湖鹽的綠色開采

張青松，章慶生，蔡惠禮

(1.江蘇省鎮江船廠集團有限公司，江蘇鎮江 212000;2.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇鎮江 212003)

湖鹽的綠色開采

張青松1，章慶生2，蔡惠禮1

(1.江蘇省鎮江船廠集團有限公司，江蘇鎮江 212000;2.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇鎮江 212003)

通過對湖鹽開采的現狀調查，研制出雙刀輪采鹽船和分離船，并提出了進一步實現綠色開采湖鹽的方案。此方案為我國西部采挖蘊藏量巨大的優質湖鹽資源提供施工借鑒，有利于節能減排，并在持續獲得經濟效益的同時，對自然資源和環境進行良好的保護。

湖鹽;雙刀輪采鹽船;分離裝置;節能;綠色開采

0 引言

在我國西北地區的青海、內蒙和新疆境內，分布著一些蘊藏量巨大的優質湖鹽資源。自古以來天然形成的結晶體湖鹽內含有人體需要的多種氨基酸和礦物質，在對這種原生態湖鹽采挖后，又可自然形成再生鹽，是取之不盡的優質露天鹽礦。對這種既是食用鹽又是化工原料的資源采挖，應在科學發展觀的指導下，實現綠色開采，以利于在持續獲得經濟效益的同時，對自然資源和環境進行良好的保護。

綠色開采的含義是:在對湖鹽采挖、篩選和載運的全壽命周期內(包括設計、設備制造、使用、維護保養、報廢拆解等)，通過采用先進的技術和科學的管理，盡可能地滿足用戶功能和使用性能的要求，達到良好的經濟效果。同時要求節省資源、節約能源，最大限度地減少或消除對鹽湖環境的污染和對自然資源的長久利用，并對勞動者提供良好的保護，以實現湖鹽開采事業的持續發展。

1 采鹽船開采湖鹽的工況調查

湖鹽礦床是固液并存的露天石鹽礦床，可以實施機械化開采作業，但鹽湖所處的地理環境特殊，表征為海拔高度高、溫差大、風速大、氣象變化快、年施工日短。各地鹽場的地質情況和鹽湖中鹽層的物理特性雖有不同，但差異不大，表1為青海茶卡鹽湖的工況調查，它是采鹽船需要適應的比較典型的湖鹽開采工況。

表1 青海茶卡鹽湖工況調查表

采鹽船建造或上坡修理結束后，湖邊工地具備整船組裝和下水條件，鹽湖地區的供電狀況良好。

2 湖鹽開采技術的變革

改革開放以來，對固液并存的露天湖鹽實行機械化開采中，出現了不同的方式。根據鹽層的密實度、結晶粒度和抗壓強度等物理特性，采用了多種作業方式，從而在青海、內蒙和新疆等地的鹽湖，除開采條件可適用陸用挖掘機作業外，一般都采用了不同形式的采鹽船。主要有以下幾種:

(1)絞吸式采鹽船。這是直接移植絞吸式挖泥船的采鹽工具，由于鹽層的物理特性不同于泥土，所以一般對絞刀作了改造，鹽漿通過尾排管輸至水上分離機后由運鹽船送出。

(2)鏈斗式采鹽船。借鑒鏈斗式挖泥船，連續翻轉的鏈斗采鹽后直接進入采鹽船旁的運鹽船送出。

(3)刀輪式采鹽船。采用雙刀輪挖掘頭代替絞吸式采鹽船上的絞刀頭，鹽漿輸入近旁的分離船，經分離后的鹽由運鹽船送出。

以上3種類型的采鹽船都可以對原生態湖鹽實現機械化作業，但生產效率、資源利用、環境和勞動保護等顯示出明顯的差異。

1990年，江蘇省鎮江船廠為內蒙古雅布賴鹽場研制的80 m3電動刀輪式采鹽船第一次將刀輪采掘頭代替絞刀頭采挖結晶體湖鹽取得了成效。刀輪采鹽有效克服了用絞刀頭采鹽遇到比較密實的鹽層時，必須借助人工爆破鹽層來輔助作業的現象，其功效也明顯優于絞刀。

由鎮江船廠、江蘇省船舶設計研究所和青海省鹽業公司合作攻關的新一代雙刀輪采鹽船—“青鹽101”于2009年8月在茶卡鹽湖投產試用，與之配套的由鎮江船廠設計并現場指導建造的分離船也同時投入了營運。2年多來的使用證明:吸揚式雙刀輪采鹽船采掘結晶體湖鹽滿足了綠色開采的基本要求。

