自然蒸发法海水晒盐的自动化技术研究

刘玉良，王朝海，王学鹏

（1.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022；2.舟山市海大科学技术研究院，浙江舟山 316041；3.浙江精宏机械有限公司，浙江舟山 316032）

自然蒸发法海水晒盐的自动化技术研究

刘玉良1,2,3，王朝海1,2，王学鹏3

（1.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022；2.舟山市海大科学技术研究院，浙江舟山 316041；3.浙江精宏机械有限公司，浙江舟山 316032）

在分析自然蒸发法海水晒盐工艺流程的基础上，论述了晒盐的自动化方案，然后应用自制的小车替代人工完成打盐花操作。小车机械部分基于尼龙材质，使海水腐蚀问题得到解决。调试结果表明，自制的小车能够满足打盐花的速度和质量要求，而且小车的底板、轴承、轮子、电路、软件等全部自主设计和开发，有效地控制了成本，有利于在中小盐场推广应用。

海水晒盐；打盐花；自动化；海水腐蚀

海水晒盐可分为工厂化晒盐和自然蒸发法晒盐，前者属于新技术领域，通常与海水淡化协调进行[1-2]，但我国的海水晒盐大多属于后者。我国现有海水盐场约33.33万hm2，规模和产量均居世界第一[3]。其中，北方盐场规模较大，机械化、自动化程度较高。例如，年产300多万吨海盐的长芦盐场（图1-a），自动化率60%～80%，先进程度已赶上墨西哥的黑勇士盐场、澳大利亚的丹皮尔盐场等[3-4]。但是，我国南方中小盐场较多，大型机械化装备不适用，这些中小盐场技术更新缓慢，目前仍以千百年来最原始的人工方式（图1-b）为主，普遍存在工作环境差、生产效率低、劳动强度大，以及招工难、行业萎缩[5]等亟待解决的问题。

图1 海水晒盐作业方式对比Fig.1 Comparison between the ways of drying salt from sea water

基于上述背景，本文在研究自然蒸发法海水晒盐工艺流程的基础上，针对单调、重复、又费力的打盐花环节，提出自动化改进方案，然后自制小车替代人工进行打盐花。本文主要论述打盐花小车的机械设计、电气设计和打盐花效果。

1 海水晒盐工艺流程概述

自然蒸发法海水晒盐一般由蒸发池和结晶池组成，其中蒸发池面积较大。以面积1.33 hm2的典型盐场为例，蒸发池占1 hm2以上，其余是对称分布的结晶池。海水晒盐包括压滩、纳潮、制卤、晒卤、收盐等流程[5-7]，如图2。所谓压滩，就是用压滩机把盐池压平压实。纳潮是利用海潮高涨引水入塘，要求盐民熟知潮汐涨落、潮位高低、海水浓度变化等，以保证适时纳入浓度高的海水。制卤又叫蒸发，是海水吸收太阳能，然后蒸发掉水分直至得到氯化钠饱和溶液的过程，制卤蒸发速度跟温度、湿度、面积、风力、风向、母液所含溶质、日照时间、卤水深浅、池底黑膜颜色深浅[3]等紧密相关。

图2 海水晒盐流程Fig.2 Flow chart of drying salt from seawater

晒卤又叫结晶，又细分为开池→冲池→打盐花等过程，其中开池又叫开庭、开晒或灌池，就是将饱和卤水放进结晶池，在雨后或晒盐淡季转入旺季后进行，一般上午为宜；冲池又叫加卤或添卤，是为了保持浓度而给结晶池补充饱和卤水。

打盐花就是将“盐花”打沉。晒卤过程，结晶核会在卤水表面形成，当太阳幅射强、蒸发量大而又风平浪静的时候，卤水表面的晶核优先成长，成为片状或漏斗状的“盐花”而飘浮在卤面上。这些“盐花”遮盖了卤水表面，挡住了太阳辐射，妨碍卤水及池底吸热，阻止了水分子逸出，从而影响水分蒸发和晒盐效益。因此，打盐花是晒卤过程劳动量最大而且十分关键的环节。打盐花之后是收盐环节，是海水晒盐的最后一道工序，一般用盐耙将盐从结晶池各个方向统一扒拢到中心堆起，再收至泥箕，然后由人工挑进盐仓或码垛（图2）。

上述海水晒盐流程中，压滩每年一次就可以，重复度不高，纳潮和制卤一般依靠自然力，劳动强度不算太大。但是，晒卤环节的打盐花等，需要不断重复地进行，尤其在高温酷暑季节，刚好又是晒盐旺季，盐民长时间在结晶池打盐花容易捂出脚疾。因此，自动化技术应用于打盐花意义重大，本文重点解决此问题。

2 自动化打盐花的方案设计

自动化打盐花研究方面，浙江省提出很多方法，其中影响较大的是岱山县晒盐示范区提出的套绳法（图3-a）。所谓套绳法打盐花，就是事先在结晶池两侧打若干根木桩，再将一根长套绳盘旋缠绕于各木桩，通过布放在四个结晶池对称中心的机器带动套绳运转，从而替代人工进行打盐花。套绳法的主要缺陷是大面积打桩，而且每次收盐之前要收回套绳。由于套绳很长，套绳的布放和收取既繁琐又费时，明显影响了晒盐效率。这种方法实际上未得到行业认可，因此只在晒盐示范区使用过。

