CN103774630B - 一种磁流体海面薄油膜回收分离装置 - Google Patents

一种磁流体海面薄油膜回收分离装置 Download PDF

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Abstract

一种磁流体海面薄油膜回收分离装置，其磁流体通道(5)穿过磁体(6)的磁孔且前与鸭嘴形吸管(4)，后与油水分离箱(7)、开放式滤箱(9)以及喷管(11)顺序连接。鸭嘴形吸管(4)的前部顺序为滚轮撇油器(3)、垃圾网栏(2)和导流门栏(1)。导流门栏(1)设置在船体(12)的最前端，垃圾网栏(2)和滚轮撇油器(3)设置在船体(12)前部渠道中。鸭嘴形吸管(4)设置在船体(12)前部渠道末端与滚轮撇油器(3)的圆形外轮毂面配合的船舱圆弧形前端板下部，且穿入船体(12)的船舱与磁流体通道(5)连接。磁体(6)、油水分离箱(7)和开放式滤箱(9)放置于船体(12)的船舱内，喷管(11)嵌装在船体(12)的船艉板上。

Description

一种磁流体海面薄油膜回收分离装置
技术领域
本发明涉及一种海洋溢油处置装置，特别是一种适用于厚度为毫米级以下油膜的回收分离装置。
背景技术
海上溢油应急处理中，通常将厚度为1～10mm的油层称为薄油层。根据波恩协议，厚度小于1mm的油层为油膜。海面薄油层、化工原料的污染和泄漏以及轻质油、凝析油、含油污水等形成的油膜，由于厚度薄、连续性差，油水、油气界面大，成为最难处理的海洋溢油污染问题。中国专利02142835.2公开了一种磁流体动力回收海面浮油的方法和装置，利用油和海水两相介质在电磁力和重力作用下呈现不同的流体运动状态实现了海面薄油层的回收分离。然而，在实际运行时发现，磁流体通道上部需留有几毫米的气隙，即海水不能完全充满磁流体通道，以便油层能够顺利进入磁流体通道完成海面溢油的回收和分离（张国艳，彭燕，赵凌志，李然，沙次文.磁流体(MHD)浮油回收装置中通道内部流动特性的仿真分析.海洋环境科学，第26卷第1期，2007），这就导致：1）浪费了宝贵的磁场空间，降低了磁流体通道的利用率，因为磁流体通道穿过磁体的磁孔，电磁力直接作用在导电的海水；2）降级了电极的利用率，增大了装置的成本和造价，因为海水磁流体动力装置中，一般采用钛铂复合电极（Yan Peng,Linzhi Zhao,Ciwen Sha,Yi Zheng,Ran Li,Jinfu Ling and Aiwu Peng.FUNDAMENTAL STUDY ON OIL SPILLRECOVERY FROM OIL-CONTAMINATED SEAWATER BY MHD METHOD,Proc.ICMHD2005,May 24-27,2005,Russia）；3）分离装置的运行条件非常苛刻，且对波浪非常敏感，大大降低了装置的适波性。此外，电极在海水中电解，产生气泡。上述磁流体动力回收海面浮油的方法和装置中，磁流体通道为水平放置，静压从磁流体通道入口到出口是逐渐增加的，不利于气泡的排出，使气泡聚集在磁流体通道的上部空间和入口，影响浮油进入磁流体通道及其在磁流体通道内的流动，进而影响浮油的回收分离效果。
因此，随着磁流体动力回收分离海面浮油技术的实用化，如何提高磁流体动力回收分离装置的适波性、运行稳定性和可靠性，降低其成本造价，成为重要的技术问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种适波性好、运行稳定可靠的磁流体海面薄油膜回收分离装置。