茶卡鹽場原同時使用過3艘絞吸式采鹽船，每艘船的電功率是95 kW，產量為60～100 t/h。現使用雙刀輪采鹽船只需1艘，全船配備的電功率為300 kW，平均產量超過了300 t/h，有效地避免了人工爆破對環境造成的污染和消除了作業中的安全隱患。表2為2種采鹽船的效能對比。

表2 茶卡鹽場使用2種采鹽船的效能對比表

從表2看出，在采鹽生產率提高的同時，刀輪采鹽船只用1艘，其維修保養費和勞動力費用均降低，明顯降低了采鹽生產成本，提高了經濟效益。

3 雙刀輪采鹽船及其配套船主要量度

圖1和圖2分別為茶卡鹽湖上使用的雙刀輪采鹽船和分離船總布置圖;4艘300 t專用運鹽船往返于專門開啟的航道之中，其總布置圖見圖3。

3.1 雙刀輪采鹽船

總長(絞刀架呈水平位置時) 48.50 m

船長 38.50 m

型寬 7.54 m

型深 1.80 m

設計吃水 1.00 m

總重(干重) 160.00 t

設計生產能力 300.00 t/h

采挖深度 5.50 m

3.2 分離船

總長～44.35 m

型長 42.35 m

型寬 9.90 m

型深 1.80 m

設計吃水 1.20 m

儲鹽量 180.00 t

分離機處理能力 1 200.00 m3/h

3.3 自卸式運鹽船

總長 35.00 m

船長 34.00 m

型寬 7.80 m

型深 2.00 m

設計吃水 1.60 m

載鹽量 300.00 t采鹽船借鑒吸揚式挖泥船的工作原理，實現機械化連續作業，為提高采鹽生產效能，開采有不同密實度的結晶體鹽層，采用適當的采掘頭是個關鍵，絞刀、鏈斗、斗輪、刀輪等不同的采掘頭都有各自對采掘對象的適應性。國內外研制的實踐表明，雙刀輪采鹽船正是高效采挖湖鹽的最佳形式。

4 電動雙刀輪采鹽船的研制

電動雙刀輪采鹽船是湖鹽開采系統中的關鍵設備，它是否先進、可靠、經濟和耐用是眾所注目的焦點，研制采用了以下一些技術工藝措施和先進適用的配備。

圖1 300 t/h雙刀輪采鹽船總布置圖

圖2 1 200 m3/h分離船總布置圖

圖3 300 t自卸式運鹽船側視圖

(1)采鹽船采用電力為動能，有利于實施自動化操縱，消除對大氣、鹽湖的污染，也有利于改善操作環境。電源為高壓10 kV，從而可降低線損。

在我國大西北地區，有著豐富的電能資源，電價也相對較低。采鹽船離基地有一定距離，電動采鹽船可避免柴油機為動力的船舶需水上加油的麻煩。雖然一次性投資大些，但綜合使用成本低，長期使用經濟環保。

船上的電機設備和供電系統均應適應高原鹽湖的環境條件，主要元器件均采用高原型，并應滿足鹽場作業的節能要求，如對采鹽泵應采用變頻調速控制系統。

電控液壓系統為采鹽船的高效作業和自動化控制提供了有利條件，也便于實施人性化采鹽作業。針對鹽湖內不同鹽層的密實度差異，造成采挖鹽漿的濃度變化，采鹽船對選用的電機功率要適當地留有余量。