本文提出的打盐花自动化方案是用遥控小车替代人工进行，就是由小车带动一根短绳打盐花，绳子长度稍大于盐池的长对角线即可，绳子一端固定于小车尾部，另一端可通过石头固定于盐池中央，如图3-b。本文之所以没有选用全自动智能车，主要因为智能车的芯片较贵，设备成本高，而且在高温高腐蚀的环境中纤细的电子线路更易故障，而且盐民年龄普遍较大，不便于复杂电子系统的操作和维护。本文选用遥控式小车，主要基于设备成本、恶劣环境、操作便利、运行稳健等关键问题的考虑。

图3 打盐花方案对比Fig.3 Scheme comparison of smashing salt tablet:bush rope method and vehicle method

3 打盐花遥控小车的设计

3.1 机械结构设计

遥控小车本体的机械结构包括底盘、四轮、轴承、转向机构等，如图4。辅助结构包括滚筒、滚轴（2个）、支撑架（2个）、滑块（2个）、滑轨（2个）、支板、支柱、轮架（2个）、鞭绳、支杆、移动块（2个）、下板、齿轮（2个）、气缸等，结构设计已申请发明专利。小车本体长1 m，宽0.6 m。这里面最关键的问题是抗击海水腐蚀，为此小车本体全部采用尼龙材质。小车轴承的尺寸较小，设计时借鉴了玻璃轴承的原理进行改造，其余机械零部件全部自行设计和定制，使得设备成本得到控制。

图4 打盐花小车的机械结构Fig.4 Mechanical structure of the vehicle for smashing salt tablet

3.2 电气设计

遥控小车的电气部分包括遥控器、步进电机、电机驱动器、电机控制器、变压器等（图5-a）。除变压器、步进电机及芯片外，软件编程和电路板设计等均自行完成。本文的遥控器内置一个51单片机芯片为核心的电路板，外置的8个按钮分别完成加速、减速、前进、后退、左转、右转、开机、停止等命令，遥控范围200 m。步进电机有2个，一个是转矩5 N·m的舵机用来控制转弯，另一个是转矩10 N·m转矩的直流步进电机用来提供动力。为防止海水腐蚀和电路短路，本文选用垂直轴直流步进电机。电机驱动器一是用来驱动舵机控制小车的转向和转角，转角范围0°～60°，二是用来驱动步进电机，进而控制小车的前转、后转、加速、减速、启动、停止等，电机驱动器接线（图5-b）。变压器的作用是将220 V市电转换为36 V交流电，再通过自主设计的整流稳压电路得到36V直流电。电机控制器及散热装置密封后布放于小车上，接受遥控的运动指令。控制算法方面，我们用C语言编写代码，编译后分别烧写到遥控器内置芯片和电机控制器主控芯片。

图5 打盐花小车的电气结构Fig.5 Electrical structure of the vehicle for smashing salt tablet

4 试验测试

遥控小车的设计和制作完成之后，我们先在实验室测试其移动稳定性，然后在舟山市朱家尖盐场进行综合性测试。根据结晶池的实际情况设置了37%以上饱和盐水浓度、3～4 cm盐水深度[7]等测试环境，主要测试小车在结晶池浓盐水环境中的行进速度、稳定性、载荷能力、转弯能力、打花效果等，结果表明自制的小车可以代替人工完成打盐花要求。

5 结论

本文在论述海水晒盐工艺流程的基础上，选取打盐花这一单调、重复又费力的生产环节，提出了依托遥控小车的自动化方案。小车的运动稳定性、防腐能力、安全性等均可通过机械设计、尼龙材质选型和电机控制算法自编等得以保证，并且根据实验测试结果进行了结构及控制算法的完善。除打盐花外，收盐也是劳动强度极大的晒盐环节。本文设计的小车可以继续参与收盐环节，因此还需研制一套吸盐、送盐一体化的新装置固定于小车之上，这是我们下一步研究的重点。

[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]曹英贵.海水晒盐生产中盐田工艺探究[J].化工管理,2014(18):183-183.

[4]王凯旋,胡海燕,郑 杰.岱山岛利用浓海水晒盐的实证研究[J].中国外资,2012(14):284-285.

[5]黄招扬.广西海水晒盐工艺研究——以广西北海市铁山港区北暮盐场为例 [J].广西民族大学学报:自然科学版,2008,14 (3):41-45.

[6]世界盐业简介.http://www.qhsalt.com.cn/newscenter/readnews.asp.[2005-04-17].

[7]制盐技术史.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

浙江省公益性项目(2015C31072)；定海区科技计划项目(2015C3101)

刘玉良（1971-），男，河南唐河人，教授，博士，研究方向：信号处理与通信网络，智能机器人.