本發(fā)明涉及極地冰區(qū)溢油回收設(shè)備領(lǐng)域，具體為一種極地冰區(qū)多級溢油回收器及溢油回收方法。

背景技術(shù)：

目前，處理極地冰區(qū)溢油事故的技術(shù)還不夠成熟，大多數(shù)的溢油回收船無法應(yīng)對極地環(huán)境，溢油事故發(fā)生后，傳統(tǒng)的溢油回收船難以快速到達(dá)事故現(xiàn)場。由于傳統(tǒng)溢油回收船收油回收器的局限性，大多數(shù)的溢油回收船回收溢油時，無法對油、冰、水的混合物進(jìn)行有效的分離。此外，傳統(tǒng)溢油回收船工作人員勞動強(qiáng)度大，操作危險性高，人員安全無法得到有效保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種極地冰區(qū)多級溢油回收器及溢油回收方法，能夠較好地適應(yīng)極地冰水環(huán)境。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種極地冰區(qū)多級溢油回收器，通過機(jī)械臂與船舶連接，其特征在于：它包括洗冰系統(tǒng)、冰水分離裝置、溢油采集裝置和溢油回收裝置；

所述的洗冰系統(tǒng)包括用于抽取海水的抽水泵、輸水管道和位于本裝置前端頂部的高壓水槍；

冰水分離裝置設(shè)置在本裝置的前部，為振動篩；

溢油采集裝置設(shè)置在冰水分離裝置之后，包括第一分離系統(tǒng)和第二分離系統(tǒng)；第一分離系統(tǒng)包括第一分離系統(tǒng)主動滾筒、第一分離系統(tǒng)從動主動滾筒、首尾連接并纏繞在第一分離系統(tǒng)主動滾筒和第一分離系統(tǒng)從動主動滾筒上的第一親油吸附帶；第二分離系統(tǒng)包括第二分離系統(tǒng)主動滾筒、第二分離系統(tǒng)從動主動滾筒、首尾連接并纏繞在第二分離系統(tǒng)主動滾筒和第二分離系統(tǒng)從動主動滾筒上的第二親油吸附帶；

溢油回收裝置包括第一分離系統(tǒng)刮油板、第二分離系統(tǒng)刮油板、油水分離箱和儲油器，第一分離系統(tǒng)刮油板設(shè)置在第一親油吸附帶下部并與第一親油吸附帶接觸，第二分離系統(tǒng)刮油板設(shè)置在第二親油吸附帶下部并與第二親油吸附帶接觸；第一分離系統(tǒng)刮油板和第二親油吸附帶的位置使得從第一分離系統(tǒng)刮油板上刮下的油水混合物直接落在第二親油吸附帶上；油水分離箱設(shè)置在第二分離系統(tǒng)刮油板的下部，油水分離箱中的溢油通過泵抽入儲油器，油水分離箱中的海水通過排水泵排入水箱供所述的抽水泵抽取。

按上述方案，所述的振動篩為網(wǎng)狀凸凹型結(jié)構(gòu)。

按上述方案，所述的振動篩包括折疊板，折疊板上分布有網(wǎng)孔，折疊板之間設(shè)有擋板。

按上述方案，本裝置還包括防撞裝置，防撞裝置設(shè)置在冰水分離裝置的前部，且位于所述的高壓水槍下方。

按上述方案，所述的防撞裝置為網(wǎng)格形護(hù)欄。

利用所述的極地冰區(qū)多級溢油回收器實(shí)現(xiàn)的溢油回收方法，其特征在于：它包括以下步驟：

s1、通過機(jī)械臂將本裝置放入海面，調(diào)整本裝置的高度，使得冰水分離裝置和溢油采集裝置的底部處于海水中；

s2、開啟洗冰系統(tǒng)、冰水分離裝置、第一分離系統(tǒng)主動滾筒和第二分離系統(tǒng)主動滾筒；

s3、隨著船舶的行進(jìn)，海冰、油水混合物進(jìn)入本裝置，抽水泵抽起的海水從高壓水槍中噴射出來對吸附在海冰上的溢油進(jìn)行清洗；通過冰水分離裝置的振動，使得海冰被排除，油水混合物進(jìn)入第一分離系統(tǒng)；

s4、第一親油吸附帶吸附的溢油被第一分離系統(tǒng)刮油板刮下，在重力作用下，初步提取的溢油流動到第二分離系統(tǒng)的第二親油吸附帶上，對油水進(jìn)行初步分離，未被第一吸附帶吸附的溢油直接進(jìn)入第二分離系統(tǒng)中；

s5、第二親油吸附帶吸附的初步提取的溢油和未被第一吸附帶吸附的溢油，被第二分離系統(tǒng)刮油板刮下，在重力作用下回收到油水分離箱中，油水分離箱中的溢油漂浮在海水上，溢油被抽入儲油器，海水被排水泵排入水箱供抽水泵抽取。

