

3.1 双刀轮采盐船

总长(绞刀架呈水平位置时) 48.50 m

船长 38.50 m

型宽 7.54 m

型深 1.80 m

设计吃水 1.00 m

总重(干重) 160.00 t

设计生产能力 300.00 t/h

采挖深度 5.50 m

3.2 分离船

总长～44.35 m

型长 42.35 m

型宽 9.90 m

型深 1.80 m

设计吃水 1.20 m

储盐量 180.00 t

分离机处理能力 1 200.00 m3/h

3.3 自卸式运盐船

总长 35.00 m

船长 34.00 m

型宽 7.80 m

型深 2.00 m

设计吃水 1.60 m

载盐量 300.00 t采盐船借鉴吸扬式挖泥船的工作原理，实现机械化连续作业，为提高采盐生产效能，开采有不同密实度的结晶体盐层，采用适当的采掘头是个关键，绞刀、链斗、斗轮、刀轮等不同的采掘头都有各自对采掘对象的适应性。国内外研制的实践表明，双刀轮采盐船正是高效采挖湖盐的最佳形式。

4 电动双刀轮采盐船的研制

电动双刀轮采盐船是湖盐开采系统中的关键设备，它是否先进、可靠、经济和耐用是众所注目的焦点，研制采用了以下一些技术工艺措施和先进适用的配备。

图1 300 t/h双刀轮采盐船总布置图

图2 1 200 m3/h分离船总布置图

图3 300 t自卸式运盐船侧视图

(1)采盐船采用电力为动能，有利于实施自动化操纵，消除对大气、盐湖的污染，也有利于改善操作环境。电源为高压10 kV，从而可降低线损。

在我国大西北地区，有着丰富的电能资源，电价也相对较低。采盐船离基地有一定距离，电动采盐船可避免柴油机为动力的船舶需水上加油的麻烦。虽然一次性投资大些，但综合使用成本低，长期使用经济环保。

船上的电机设备和供电系统均应适应高原盐湖的环境条件，主要元器件均采用高原型，并应满足盐场作业的节能要求，如对采盐泵应采用变频调速控制系统。

电控液压系统为采盐船的高效作业和自动化控制提供了有利条件，也便于实施人性化采盐作业。针对盐湖内不同盐层的密实度差异，造成采挖盐浆的浓度变化，采盐船对选用的电机功率要适当地留有余量。

为适应采掘不同密实度和不同粒度的结晶体盐层，研制高效能的双刀轮采盐头及其A字架、盐浆吸排系统和船舶移动定位系统等是提高产能的关键。

采盐船在设计研制过程中，借鉴了国外刀轮的相关介绍，在以往实践的基础上研究改进，并将在不同类型的挖泥船上经长期实践证明完全成熟的经验选择性地移植到采盐船的开发上。

(2)双刀轮采掘系统

双刀轮是由2只上下旋转的切削轮组成并由2台高扭矩/低转速液压马达传动。这样使得采盐刀轮可以向2个工作端输送非常高的切削力并且可以调整需要的旋转速度。与斗轮采挖装置相比，刀轮的传动装置及液压马达布置在双刀轮的中间，左右摆动切削时没有液压马达、箱体或吸管的影响，既保护了液压马达也提高了切削的效率。刀轮特别适合所谓“金刚土”土质以及结晶体较硬的水下矿产的开挖，刀轮上配备了刀齿，刀齿可根据不同采掘物更换。刀轮内部吸入口分为2个吸入室，中间装有切换挡板以便保证水下刀轮获得较高的吸力和浓度。挡板由YJBSKF50齿轮齿条摆动油缸驱动，通过对阀件的程序控制，自动实现左挖左开，右挖右开，使装置便于操作，左右工作效率相等，并能获得更大的切削力和更高的吸入浓度，提高了采盐船的生产效率。互换两侧的刀轮即可改变刀轮的旋转方向，这样，对坚硬的盐层可以从底部往上挖，而对松软的盐层可以由顶部向下挖。将特殊结构的吸口设计成与刀轮内形轮廓一致，从而保证了吸口能够自我冲洗，无介质堵塞。