為適應采掘不同密實度和不同粒度的結晶體鹽層，研制高效能的雙刀輪采鹽頭及其A字架、鹽漿吸排系統和船舶移動定位系統等是提高產能的關鍵。

采鹽船在設計研制過程中，借鑒了國外刀輪的相關介紹，在以往實踐的基礎上研究改進，并將在不同類型的挖泥船上經長期實踐證明完全成熟的經驗選擇性地移植到采鹽船的開發上。

(2)雙刀輪采掘系統

雙刀輪是由2只上下旋轉的切削輪組成并由2臺高扭矩/低轉速液壓馬達傳動。這樣使得采鹽刀輪可以向2個工作端輸送非常高的切削力并且可以調整需要的旋轉速度。與斗輪采挖裝置相比，刀輪的傳動裝置及液壓馬達布置在雙刀輪的中間，左右擺動切削時沒有液壓馬達、箱體或吸管的影響，既保護了液壓馬達也提高了切削的效率。刀輪特別適合所謂“金剛土”土質以及結晶體較硬的水下礦產的開挖，刀輪上配備了刀齒，刀齒可根據不同采掘物更換。刀輪內部吸入口分為2個吸入室，中間裝有切換擋板以便保證水下刀輪獲得較高的吸力和濃度。擋板由YJBSKF50齒輪齒條擺動油缸驅動，通過對閥件的程序控制，自動實現左挖左開，右挖右開，使裝置便于操作，左右工作效率相等，并能獲得更大的切削力和更高的吸入濃度，提高了采鹽船的生產效率。互換兩側的刀輪即可改變刀輪的旋轉方向，這樣，對堅硬的鹽層可以從底部往上挖，而對松軟的鹽層可以由頂部向下挖。將特殊結構的吸口設計成與刀輪內形輪廓一致，從而保證了吸口能夠自我沖洗，無介質堵塞。

采掘裝置主要結構形式及工作流程見圖4。

圖4 雙刀輪采掘裝置結構示意圖

鹽漿的流程:f區域的鹽礦被刀輪切削后，鹽漿沿c方向進入吸入腔，然后通過切換擋板進入吸管。切換擋板與左右橫移方向一致，加上左右吸入腔中間有隔板隔斷，所以始終保證切削一側進鹽，從而提高了刀輪的吸入濃度。

因為結晶鹽硬度較大，應選用合金耐磨鋼作為刀輪的切削刀刃。實際使用新型馬貝體材料，以延長刀輪刀刃的使用壽命。

針對刀輪工作遭遇的是有一定密實度的結晶體鹽層，A字型吊架較好地吸收了刀輪在運轉過程中的振動。

(3)吸排鹽漿和分離輸送系統

雙刀輪對表層及以下鹽層進行采掘后即形成鹽漿，船艙內的鹽泵通過管道將鹽漿抽吸并加壓排出，鹽泵為離心式結構。由于挖深不大，排距固定，其清水流量為1 200 m3/h，揚程為34 mH2O，考慮到有一定的功率儲備，軸功率為160 kW。

采鹽船尾部200 m處停泊分離船。通過水上浮管與采鹽船尾部轉動彎管聯接，其功能是將采鹽船噴送上來的鹽漿進行脫水分離，使水和粉鹽排出，將顆粒鹽儲存并通過隨船的皮帶輸送機裝上運鹽船。分離、儲存、裝船、靠泊是分離船具有的4種功能，因此它實際上是1艘有著綜合功能的水上工作平臺，全部動作采用電、液控制。

在分離船的前端布置1臺碩大的脫水振動篩，鹽漿處理能力為1 200 m3/h，篩面為特殊結構，注重經久耐用。分離船在鹽湖上隨采鹽船移位，靠定位樁定位，實用方便。船體的設計考慮了設備的整體布置和運輸船停靠的方便，船底部的固定壓載增加了分離船的吃水，降低了船舶的重心，提高了抗風等級，適應鹽湖地處因季風帶來的影響。船體結構設計時在工作機械處所均作了相應的加強，實際使用反映出系統運行良好。

(4)船舶移動及定位樁系統

采鹽船的船體尾部設有臺車系統，用于船舶在采鹽過程中按需要移動船位。臺車裝置的行程為4 m，可減少頻繁換樁的時間，同時保證了鹵溝開挖后鹽床采掘面的平整，對于鹽湖資源中原生態鹽與再生鹽生長都起保護作用。

為提高效能，增大1次擺挖的寬度，采鹽船船體長度增加到38.5 m，使每次主樁定位后的擺寬可達60 m，保證了1次開挖出的航道達到需要的通航寬度，無需2次折返作業。

采鹽船依靠定位樁定位，這樣既保證了定位精度，也減少了換位時間。設置在船中臺車上的為主樁，右舷為副樁，2根定位樁直徑均為Φ520 mm。定位樁通過液壓油缸升降，取消了絞車升樁系統中采用的塔架結構。

(5)通過計算機實施采鹽作業的自動監控是現代水上采掘事業的重要標志。采鹽船配置有動態重力式產量計，這是一種能檢測和計量連續輸送管道中的固液二相的鹽漿濃度、密度、流速、流量、產量、混合流體工作壓力和工作時間等參數的新型集成智能化儀器，可對生產現場進行實時檢測和控制，這為現代化采鹽作業提供了科學的手段。

采鹽船在工作時，刀輪頭一般都處于湖面以下，操作手只能憑經驗來控制采鹽量的大小。采鹽船作業時，會因船的波動產生堵管或吸空等現象，不僅影響了采鹽船的生產效率，也使后續流水線上的篩選、運輸系統出現堵塞和空轉。智能化的產量計可監控動態鹽漿，使其濃度保持在一個適宜的范圍內，在提高生產效率的同時，為現代生產管理提供了量化數據，并對運動中的船舶設備提供了預警和保護。