按上述方法，所述的s3中，通過防撞裝置將大塊的海冰阻擋在本裝置之外。

按上述方法，設(shè)第二親油吸附帶與海平面的傾斜角度為30度，油相密度p1＝0.9×10³kg/m³，水相密度u1＝0.006kg/m.s，則溢油回收的速率qv1與油相厚度a、傳送帶速度v、第二分離系統(tǒng)流道的寬度b之間的關(guān)系為：

本發(fā)明的有益效果為：針對極地冰區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，通過設(shè)置洗冰系統(tǒng)和冰水分離系統(tǒng)進(jìn)行油水混合物的提取，通過多級分離系統(tǒng)，提高溢油回收的純度，最后分離出來的海水還能給洗冰系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)利用，最終實(shí)現(xiàn)有效地處理冰水混合環(huán)境下溢油回收，減輕極地溢油帶來的環(huán)境污染，降低經(jīng)濟(jì)損失，滿足在北極冰水環(huán)境下船舶溢油事故的處理需求，對我國渤海灣等海域可能出現(xiàn)的冰區(qū)溢油事故的處理也具有一定的指導(dǎo)意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為溢油吸附帶及洗冰系統(tǒng)示意圖。

圖3為機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為極地冰區(qū)溢油回收器結(jié)構(gòu)防撞裝置示意圖。

圖5為冰水分離振動篩結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為冰水分離振動篩結(jié)構(gòu)及防撞裝置示意圖。

圖7為振動篩結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為第二分離系統(tǒng)理論建模示意圖。

圖中：1-第一分離系統(tǒng)主動滾筒、2-第一親油吸附帶、3-電動機(jī)、4-第一分離系統(tǒng)第一從動滾筒、5-第二親油吸附帶、6-第二分離系統(tǒng)主動滾筒、7-第二分離系統(tǒng)刮油板、8-儲油器、9-抽水泵、10-油水分離箱、11-第二分離系統(tǒng)從動滾筒、12-第一分離系統(tǒng)刮油板、13-第一分離系統(tǒng)第二從動滾筒、14-振動篩、15-防撞裝置、16-排水泵、17-高壓水槍、18-輸水管道、19-轉(zhuǎn)盤、20、第一油缸、21-動臂、22-第二油缸、23-連桿臂、24-第三油缸、25-本裝置、26-固定樁、14-1-折疊板、14-2-網(wǎng)孔，14-3-擋板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提供一種極地冰區(qū)多級溢油回收器，如圖1至圖6所示，通過機(jī)械臂與船舶連接，它包括洗冰系統(tǒng)、冰水分離裝置、溢油采集裝置和溢油回收裝置。

所述的洗冰系統(tǒng)包括用于抽取海水的抽水泵9、輸水管道18和位于本裝置25前端頂部的高壓水槍17；冰水分離裝置設(shè)置在本裝置25的前部，為振動篩14。

溢油采集裝置設(shè)置在冰水分離裝置之后，包括第一分離系統(tǒng)和第二分離系統(tǒng)；第一分離系統(tǒng)包括第一分離系統(tǒng)主動滾筒1、第一分離系統(tǒng)從動主動滾筒(包括第一分離系統(tǒng)第一從動輪4和第一分離系統(tǒng)第二從動輪13)、首尾連接并纏繞在第一分離系統(tǒng)主動滾筒4和第一分離系統(tǒng)從動主動滾筒上的第一親油吸附帶2；第二分離系統(tǒng)包括第二分離系統(tǒng)主動滾筒6、第二分離系統(tǒng)從動主動滾筒11、首尾連接并纏繞在第二分離系統(tǒng)主動滾筒6和第二分離系統(tǒng)從動主動滾筒11上的第二親油吸附帶5。