采掘装置主要结构形式及工作流程见图4。

图4 双刀轮采掘装置结构示意图

盐浆的流程:f区域的盐矿被刀轮切削后，盐浆沿c方向进入吸入腔，然后通过切换挡板进入吸管。切换挡板与左右横移方向一致，加上左右吸入腔中间有隔板隔断，所以始终保证切削一侧进盐，从而提高了刀轮的吸入浓度。

因为结晶盐硬度较大，应选用合金耐磨钢作为刀轮的切削刀刃。实际使用新型马贝体材料，以延长刀轮刀刃的使用寿命。

针对刀轮工作遭遇的是有一定密实度的结晶体盐层，A字型吊架较好地吸收了刀轮在运转过程中的振动。

(3)吸排盐浆和分离输送系统

双刀轮对表层及以下盐层进行采掘后即形成盐浆，船舱内的盐泵通过管道将盐浆抽吸并加压排出，盐泵为离心式结构。由于挖深不大，排距固定，其清水流量为1 200 m3/h，扬程为34 mH2O，考虑到有一定的功率储备，轴功率为160 kW。

采盐船尾部200 m处停泊分离船。通过水上浮管与采盐船尾部转动弯管联接，其功能是将采盐船喷送上来的盐浆进行脱水分离，使水和粉盐排出，将颗粒盐储存并通过随船的皮带输送机装上运盐船。分离、储存、装船、靠泊是分离船具有的4种功能，因此它实际上是1艘有着综合功能的水上工作平台，全部动作采用电、液控制。

在分离船的前端布置1台硕大的脱水振动筛，盐浆处理能力为1 200 m3/h，筛面为特殊结构，注重经久耐用。分离船在盐湖上随采盐船移位，靠定位桩定位，实用方便。船体的设计考虑了设备的整体布置和运输船停靠的方便，船底部的固定压载增加了分离船的吃水，降低了船舶的重心，提高了抗风等级，适应盐湖地处因季风带来的影响。船体结构设计时在工作机械处所均作了相应的加强，实际使用反映出系统运行良好。

(4)船舶移动及定位桩系统

采盐船的船体尾部设有台车系统，用于船舶在采盐过程中按需要移动船位。台车装置的行程为4 m，可减少频繁换桩的时间，同时保证了卤沟开挖后盐床采掘面的平整，对于盐湖资源中原生态盐与再生盐生长都起保护作用。

为提高效能，增大1次摆挖的宽度，采盐船船体长度增加到38.5 m，使每次主桩定位后的摆宽可达60 m，保证了1次开挖出的航道达到需要的通航宽度，无需2次折返作业。

采盐船依靠定位桩定位，这样既保证了定位精度，也减少了换位时间。设置在船中台车上的为主桩，右舷为副桩，2根定位桩直径均为Φ520 mm。定位桩通过液压油缸升降，取消了绞车升桩系统中采用的塔架结构。

(5)通过计算机实施采盐作业的自动监控是现代水上采掘事业的重要标志。采盐船配置有动态重力式产量计，这是一种能检测和计量连续输送管道中的固液二相的盐浆浓度、密度、流速、流量、产量、混合流体工作压力和工作时间等参数的新型集成智能化仪器，可对生产现场进行实时检测和控制，这为现代化采盐作业提供了科学的手段。

采盐船在工作时，刀轮头一般都处于湖面以下，操作手只能凭经验来控制采盐量的大小。采盐船作业时，会因船的波动产生堵管或吸空等现象，不仅影响了采盐船的生产效率，也使后续流水线上的筛选、运输系统出现堵塞和空转。智能化的产量计可监控动态盐浆，使其浓度保持在一个适宜的范围内，在提高生产效率的同时，为现代生产管理提供了量化数据，并对运动中的船舶设备提供了预警和保护。

动态称重式产量计有别于国内外在挖泥船上普遍采用的γ射线密度计，它是环保型的绿色专利产品。

(6)船体、定位桩、刀轮架和盐浆吸排管等均采用抗腐蚀的材料和喷涂工艺。在喷丸除锈的基础上，对钢板外表面热喷锌并喷涂无公害涂料，可有效保护船体、绞刀架、定位桩等外表不受卤水的腐蚀。这不仅提高了设备的使用寿命并对盐湖环境提供了有效的保护。

