CN105143564A - 海底垂直提升系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于从海底提升矿石的海底垂直提升系统，所述提升系统包括驱动机构、至少一根线、多个容器、第一外壳以及第二外壳，其中至少一根线适于由驱动机构驱动，多个容器适于可操作地附接至至少一根线，第一外壳适于在至少一根线和多个容器相对于海底提升时至少部分地包围至少一根线和多个容器，第二外壳适于在至少一根线和多个容器朝向海底下降时至少部分地包围至少一根线和多个容器。

Description

海底垂直提升系统和方法

技术领域

本发明涉及海底垂直提升系统。本发明具体涉及，但不是唯一涉及，在海底采矿作业中将矿石从海底机械地提升至水面的系统和方法。

背景技术

在海洋中的多个位置，硫化物沉淀物或多金属结核存在于水深为约300至6000米的深海海底的表层中。

自从二十世纪七十年代后期起，针对从深海海底开采和提升这些沉积物的商业上可行的方案，工程师进行了各种尝试。

一项现有技术的方案是液力地将水和矿浆提升至水面。该方案包括垂直升流管和单个或一系列管道式泥浆泵，以便将水和矿浆提升至水面。这样的系统可能十分复杂，而且管道泵存在大的磨损，从而在操作期间需要维修。对于使用多个管道式离心泵的操作，系统的能量效率非常低。

另一现有技术的方案是气升式将水和矿浆提升至水面。该方案包括将空气注入升流管部件，沿管而下，低密度的空气将水和矿浆提升至水面。虽然该系统十分简单且具有在操作期间维修可能少的吸引力，但是其能量效率相对低且需要大量的高压压缩空气以便以实际提升率运作。

可选的现有技术包括通过吊斗和缆绳机械地进行提升，如在陆地上的诸多地下矿山中通常所用的。这样的机械提升系统相对简单且能量效率高。然而，当使用单个吊斗系统时对潜在处理能力的限制、在多吊斗系统中引导和牵引被缠住的缆绳的问题、以及将泥浆送还至海底并防止烟羽污染水柱的问题，这些在海底应用中都需要考虑到。

对于已包括在本说明书中的文献、法案、材料、设备、物品等的任何讨论只是出于提供本发明的上下文的目的。其不认为是承认：这些事物中的任何或所有事物形成现有技术基础的一部分或者作为与本发明相关的领域内的公知常识，如同其存在于本申请的每项权利要求的优先权日之前。

发明目的

本发明的目的是克服或至少减轻上述问题中的一个或多个问题和/或为消费者提供有用的或商业性的选择。

通过以下说明，本发明的其他优选目的将变得显而易见。

发明内容

在一种形式中，然而其不需要是唯一的形式或实际最广泛的形式，本发明在于一种用于从海底提升矿石的海底垂直提升系统，该提升系统包括：

驱动机构；

至少一根线，适于由驱动机构驱动；

多个容器，适于可操作地附接到至少一根线；以及

至少一个外壳，适于至少部分地包围至少一根线和多个容器。

优选地，海底垂直提升系统包括矿石接收船。矿石接收船可以是水面船舶、浮动平台、半潜式平台等。在优选实施方式中，矿石接收船是水面船舶。通常，驱动机构附接至矿石接收船。

技术人员将理解的是，至少一根线可以是一个或多个绳索、缆绳、带、链等。还将理解的是，线可以是多个线。例如，线可以是连接在一起的多个绳索。通常，线是形成环的连续线，环提升容器的一侧朝向水面且另一侧使容器朝向海底。

优选地，每个容器附接至适于连接至相邻容器的一段线。按照这种方式，可将海底垂直提升系统的长度(即，深度)调整成适应工作条件。在可选的实施方式中，容器可附接至拼接而形成连续环的单个线。容器可使用夹持件附接至线。例如，容器可按照与滑雪缆车附接至缆绳类似的方式附接至线。