溢油回收裝置包括第一分離系統(tǒng)刮油板12、第二分離系統(tǒng)刮油板7、油水分離箱10和儲油器8，第一分離系統(tǒng)刮油板12設(shè)置在第一親油吸附帶2下部并與第一親油吸附帶2接觸，第二分離系統(tǒng)刮油板7設(shè)置在第二親油吸附帶5下部并與第二親油吸附帶5接觸；第一分離系統(tǒng)刮油板12和第二親油吸附帶5的位置使得從第一分離系統(tǒng)刮油板12上刮下的油水混合物直接落在第二親油吸附帶5上；油水分離箱10設(shè)置在第二分離系統(tǒng)刮油板7的下部，油水分離箱10中的溢油通過泵抽入儲油器8，油水分離箱10中的海水通過排水泵16排入水箱供所述的抽水泵9抽取。

所述的振動篩14為網(wǎng)狀凸凹型結(jié)構(gòu)。如圖7所示，振動篩14包括折疊板14-1，折疊板14-1上分布有網(wǎng)孔14-2，折疊板14-1之間設(shè)有擋板14-3。在溢油回收過程中，振動篩14開始振動，在洗冰系統(tǒng)的協(xié)助下加快冰油的分離，減少海冰淤積所造成的擁堵。

優(yōu)選的，本裝置還包括防撞裝置15，防撞裝置15設(shè)置在冰水分離裝置的前部，且位于所述的高壓水槍17下方。防撞裝置15為網(wǎng)格形護(hù)欄。防撞裝置15是固定在本裝置25上的堅(jiān)固框架，減少海冰對本裝置25碰撞而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷。

第一親油吸附帶2和第二親油吸附帶5采用低溫環(huán)境下親油疏水材料。

如圖3所示，機(jī)械臂包括轉(zhuǎn)盤19、第一油缸20、動臂21、第二油缸22b、連桿臂23、第三油缸24，該裝置可實(shí)現(xiàn)溢油回收器與船舶的連接及溢油回收器的收回和釋放。如圖6所示，防撞裝置15通過固定樁26固定在本裝置25前端。防撞裝置15設(shè)置為斜坡式而機(jī)構(gòu)，在本裝置25工作時可以阻擋海冰并讓海冰沿著斜坡滑行，進(jìn)而減少海冰擁堵阻擋溢油回收。

通過上述等結(jié)構(gòu)之間的配合，達(dá)到了冰水的分離、油水的二階分離，解決了極地冰區(qū)冰水環(huán)境下溢油的回收。

利用所述的極地冰區(qū)多級溢油回收器實(shí)現(xiàn)的溢油回收方法，它包括以下步驟：

s1、通過機(jī)械臂將本裝置25放入海面，調(diào)整本裝置25的高度，使得冰水分離裝置和溢油采集裝置的底部處于海水中。

s2、開啟洗冰系統(tǒng)、冰水分離裝置、第一分離系統(tǒng)主動滾筒1和第二分離系統(tǒng)主動滾筒6。

s3、隨著船舶的行進(jìn)，海冰、油水混合物進(jìn)入本裝置25，抽水泵9抽起的海水從高壓水槍17中噴射出來對吸附在海冰上的溢油進(jìn)行清洗；通過冰水分離裝置的振動，使得海冰被排除，油水混合物進(jìn)入第一分離系統(tǒng)。通過防撞裝置將大塊的海冰阻擋在本裝置之外。

s4、第一親油吸附帶2吸附的溢油被第一分離系統(tǒng)刮油板刮下，在重力作用下，初步提取的溢油流動到第二分離系統(tǒng)的第二親油吸附帶上，對油水進(jìn)行初步分離，未被第一吸附帶吸附的溢油直接進(jìn)入第二分離系統(tǒng)中。

s5、第二親油吸附帶5吸附的初步提取的溢油和未被第一吸附帶2吸附的溢油，被第二分離系統(tǒng)刮油板7刮下，在重力作用下回收到油水分離箱中，油水分離箱中的溢油漂浮在海水上，溢油被抽入儲油器8，海水被排水泵16排入水箱供抽水泵9抽取。

將本發(fā)明裝置通過機(jī)械臂連接在船舷上，由機(jī)械臂控制其釋放、回收及左右調(diào)節(jié)，第一分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)油水的初步分離，第二分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)油水的高純度分離。

將本發(fā)明裝置設(shè)置并可調(diào)整親油吸附帶與海平面的角度，使其處于最佳的溢油采集狀態(tài)再由第二分離系統(tǒng)刮油板7將采集到的溢油回收至儲油器8中；即使有波浪的存在，也可以保持溢油回收器高效溢油回收，同時減少工作人員與溢油的接觸；因此，該裝置大大提高了溢油回收效率，減少工作人員的傷害。