本发明主要由导流门栏、垃圾网栏、滚轮撇油器、鸭嘴形吸管、磁流体通道、磁体、油水分离箱、半圆管式阻油阵列梳板、开放式滤箱、滤芯层、喷管和船体组成。磁流体通道穿过磁体的磁孔，其前部与鸭嘴形吸管连接；磁流体通道的后部与油水分离箱连接，油水分离箱连接开放式滤箱，开放式滤箱与喷管连接，喷管的末端穿过船体艉部的艉板与大海连通。鸭嘴形吸管的前部顺序布置有滚轮撇油器、垃圾网栏和导流门栏。船体的船艏中间开有引入海水的渠道，导流门栏设置在渠道的最前端，垃圾网栏和滚轮撇油器一前一后横跨在渠道上，鸭嘴形吸管设置在渠道末端的船舱圆弧形前端板下部，且穿入船体的船舱与磁流体通道连接。鸭嘴形吸入管、磁流体通道、油水分离箱、开放式虑箱和喷管组成一个连通的流动区域，油污海水经船艏中间的渠道进入该流动区域，洁净的海水通过喷管再次流入大海。磁体、油水分离箱、开放式滤箱和喷管放置于船体的船舱内，开放式滤箱的后侧板的下部设有开口与喷管连接。半圆管式阻油阵列梳板放置在油水分离箱内靠下的部位，滤芯层放置在开放式滤箱内靠上的部位。导流门栏固定在船体的最前端；垃圾网栏、滚轮撇油器固定在船艏渠道的两岸上；磁体、油水分离箱和开放式滤箱固定在船体的船底板上；喷管嵌装在船艉的板上。
船体的船艏中间开有引入海水的渠道，形成类似双体船的船艏结构，垃圾网栏和滚轮撇油器横跨在渠道上，渠道的两岸上有支撑垃圾网栏和滚轮撇油器的轴，渠道的两岸侧板与垃圾网栏和滚轮撇油器的侧面相配合，渠道末端与鸭嘴形吸管连通；船体后部为设置磁流体通道、油水分离箱、开放式滤箱喷管的船舱；喷管穿过船艉板与大海连通。
滚轮撇油器是一种大轮毂矮叶片并带有侧板的叶轮，主要由叶片、轮毂面、支轴架和侧板组成。滚轮撇油器通过支轴架横跨在船艏中间的渠道上，支架轴固定在船艏中间渠道的两岸上；滚轮撇油器的圆形外轮面与渠道末端的、船舱圆弧形前端板配合；滚轮撇油器的下部浸入海水中，通过调速电机控制其运转在水中向前滚动。叶片在轮毂面均匀分布，叶片的两侧端与两侧板相连，叶片的高度与侧板在径向方向上齐平，叶片与径向的交角为0～75°、且偏向叶轮滚动方向一侧，叶片采用疏油性材料制作；叶轮的轮毂面上由相邻叶片和两侧板构成两侧端封闭的长槽斗；当叶轮向前滚动时，这些长槽斗能有效地把海面上的浮油扣在槽斗内，并随叶轮的滚动送至鸭嘴形吸管的入口，并在鸭嘴形吸管入口产生槽斗处水深所形成的压力P=ρgH0，H0为油污海面到鸭嘴形吸管入口的垂直距离，为充分发挥磁流体通道自吸式吸排油水分离的效果创造了极好的条件。进入磁流体通道的油污海水量Q与叶片的径向高度w和轴向宽度h、叶轮与轮廓之间间隙、叶轮转速n及磁流体压升Pmhd等因素有关，而叶轮吸纳能力，即送入鸭嘴形吸管的油污海水量Q对油污海面水位H0的高低、即波浪有较大适应性，且与叶轮的直径d有较大关系，Q正比于hwπdn。
鸭嘴形吸管是具有复杂空间曲面的、由扁平入口过渡到矩形出口的过渡管道；其前端开口呈扁平形状、贴近滚轮撇油器底部的叶片且斜向上伸展，后端开口呈矩形且与矩形磁流体通道入口连接。鸭嘴形吸管的前端贴近滚轮撇油器的叶片，以保证滚轮撇油器赶来的油水顺利进入磁流体通道且具有尽可能高的油份额。