优选地，每个容器将包括引导件，以将容器引导至至少一个外壳内。优选地，引导件为适于接触至少一个外壳的内表面的多个导向滚轮。

优选地，每个容器适于在容器下降时释放容器内部的任何空气。优选地，每个容器包括孔，以允许空气从容器排出。

优选地，至少一个外壳由多个导管形成。优选地，至少一个外壳为两个外壳。优选地，每个外壳由多个导管形成。通常，一个外壳(第一外壳)是“向上行进的”外壳，该“向上行进的”外壳包围线的至少一部分以及正在朝向水面提升(即，相对于海底提升)的容器。通常，第二外壳为“向下行进的”外壳，该“向下行进的”外壳包围线的至少一部分和正在朝向海底下降的容器。在可选的实施方式中，可能不需要“向下行进的”外壳。例如，在不需要防止羽状材料返回海底或者没有材料要返回海底的情况下，可能不需要“向下行进的”外壳。通常，横跨构件以一定间距布置在外壳之间，以隔开外壳。

优选地，至少一个外壳具有与容器的横截面积相比更大的内部横截面积，以使得在容器提升或下降时水能流过容器。在可选的实施方式中，至少一个外壳的内部横截面积接近容器的横截面积。在该可选的实施方式中，空心横跨构件可连接在“向上行进的”外壳和“向下行进的”外壳之间。按照这种方式，可以均衡压力差。这样的益处在于减小寄生阻力。可选地或另外地，水和/或压缩空气可以注入“向上行进的”外壳中，以帮助提升容器。

优选地，驱动机构为从动锭子。通常，线和容器围绕锭子的一部分行进且从自海底提升转换成向海底下降。优选地，容器在其围绕锭子的至少一部分行进时排空矿石。可选地，容器可以在其已围绕锭子的一部分行进之后被排空。

通常，锭子适于允许容器至少部分地围绕锭子行进(例如，在提升和下降之间转换)。

优选地，海底垂直提升系统包括朝向提升系统底部的锭子。通常，朝向提升系统底部的锭子用作针对线的返回点。通常，朝向提升系统底部的锭子不由电机驱动。可选地，驱动朝向提升系统底部的锭子，以辅助线的下降和/或提升。

优选地，海底垂直提升系统包括朝向提升系统底部的矿石漏斗。通常，矿石从矿石漏斗送至正朝向水面提升的容器中。优选地，诸如阿基米德螺旋送料器的输送机构将矿石从矿石漏斗送至容器中。

在另一形式中，本发明在于一种用于海底垂直提升系统的锭子，该锭子包括：

框架，可旋转地连接至支撑件；以及

多个滑轮，可旋转地连接至框架并适于接合可操作地连接多个容器的至少一根线。

优选地，框架和多个滑轮以多个容器与滑轮不接触的方式旋转。通常，在容器围绕锭子的至少一部分行进时，容器将设置在多个滑轮中的两个滑轮之间。通常，在容器围绕锭子的至少一部分行进时，将防止滑轮相对于框架旋转。通常，当防止滑轮相对于框架旋转时，框架旋转以使得线和/或容器可围绕锭子的至少一部分行进。