本發(fā)明裝置設(shè)置洗冰系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含多個抽水泵9及高壓水槍17，高壓水槍17設(shè)置在防撞裝置15和振動篩14之間，抽水泵9處于溢油采集系統(tǒng)內(nèi)部。洗冰系統(tǒng)通過抽取溢油回收系統(tǒng)內(nèi)部的水，實(shí)現(xiàn)油水的分離。另外，所抽取的水由高壓水槍17噴射出來，實(shí)現(xiàn)洗冰的功能。同時，洗冰系統(tǒng)通過抽水和排水，加快了溢油回收裝置內(nèi)部的水動力循環(huán)，對溢油回收及溢油吸附帶吸附溢油有較好的作用。

通過嚴(yán)密的計(jì)算和系統(tǒng)的試驗(yàn)，優(yōu)化油水溢油第二分離系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。

溢油第二分離系統(tǒng)的親油吸附帶與水面所成的角度、轉(zhuǎn)動速率及船速的關(guān)系經(jīng)由數(shù)學(xué)建模來實(shí)現(xiàn)，如圖8溢油第二分離系統(tǒng)理論建模示意圖所示。設(shè)傾斜放置的傳送帶的傾角為θ，傳送帶的速度為v，忽略流道兩側(cè)對油層流動的影響，所用的油為黏性不可壓縮流體，油層的厚度設(shè)為a，傳送帶的布置與底層壁面保持平行，油層在傾斜傳送帶與底層壁面之間的空間內(nèi)做定常層流流動。因此，油層的流動可以視為沿傳送帶運(yùn)動方向的一維層流運(yùn)動。

在以下數(shù)學(xué)建模的過程中油的參數(shù)用下標(biāo)1標(biāo)識。建立直角坐標(biāo)系xoy,溢油第二分離系統(tǒng)的x軸沿傳送帶表面，y軸垂直于傳送帶，平行于刮油板。

在x軸方向的navier-stokes方程為：

上式中：

下面根據(jù)模型中流體流動的特點(diǎn),對上述navier-stokes方程進(jìn)行簡化處理：

溢油第二分離系統(tǒng)的油層沿傳送帶的流動是一維定常流動，故：

uy＝uz＝0且

又因?yàn)閡x＝ux(y)，所以有：

壓強(qiáng)只是在x軸上發(fā)生變化，故有如下關(guān)系：

由于油層的流動是由傳送帶和水流拖帶作用實(shí)現(xiàn)的,其質(zhì)量力的影響可以忽略不計(jì)，故在傳送帶拖帶作用下油水兩相的navier-stokes方程可簡化為：

上式中p1和p2分別為油相、水相的密度，u1和u2為油相、水相的動力粘度。此時油層的運(yùn)動可以認(rèn)為是板間的壓差剪切流，所以其傳送帶處的邊界條件為"無滑脫"，即：

y＝0,u1＝v；y＝h,u2＝0(8)

對于油水兩相界面處的邊界條件,在相界面處油水兩相的速度相等且剪應(yīng)力為單值，即：

利用上述兩邊界條件，對navier-stokes方程，進(jìn)行積分求解，整理可得：

上式即為油相在傳送帶拖帶作用下的速度分布方程，但是仍無法用于實(shí)際計(jì)算分析，因?yàn)槠渲械?imgfile="bda0001363481670000067.gif"wi="118"he="135"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>還是未知量，接下來將討論的求解。

設(shè)收油器的收油流量為qv1，溢油第二分離系統(tǒng)的流道的寬度為b，平均流速與截面積的乘積即為流量，即：

模型中需要假設(shè)取值的參數(shù)主要有a，b,qv1，v。這些參數(shù)的取值應(yīng)該滿足如下關(guān)系式：

將的值帶入上式得：

研究過程中假設(shè)溢油的基本參數(shù)為：p1＝0.9×10³kg/m³，u1＝0.006kg/m.s，傳送帶的傾斜角取θ＝30°，油相的厚度a＝0.02m，溢油回收船工作時的速度通常被控制在2-3節(jié)，在該部分取傳送帶的速度v＝1.2m/s，b＝1m。由公式(12)溢油回收的速率約為qv1＝80m³/h。(結(jié)果為模型按照1:20的放大后的收油情況)

總之，通過合理的建模分析及理論計(jì)算，在裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了極地冰區(qū)油水分離及溢油的高效回收，并通過理論計(jì)算分析了改溢油回收器的參數(shù)設(shè)置。該裝置可以實(shí)現(xiàn)極地冰區(qū)海冰混合下的溢油回收。

以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實(shí)施例。所以，凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計(jì)思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。