盐浆管采用超高分子聚乙烯管材。它具有较强的自润滑性和耐磨性能、耐腐蚀和抗冲击，适应高原气温变化，且无毒，不含重金属添加剂，从而为高品质的食用盐浆的输送提供了卫生许可。

5 对湖盐绿色开采的探索

(1)2年多来的使用，由双刀轮采盐船、分离船和运盐船队组成的茶卡盐湖采盐系统取得了成功，但也需要进一步改进。其主要表现为:

①整套系统投入的人员尚较多，劳动生产率还可提升，特别是运输系统，从采盐区到基地的运距有10 km左右，需要4艘运盐船同时工作;

②设备投资大，设备维修费用高;

③6艘船舶均在湖内工作，不能避免由众多操作人员和柴油机驱动的运盐船对环境造成一定的影响。

(2)盐浆直接通过管道输送的改进

适当地提高盐浆泵的扬程，采盐船尾排系统视盐浆输送距离采用若干个增压泵站，直接将盐浆输送到设置在基地岸边的分离装置并就近将盐储进岸边盐库。

6 设计方案的确定

以茶卡盐场的采盐作业为例，根据目前的施工现状和输送距离，设计方案计算如下:

(1)设计要求

排量(清水) 1 200 m3/h

排距 10 000 m

水上排距 5 000 m

陆上排距 5 000 m

排高 3 m

盐浆比重 (体积浓度15%) 1.38 t/m3

盐晶体比重 2.15 t/m3

(2)吸排管直径选取

吸管直径 0.375 m

排管直径 0.35 m

排管盐浆流速 2.51 m/s

吸管盐浆流速 2.19 m/s

(3)阻力计算

每米管道阻力 0.024 8 mH2O

排泥管折算长度 10 500 m

沿程总阻力 260 mH2O

排高损失 4 m H2O

局部损失 6 m H2O

总阻力 270.4 m H2O

(4)盐浆输送方案

方案为:串连5套增压泵站，每台扬程56 m，共280 mH2O，就可克服10 km输送管的盐浆流动阻力。不同的盐场可根据自身的地理条件按输送距离的长短配置一定数量的加压泵站，并应预制备用泵站，这样就可完全替代投资巨大、使用成本较高、对盐湖造成一定环境影响的运盐船队。图5为盐浆采盐管道运输方案图。

图5 盐浆的管道运输方案

(5)新方案的优点

①节省投资，只需1艘湖上交通船并兼作拖船，省去了分离船和运输船;

②减少众多的船员，提高了劳动生产率，省却了大多数船员及其相关费用、保养费和航道维护费等，降低了生产成本;

③全部采用电力驱动，节能降耗，有利于实施自动化控制;

④有利于环境保护，根除了柴油机船对盐湖的污染。

7 结语

通过对青海茶卡盐湖研制双刀轮采盐船及其配套的分离船的实践，找到了一条采掘结晶体湖盐的新路，这是一种增效、环保的机械化连续采盐的方式，体现了对自然资源的有效利用和促进湖盐开采事业的持续发展。

在现有的基础上，应进一步改革采掘湖盐的装备系统，以若干电动加压泵站为增压源的盐浆管道输送系统代替柴油机驱动的运盐船，并将湖中的分离船移设在岸边基地，从而实现高效、节能、消除污染的现代绿色开采湖盐的目标。

The paper researched the double pole wheel salt mining ship and separating ship，and put out the scheme of realizing the green mining of lake salt further by the inventory survey of mining of lake salt.The scheme provides the construction reference for the west of China mining the enormous high quality lake salt source，availing to energy conservation and reducing discharge，and protects the natural resources and circumstance well during continuously achieving economic benefit.

Green mining of lake salt

Zhang Qingsong，Zhang Qingsheng，Cai HuiLi(1)

U674.3

A

2011-10-12

张青松(1976-)，男，工程师，主要从事挖泥船的设计和建造;章庆生(1964-)，男，教授级高级工程师，主要从事船舶设计和研究工作;蔡惠礼(1938-)，男，教授级高级工程师，江苏省镇江船厂集团有限公司顾问。