磁流体通道是截面为矩形的直线管道，磁流体通道穿过磁体的磁孔，在与磁场平行的两侧面内置一对平板型电极。在外加电场和磁场的作用下，磁流体通道内的导电海水受到洛伦兹力的作用，产生磁流体压升Pmhd。磁流体通道是斜向上布置的，与海平面有一个向上的倾角a=10～45°，磁流体通道的长度Lmhd、内部流动损失Ploss、出口压力Pt以及鸭嘴形吸管长度Ly和入口压力P满足P-Pt=ρg(Lmhd+Ly)sina+Ploss-Pmhd>0，式中ρ为密度，g为比重。从而使磁流体通道内充满油污海水且压力分布从入口到出口逐渐降低，充分发挥了磁流体动力和电解气泡及海水拖油的作用，保证磁流体回收分离的效果。
磁体为两极永磁磁体，磁孔为矩形，斜向上布置、与海平面有一个向上的倾角a=10～45°；表面采用防腐防潮处理。
油水分离箱是一个上开口方形容器，前侧板开口与磁流体通道的出口连通，后侧板开口与开放式滤箱连通，内置半圆管式阻油阵列梳板。
半圆管式阻油阵列梳板由半圆管盾面柱子阵列和方形梳板组成，水平设置在油水分离箱的下部且靠近油水分离箱的底板；半圆管盾面柱子阵列垂直均布在方形梳板的上表面，且其上端低于磁流体通道出口下沿，半圆管盾面柱子的半圆口朝向磁流体通道的方向，以利用流体绕过半圆管盾面产生的涡流帮助把进入油水分离箱下部区域的油珠阻留住；除与油水分离箱的前侧板之间有一段距离外，方形梳板的其余侧均与油水分离箱的三侧板为可拆卸的紧密连接；方形梳板与油水分离箱的前侧板及与油水分离箱的底板之间构成流道，油水分离箱内方形梳板下方区域与开放式滤箱连通。
开放式滤箱是一个上开口方形容器，设有竖立隔流板和滤芯层，进行磁流体回收分离后又一重排水、过滤乃至去油处理；隔流板的高度低于开放式滤箱的高度，滤芯层可以清洁或更新；开放式滤箱的后侧板的下部开口与喷管连接。
滚轮撇油器将船艏中间渠道内的油污海水送至鸭嘴形吸管；在磁流体通道中产生的磁流体泵吸力和鸭嘴形吸管入口压力P的作用下，油污海水顺畅地吸入磁流体通道；磁流体通道内海水受到电磁力的作用产生磁流体压升Pmhd、带动油层向油水分离箱流动，同时磁流体通道出口压力增为Pt、且大气压P0<Pt<P；由于P-Pt=ρg(Lmhd+Ly)sina+Ploss-Pmhd>0，磁流体通道内的压力分布从入口到出口逐渐减小，因而，磁流体通道内电解产生的气泡向油水分离箱流动，在其流动的同时，进一步带动油向油水分离箱流动，充分发挥了磁流体动力和电解气泡及海水拖油的作用；在Pt的作用下，油在油水分离箱上部不断积聚，洁净海水从油水分离箱下部、经开放式滤箱和喷管重新流入大海。
本发明采用滚轮撇油器、鸭嘴形吸入管及斜置的磁流体通道，使磁流体通道内充满油污海水，改变了磁流体通道内压力分布和内部油水气的流动状态，彻底解决了随机波、电解气泡影响浮油回收分离效果的技术难题，提高了装置的适波性、运行稳定性和可靠性，降低了装置的成本和造价。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的示意图，其中图1a为主视图，图1b为俯视图。图中1导流门栏，2垃圾网栏，3滚轮撇油器，4鸭嘴形吸管，5磁流体通道，6磁体，7油水分离箱，8半圆管式阻油阵列梳板，9开放式滤箱，10滤芯层，11喷管，12船体；3-1为叶片，3-2为轮毂面，3-3为支轴架，3-4为侧板。