通常，当只有线围绕锭子行进时，防止框架旋转且滑轮相对于框架旋转。

优选地，使用电机选择性地旋转滑轮和框架。

将认识到的是，锭子可以是朝向海底垂直提升系统的顶部的上锭子或朝向海底垂直提升系统的底部的下锭子。

在进一步的形式中，本发明在于一种用于海底垂直提升系统的锭子，该锭子包括：

滑轮，可旋转地连接至支撑件并适于接合可操作地连接多个容器的至少一根线；

托架，适于当多个容器中的每个容器围绕滑轮的至少一部分行进时，选择性地随滑轮旋转并将多个容器中的每个容器与滑轮隔开。

优选地，托架选择性地附接至滑轮，以选择性地随滑轮旋转。

优选地，托架包括凹口，该凹口适于在容器围绕滑轮的至少一部分行进时容纳多个容器中每个容器的至少一部分。

优选地，托架适于在托架随滑轮围绕锭子的至少一部分旋转时接合线的至少一部分。

在又一形式中，本发明在于一种构造海底垂直提升系统的方法，该方法包括以下步骤：

提供多个导管；

连接多个导管以形成至少一个外壳；

使至少一个外壳朝向海底下降；

提供可操作地连接多个容器的至少一根线；

将至少一根线的至少一部分布置在至少一个外壳内；以及

提供适于驱动至少一根线的驱动机构。

优选地，当至少一个外壳正在形成时执行使至少一个外壳朝向海底下降的步骤。

优选地，当至少一个外壳正在形成时，执行将至少一根线的至少一部分布置在至少一个外壳内的步骤。

优选地，该方法进一步包括将至少一根线形成为连续环的步骤。

在另一形式中，本发明在于一种从海底提升矿石的方法，该方法包括以下步骤：

向矿石漏斗提供来自海底的矿石；

将矿石从矿石漏斗送至多个容器中；以及

朝向矿石接收船提升多个容器；

其中至少一根线可操作地连接多个容器，以及其中，至少一根线的至少一部分布置在至少一个外壳内。

通过以下说明，本发明的进一步的特征将变得显而易见。

附图说明

为了帮助理解本发明以及使本领域技术人员能够将本发明付诸实践，将参照附图仅以示例的方式描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1示出了根据本发明实施方式的海底垂直提升系统和海底结核选矿系统的示意图；

图2示出了根据本发明实施方式的海底垂直提升系统的示意图；

图3示出了根据本发明实施方式的容器的剖视示意图；

图4示出了根据本发明实施方式的海底垂直提升系统的示意图；

图5示出了根据本发明实施方式的内部支撑件的示意性平面图；

图6示出了根据本发明实施方式的下锭子的示意性平面图；

图7示出了根据本发明实施方式的外部支撑件的示意性平面图；

图8示出了根据本发明实施方式的下锭子的示意性平面图；

图9示出了根据本发明实施方式的海底垂直提升系统的示意图；

图10A-10F示出了图9的锭子的示意图；以及

图11A-11E示出了根据本发明实施方式的锭子的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施方式的海底垂直提升系统10和海底结核选矿系统20的示意图。海底结核选矿系统20包括水面船舶22和沿着海底26拖曳的海底结核回收车24。海底结核回收车24从海底26采集呈结核28的形式的矿石，并且将矿石存放在海底结核回收车24后面的料堆30中。矿石回收装置14采集矿石料堆30并向垂直提升系统10提供矿石，以便将矿石提升至呈水面船舶12的形式的矿石接收船。

参照图2，其示出了根据本发明实施方式的海底垂直提升系统10。海底垂直提升系统10具有呈上锭子100的形式的驱动机构，上锭子100附接至矿石接收船12。上锭子100通常由电机(未示出)驱动，以提升和降低其上附接有多个容器104的线102。在图中可以看见的是，线102由多个区段组成，每个区段附接至容器104的顶部和相邻容器104的底部。

线102可认为是“连续的”，这是因为线102围绕上锭子100和下锭子106形成环，以使得：在海底垂直提升系统10的第一侧108上，线102朝向矿石接收船12提升，并因此带动容器104朝向矿石接收船12提升；以及在第二侧110上，线102朝向海底(未示出)下降，并因此带动容器104朝向海底下降。

呈管112的形式的外壳包围第一侧108上的大部分线102和容器104。呈管114的形式的外壳包围第二侧110上的大部分线102和容器104。通常，管112、114通过连接多个刚性段(未示出)而形成。管112、114用于引导和容纳线102和容器104。通常，管112、114从矿石接收船12悬挂下来。在可选的实施方式(未示出)中，形成管的多个刚性段可从朝向垂直提升系统的底部布置的底板开始“堆叠”，该底板借助缆绳而从矿石接收船悬挂下来。具有由多个刚性段形成的管112、114和具有由多个区段形成的线102的益处在于，可以将海底垂直提升系统10的长度(即，深度)调整成适合工作条件。