動態稱重式產量計有別于國內外在挖泥船上普遍采用的γ射線密度計，它是環保型的綠色專利產品。

(6)船體、定位樁、刀輪架和鹽漿吸排管等均采用抗腐蝕的材料和噴涂工藝。在噴丸除銹的基礎上，對鋼板外表面熱噴鋅并噴涂無公害涂料，可有效保護船體、絞刀架、定位樁等外表不受鹵水的腐蝕。這不僅提高了設備的使用壽命并對鹽湖環境提供了有效的保護。

鹽漿管采用超高分子聚乙烯管材。它具有較強的自潤滑性和耐磨性能、耐腐蝕和抗沖擊，適應高原氣溫變化，且無毒，不含重金屬添加劑，從而為高品質的食用鹽漿的輸送提供了衛生許可。

5 對湖鹽綠色開采的探索

(1)2年多來的使用，由雙刀輪采鹽船、分離船和運鹽船隊組成的茶卡鹽湖采鹽系統取得了成功，但也需要進一步改進。其主要表現為:

①整套系統投入的人員尚較多，勞動生產率還可提升，特別是運輸系統，從采鹽區到基地的運距有10 km左右，需要4艘運鹽船同時工作;

②設備投資大，設備維修費用高;

③6艘船舶均在湖內工作，不能避免由眾多操作人員和柴油機驅動的運鹽船對環境造成一定的影響。

(2)鹽漿直接通過管道輸送的改進

適當地提高鹽漿泵的揚程，采鹽船尾排系統視鹽漿輸送距離采用若干個增壓泵站，直接將鹽漿輸送到設置在基地岸邊的分離裝置并就近將鹽儲進岸邊鹽庫。

6 設計方案的確定

以茶卡鹽場的采鹽作業為例，根據目前的施工現狀和輸送距離，設計方案計算如下:

(1)設計要求

排量(清水) 1 200 m3/h

排距 10 000 m

水上排距 5 000 m

陸上排距 5 000 m

排高 3 m

鹽漿比重 (體積濃度15%) 1.38 t/m3

鹽晶體比重 2.15 t/m3

(2)吸排管直徑選取

吸管直徑 0.375 m

排管直徑 0.35 m

排管鹽漿流速 2.51 m/s

吸管鹽漿流速 2.19 m/s

(3)阻力計算

每米管道阻力 0.024 8 mH2O

排泥管折算長度 10 500 m

沿程總阻力 260 mH2O

排高損失 4 m H2O

局部損失 6 m H2O

總阻力 270.4 m H2O

(4)鹽漿輸送方案

方案為:串連5套增壓泵站，每臺揚程56 m，共280 mH2O，就可克服10 km輸送管的鹽漿流動阻力。不同的鹽場可根據自身的地理條件按輸送距離的長短配置一定數量的加壓泵站，并應預制備用泵站，這樣就可完全替代投資巨大、使用成本較高、對鹽湖造成一定環境影響的運鹽船隊。圖5為鹽漿采鹽管道運輸方案圖。

圖5 鹽漿的管道運輸方案

(5)新方案的優點

①節省投資，只需1艘湖上交通船并兼作拖船，省去了分離船和運輸船;

②減少眾多的船員，提高了勞動生產率，省卻了大多數船員及其相關費用、保養費和航道維護費等，降低了生產成本;

③全部采用電力驅動，節能降耗，有利于實施自動化控制;

④有利于環境保護，根除了柴油機船對鹽湖的污染。

7 結語

通過對青海茶卡鹽湖研制雙刀輪采鹽船及其配套的分離船的實踐，找到了一條采掘結晶體湖鹽的新路，這是一種增效、環保的機械化連續采鹽的方式，體現了對自然資源的有效利用和促進湖鹽開采事業的持續發展。

在現有的基礎上，應進一步改革采掘湖鹽的裝備系統，以若干電動加壓泵站為增壓源的鹽漿管道輸送系統代替柴油機驅動的運鹽船，并將湖中的分離船移設在岸邊基地，從而實現高效、節能、消除污染的現代綠色開采湖鹽的目標。

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

張青松(1976-)，男，工程師，主要從事挖泥船的設計和建造;章慶生(1964-)，男，教授級高級工程師，主要從事船舶設計和研究工作;蔡惠禮(1938-)，男，教授級高級工程師，江蘇省鎮江船廠集團有限公司顧問。