图2是本发明实施例磁流体通道中心线上压力分布图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明主要由导流门栏1、垃圾网栏2、滚轮撇油器3、鸭嘴形吸管4、磁流体通道5、磁体6、油水分离箱7、半圆管式阻油阵列梳板8、开放式滤箱9、滤芯层10、喷管11和船体12组成。磁流体通道5穿过磁体6的磁孔，其前部与鸭嘴形吸管4连接，磁流体通道5的后部与油水分离箱7相连，油水分离箱7与开放式滤箱9连接，开放式滤箱9与喷管11连接，喷管11的末端穿过船体12的艉部的艉板与大海连通。鸭嘴形吸管4的前部顺序布置有滚轮撇油器3、垃圾网栏2和导流门栏1。船体12的船艏中间开有引入海水的渠道，导流门栏1设置在船艏渠道的最前端，垃圾网栏2和滚轮撇油器3前后横跨在船艏渠道上，鸭嘴形吸管4设置在船艏渠道末端的船舱圆弧形前端板的下部，且穿入船体12的船舱与磁流体通道5连接。鸭嘴形吸管4、磁流体通道5、油水分离箱7、开放式滤箱9和喷管11为一连通的流动区域，油污海水经船艏中间的渠道进入该流动区域，洁净的海水通过喷管11再次流入大海。磁体6、油水分离箱7和开放式滤箱9放置于船体12的船舱内，开放式滤箱9的后侧板的下部设有开口与喷管11连接，半圆管式阻油阵列梳板8放置在油水分离箱7靠下的部位，滤芯层10放置在开放式滤箱9靠上的部位。导流门栏1固定在船体12的最前端；垃圾网栏2和滚轮撇油器3固定在船艏渠道的两岸上；磁体6、油水分离箱7和开放式滤箱9固定在船体12的船底板上；喷管11嵌装在船体12的船艉板上。
船体12的船艏中间开有引入海水的渠道，形成类似双体船的船艏结构，渠道两侧的船体12上有支撑垃圾网栏2和滚轮撇油器3的轴，渠道两侧的船体12与垃圾网栏2和滚轮撇油器3的侧面相配合，渠道末端与鸭嘴形吸管4连通；渠道末端船舱的前端板为圆弧形，与滚轮撇油器3的外轮面相配合，圆弧形前端板下部开有鸭嘴形吸管4的扁平状前开口。船体12后部为设置磁流体通道5、油水分离箱7、开放式滤箱9和喷管11的船舱，喷管11穿过船体12的船艉板与大海连通。
滚轮撇油器3是一种大轮毂矮叶片并带有侧板的叶轮，主要由叶片3-1、轮毂面3-2、支轴架3-3和侧板3-4组成，滚轮撇油器3通过支轴架3-3横跨在船艏中间的渠道上，支架轴3-3固定在船艏中间渠道的两岸上，滚轮撇油器3的圆形外轮面与渠道末端的、船舱圆弧形前端板配合；滚轮撇油器3的下部浸入海水中，通过调速电机控制其运转向前滚动；叶片3-1在轮毂面3-2上均匀分布，叶片3-1两侧端与两个侧板3-4相连，叶片3-1的高度与侧板3-4在径向齐平，叶片3-1与径向的交角为60°，且偏向叶轮滚动方向一侧，叶片3-1采用疏油性材料；叶轮的轮毂面3-2上由相邻叶片3-1和两个侧板3-4构成两端封闭的长槽斗；当叶轮向前滚动时，轮毂面3-2上的长槽斗能有效地把水面上的浮油扣在槽斗内，并随叶轮的滚动送至鸭嘴形吸管4的入口，进入磁流体通道5；叶片3-1的径向高度w=20mm、轴向宽度h=1.1m，叶轮直径d=1.2m、叶轮转速n≈10转/分，能适用波高0.2m的海况条件，在鸭嘴形吸管4的入口产生的压力P≈250～350mm水柱。
鸭嘴形吸管4、磁流体通道5和磁体6均为两组，平行布置；每组的鸭嘴形吸管4、磁流体通道5和磁体6斜向上布置，与海平面的倾角a≈15°。
鸭嘴形吸管4是具有复杂空间曲面、由扁平入口过渡到矩形出口的引导管道，长度Ly≈300mm；是滚轮撇油器3与磁流体通道5的接口，其前端开口扁平形状、贴近滚轮撇油器3底部的叶片3-1，以保证滚轮撇油器3赶来的油水顺利进入磁流体通道5且具有尽可能高的油份额。
磁流体通道5是截面为矩形的直线管道，在与磁场平行的两侧面内置一对平板型钛铂复合电极；磁流体通道5的长度Lmhd≈900mm，工作电流密度2000～2200A/m2时，磁流体通道5的出口压力Pt≈50～80mm水柱，油污海水处理量约20吨/小时。
磁体6为两极永磁磁体，中心场1T，表面镀镍铜环氧。