下锭子106通常不由电机驱动，然而，将认识到的是，也可以驱动下锭子106以辅助线102和容器104的提升和下降。

矿石漏斗116朝向海底垂直提升系统10的下端布置。呈阿基米德(Archimedes)螺旋送料器118的形式的输送机构将矿石从矿石漏斗116送至正在朝向矿石接收船12提升的容器104中。通常给矿石漏斗116供应来自矿石回收装置(14，在图1中最佳地看见的)的矿石。可以使用诸如链式或带式输送器的可选输送机构来替代阿基米德螺旋送料器。

图3示出了根据本发明实施方式的容器104。容器具有主体120，主体120具有附接至主体120的外表面的滚轮引导件122。滚轮引导件122适于接触外壳(未示出)的内表面，以便在提升或下降期间引导容器104。主体120具有呈空气排放孔124的形式的孔。空气排放孔124允许空气在容器朝向海底(未示出)下降时从容器104排出。然而，将认识到的是，主体120还可以部分地由网制成。

主体120具有孔126，以使得线102可贯穿容器104。在可选的实施方式(未示出)中，主体120可具有槽，以使得线102可置于容器104中，而不必使线102贯穿容器104。

容器104具有引导件128以引导线102。容器具有安装构件130，安装构件130与呈夹锥132的形式的夹持件相连接，夹锥132附接至线102。

图4示出了根据本发明实施方式的海底垂直提升系统10的示意图。垂直提升系统10进一步由呈固定缆绳140的形式的固定线支撑。固定缆绳140通过支撑件142以一定间隔进行连接。重块144附接至缆绳140以辅助稳固缆绳140。将认识到的是，固定缆绳140可如图4所示布置在线102的外侧，或者可选地布置在线102的内侧。

图5示出了根据本发明实施方式的支撑件142的示意性平面图。支撑件142具有框架146，框架146使固定缆绳140朝向框架146的中央部分附接。线引导件148附接至框架146并引导附接至容器104的线102。

图6示出了根据本发明实施方式的下锭子106的示意性平面图。下锭子106可操作地附接至固定缆绳140，以使得下锭子106可相对于固定缆绳140旋转。下锭子106与线102接合，以使得在线102和容器104从下降转换成提升时，围绕下锭子106的一部分引导线102并因此引导容器104。

图7示出了根据本发明实施方式的支撑件142的示意性平面图。支撑件142具有框架146，框架146使固定缆绳140朝向框架146的外部附接。线引导件148附接至框架146并引导附接至容器104的线102。

图8示出了根据本发明实施方式的下锭子106的示意性平面图。下锭子106可操作地附接至框架146，以使得下锭子106可相对于框架146旋转。框架146附接至固定缆绳146。下锭子106与线102接合，以使得在线102和容器104从下降转换成提升时，围绕下锭子106的一部分引导线102并因此引导容器104。

图9示出了根据本发明实施方式的海底垂直提升系统10的示意图。类似于图2，管112、114用于引导和容纳线102和容器104。容器具有滚轮引导件122。滚轮引导件122适于接触管112、114的内表面，以便在提升或下降期间引导容器104。类似于图2，容器通过阿基米德螺旋送料器118填充来自矿石漏斗116的矿石。

上锭子100和下锭子106具有可旋转的框架150和可旋转地连接至框架150的滑轮152。按照这种方式，容器104可围绕上锭子100和下锭子106行进，而不必从滑轮152上经过。下面将更加详细地解释锭子100、106的操作。