图2为具体实施例磁流体通道5中心线上的压力分布，其中横坐标（-0.3m，0.3m）之间为电磁力作用区域，横坐标零点对应磁流体通道5的流动方向的中心。可以看出，电磁力作用区域，由于电磁力产生的磁流体压升的作用，使得该区域压力曲线的下降斜率小于入口段和出口段；磁流体通道5内的压力从入口到出口逐渐减小，这有助于磁流体通道5内部电解产生的气泡向油水分离箱7流动，为充分发挥磁流体通道5的自吸式吸排油水分离创造了极好的条件。
油水分离箱7是一个上开口方形容器，前侧板开口与磁流体通道5的出口连通，后侧板开口与开放式滤箱9连通；内置半圆管式阻油阵列梳板8。
半圆管式阻油阵列梳板8由半圆管盾面柱子阵列和方形梳板组成，水平设置在油水分离箱7的下部且靠近油水分离箱7的底板；半圆管盾面柱子阵列垂直均布在方形梳板的上表面，且其上端低于磁流体通道5出口的下沿，半圆管盾面柱子的半圆口朝向磁流体通道5的方向，以利用流体绕过半圆管盾面产生的涡流帮助把进入油水分离箱7下部区域的油珠阻留住；除与油水分离箱7的前侧板之间有一段距离外，方形梳板的其余侧均与油水分离箱7的三侧板为可拆卸的紧密连接；方形梳板与油水分离箱7的前侧板及与油水分离箱7的底板之间构成流道，油水分离箱7内方形梳板下方区域与开放式滤箱9连通；半圆管式阻油阵列梳板8可方便地从油水分离箱7开口上方取出并进行清理。
开放式滤箱9是一个上开口方形容器，设有竖立隔流板和滤芯层10，进行磁流体回收分离后又一重排水、过滤乃至去油处理；隔流板的高度低于开放式滤箱9的高度，滤芯层10可以清洁或更新；开放式滤箱9的后侧板的下部设有开口与喷管11连接。

Claims (8)

1.一种磁流体海面薄油膜回收分离装置，其特征在于：所述回收分离装置主要由导流门栏(1)、垃圾网栏(2)、滚轮撇油器(3)、鸭嘴形吸管(4)、磁流体通道(5)、磁体(6)、油水分离箱(7)、半圆管式阻油阵列梳板(8)、开放式滤箱(9)、滤芯层(10)、喷管(11)和船体(12)组成；所述的磁流体通道(5)穿过磁体(6)的磁孔，其前部与鸭嘴形吸管(4)连接，磁流体通道(5)的后部与油水分离箱(7)连接，油水分离箱(7)与开放式滤箱(9)连接，开放式滤箱(9)与喷管(11)连接；鸭嘴形吸管(4)的前部顺序布置有滚轮撇油器(3)、垃圾网栏(2)和导流门栏(1)；所述的导流门栏(1)设置在船体(12)的最前端，垃圾网栏(2)和滚轮撇油器(3)横跨在船体(12)的船艏中间的渠道上；鸭嘴形吸管(4)设置在船体(12)的船艏中间的渠道末端的船舱圆弧形前端板下部、且穿入船体(12)的船舱与磁流体通道(5)连接；磁体(6)、油水分离箱(7)、开放式滤箱(9)和喷管(11)放置于船体(12)的船舱内，喷管(11)嵌装在船体(12)的船艉板，半圆管式阻油阵列梳板(8)放置在油水分离箱(7)内靠下的部位，滤芯层(10)放置在开放式滤箱(9)内靠上的部位；鸭嘴形吸管(4)、磁流体通道(5)、油水分离箱(7)、开放式滤箱(9)和喷管(11)连通。