至于图10a-10f，其示出了图9的上锭子100的操作。

图10a示出了接近上锭子100的容器104。在该阶段，防止可旋转框架150旋转，且滑轮152相对于框架旋转以驱动线102。

一旦感测到容器位于如在图10b中看见的预定位置，便防止滑轮相对于框架旋转。

然后旋转框架，如在图10c-10e中看见的，以使得容器104围绕锭子100的在两个滑轮52之间的一部分行进。通常，10b和10c之间的转换使得线102不会停止围绕上锭子100运动。虽然滑轮相对于框架150不旋转，但是由于框架150的旋转而使得线102仍然被滑轮152驱动。如可从图10d-10e看见的，容器104在其围绕上锭子100行进时被排空。

一旦滑轮152位于如在图10f中看见的位置，便防止框架150旋转且滑轮152旋转，以使得容器104可下降。然后，可针对接近上锭子100的另一容器重复如在图10a-10f中所看见的过程。

将认识到的是，下锭子(未示出)可以按照与图10a-10f中所示出的上锭子类似的方式起作用，记注：下锭子可以不驱动线，相反，下锭子可以由线驱动；以及记住：容器在其围绕下锭子行进时未被排空。

至于图11a-11e，其示出了根据本发明实施方式的下锭子106的操作。

参照图11a，下锭子106具有由线102驱动的滑轮160。将认识到的是，可驱动滑轮160以辅助线102和容器104的下降和提升。托架162与滑轮160相邻地布置。托架162为新月形并具有凹口164和凹槽(未示出)，凹口164适于容纳容器104的至少一部分，而凹槽具有与滑轮160上的凹槽(未示出)相同的配置以容纳线102。当感测到容器104位于预定位置时，如在图11a中看见的，托架162随滑轮160转动。这可通过将托架162锁定至滑轮160来实现。

如参照图11b-11d可看见的，托架162随滑轮160转动。容器104的一部分容纳在滑轮160的凹口164中。容器104围绕通过托架162与滑轮160间隔开的锭子106的一部分行进。

如从图11e可看见的，一旦容器104围绕下锭子106(即，围绕下锭子的一部分)行进，托架162便保持邻近滑轮160，直至另一容器接近下锭子106为止，并且可重复如在图11a-11e中看见的过程。

将认识到的是，上锭子(未示出)可以按照与图11a-11e中所示出的下锭子类似的方式起作用，记住：上锭子可以驱动线，并且记住：容器在其围绕上锭子行进时通常被排空。

前述实施方式仅仅说明了本发明的原理，且对于本领域技术人员而言将容易想到各种修改和改变。本发明能够以各种方式实践和执行以及以其他实施方式实践和执行。还应理解的是，本文所使用的术语是出于描述的目的，而不应认为是限制。

在整个说明书中，词语“包括(comprise)”或者诸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”的变型将理解成表示：包含所描述的元件、整体或步骤或者元件、整体或步骤的组，但不排除任何其他元件、整体或步骤或者元件、整体或步骤的组。

Claims (32)

1.一种用于从海底提升矿石的海底垂直提升系统，所述提升系统包括：

驱动机构；

至少一根线，适于由所述驱动机构驱动；

多个容器，适于可操作地附接至所述至少一根线；

第一外壳，适于在所述至少一根线和所述多个容器相对于海底提升时至少部分地包围所述至少一根线和所述多个容器；以及

第二外壳，适于在所述至少一根线和所述多个容器朝向海底下降时至少部分地包围所述至少一根线和所述多个容器。

2.如权利要求1所述的海底垂直提升系统，进一步包括矿石接收船，其中所述驱动机构附接至所述矿石接收船。

3.如权利要求1或权利要求2所述的海底垂直提升系统，其中所述驱动机构为从动锭子。

4.如前述权利要求中任一项所述的海底垂直提升系统，其中所述第一外壳和第二外壳中的每个外壳由多个导管形成。

5.如前述权利要求中任一项所述的海底垂直提升系统，其中所述至少一根线由多个区段形成，所述多个区段中的每个区段附接至所述多个容器中相应容器的顶部和所述多个容器中相邻容器的底部。