2.按照权利要求1所述的回收分离装置，其特征在于：所述的滚轮撇油器(3)是一种大轮毂矮叶片并带有侧板的叶轮，主要由叶片(3-1)、轮毂面(3-2)、支轴架(3-3)和侧板(3-4)组成；滚轮撇油器(3)通过支轴架(3-3)横跨在船体(12)的船艏中间的渠道上，支轴架(3-3)固定在船艏中间渠道的两岸上；滚轮撇油器(3)的圆形外轮面与渠道末端的、船舱圆弧形前端板配合，滚轮撇油器(3)的下部浸入海水中；叶片(3-1)均匀分布在轮毂面(3-2)上，叶片(3-1)的两侧端分别与两个侧板(3-4)相连，叶片(3-1)的高度与侧板(3-4)在径向方向上齐平，叶片(3-1)与径向的交角为0～75°，且偏叶轮滚动方向一侧，叶片(3-1)采用疏油性材料制作；叶轮的轮毂面(3-2)上均布由相邻叶片(3-1)和两个侧板(3-4)构成的两侧端封闭的长槽斗；当叶轮在水中向前滚动时，轮毂面(3-2)上的长槽斗把海面上的浮油扣在槽斗内，并随叶轮的滚动送至鸭嘴形吸管(4)的入口，并在鸭嘴形吸管(4)的入口产生槽斗处水深所形成的压力P。
3.按照权利要求1所述的回收分离装置，其特征在于：所述的鸭嘴形吸管(4)是具有复杂空间曲面的由扁平入口过渡到矩形出口的过渡管道；鸭嘴形吸管(4)的前端开口呈扁平形状，且贴近滚轮撇油器(3)底部的叶片(3-1)斜向上伸展；鸭嘴形吸管(4)的后端开口呈矩形、与矩形磁流体通道(5)的入口连接。
4.按照权利要求1所述的回收分离装置，其特征在于：所述的磁流体通道(5)是截面为矩形的直线管道，在与磁场平行的两侧面内置一对平板型电极；磁流体通道(5)斜向上布置，与海平面有一个向上的倾角a＝10～45°，磁流体通道(5)的长度Lmhd、内部流动损失Ploss、出口压力Pt及鸭嘴形吸管(4)的长度Ly和入口压力P满足P-Pt＝ρg(Lmhd+Ly)sina+Ploss-Pmhd>0；
运行时磁流体通道(5)内充满油污海水，压力从入口到出口逐渐降低，且大气压P0<Pt<P，式中ρ为密度，g为比重，Pmhd为磁流体压升。
5.按照权利要求1所述的回收分离装置，其特征在于：所述的磁体(6)为两极永磁磁体，磁孔为矩形；斜向上布置，与海平面有一个向上的倾角a＝10～45°；表面采用防腐防潮处理。
6.按照权利要求1所述的回收分离装置，其特征在于：所述的半圆管式阻油阵列梳板(8)由半圆管盾面柱子阵列和方形梳板组成，水平设置在油水分离箱(7)的下部且靠近油水分离箱(7)的底板；半圆管盾面柱子阵列垂直均布在方形梳板的上表面，且其上端低于磁流体通道(5)的出口下沿，半圆管盾面柱子的半圆口朝向磁流体通道(5)的方向；除与油水分离箱(7)的前侧板之间有一段距离外，方形梳板的其余侧均与油水分离箱(7)的三侧板为可拆卸的紧密连接；方形梳板与油水分离箱(7)的前侧板及与油水分离箱(7)的底板之间构成流道，且该流道与开放式滤箱(9)连通。
7.按照权利要求1所述的回收分离装置，其特征在于：所述的油水分离箱(7)和开放式滤箱(9)为上开口容器；油水分离箱(7)的下部靠近底板设置有半圆管式阻油阵列梳板(8)；开放式滤箱(9)中设有竖立隔流板，竖立隔流板的高度低于开放式滤箱(9)的高度，开放式滤箱(9)的后侧板的下部开口与喷管(11)连接。
8.按照权利要求1所述的回收分离装置，其特征在于：船体(12)的船艏为类似双体船的结构，船体(12)的船艏中间开有引入海水的渠道，渠道末端与鸭嘴形吸管(4)连通；垃圾网栏(2)及滚轮撇油器(3)横跨在渠道上，渠道的两岸上有支撑垃圾网栏(2)和滚轮撇油器(3)的轴，渠道的两岸侧板与垃圾网栏(2)和滚轮撇油器(3)的侧面相配合；船体(12)的后部为设置磁流体通道(5)、油水分离箱(7)、开放式滤箱(9)和喷管(11)的船舱；船舱的前端板在渠道的末端，为圆弧形，与滚轮撇油器(3)的外轮面相配合，圆弧形前端板下部设置有鸭嘴形吸管(4)的扁平状前开口。
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