6.如权利要求1至4中任一项所述的海底垂直提升系统，其中所述多个容器中的每个容器具有孔，以使得所述至少一根线可贯穿所述多个容器中的每个容器。

7.如前述权利要求中任一项所述的海底垂直提升系统，其中所述多个容器中的每个容器包括多个导向滚轮，所述导向滚轮适于接触所述第一外壳或第二外壳的内表面，以在所述相应容器的提升或下降期间引导所述相应容器。

8.如前述权利要求中任一项所述的海底垂直提升系统，包括朝向所述海底垂直提升系统的下端的矿石漏斗。

9.如权利要求8所述的海底垂直提升系统，其中阿基米德螺旋送料器将来自所述矿石漏斗的矿石送至所述多个容器。

10.如权利要求8或9所述的海底垂直提升系统，进一步包括矿石回收装置，其中所述矿石回收装置给所述矿石漏斗供应矿石。

11.如前述权利要求中任一项所述的海底垂直提升系统，其中横跨构件设置在处于一定间隔的所述第一外壳和第二外壳之间，以隔开所述外壳。

12.如权利要求11所述的海底垂直提升系统，其中所述横跨构件为空心的并连接在所述第一外壳和第二外壳之间，以均衡所述第一外壳和第二外壳之间的压力差。

13.一种使用如前述权利要求中任一项所述的海底垂直提升系统从海底提升矿石的方法，所述方法包括以下步骤：

将矿石送至所述多个容器中；以及

朝向矿石接收船提升所述多个容器。

14.一种用于海底垂直提升系统的锭子，所述锭子包括：

框架，可旋转地连接至支撑件；以及

多个滑轮，可旋转地连接至所述框架并适于接合可操作地连接多个容器的至少一根线。

15.如权利要求14所述的锭子，其中所述框架和所述多个滑轮选择性地旋转，以使得所述多个容器中的相应容器在所述相应容器围绕所述锭子的至少一部分行进时，设置在所述多个滑轮中的两个滑轮之间。

16.如权利要求14或15所述的锭子，其中当所述多个容器中的容器围绕所述锭子的至少一部分行进时，防止所述多个滑轮相对于所述框架旋转。

17.如权利要求16所述的锭子，其中当防止所述多个滑轮相对于所述框架旋转时，所述框架适于相对于所述支撑件旋转。

18.一种用于海底垂直提升系统的锭子，所述锭子包括：

滑轮，可旋转地连接至支撑件并适于接合可操作地连接多个容器的至少一根线；

托架，适于当所述多个容器中的每个容器围绕所述滑轮的至少一部分行进时，选择性地随所述滑轮旋转并将所述多个容器中的每个容器与所述滑轮隔开。

19.如权利要求18所述的锭子，其中所述托架选择性地附接至所述滑轮，以选择性地随所述滑轮旋转。

20.如权利要求18或19所述的锭子，其中所述托架包括凹口，当所述多个容器围绕所述托架的至少一部分行进时，所述凹口适于容纳所述多个容器中每个容器的至少一部分。

21.如权利要求18、19或20中任一项所述的锭子，其中当所述托架随所述滑轮围绕所述锭子的至少一部分旋转时，所述托架适于接合所述至少一根线的至少一部分。

22.如权利要求14至21中任一项所述的锭子，其中所述锭子为朝向所述海底垂直提升系统的顶端的上锭子。

23.如权利要求14至21中任一项所述的锭子，其中所述锭子为朝向所述海底垂直提升系统的底部的下锭子。

24.使用如权利要求14至23中任一项所述的锭子从海底提升矿石。

25.一种构造海底提升系统的方法，所述方法包括以下步骤：

提供多个导管；

连接所述多个导管以形成至少一个外壳；

使所述至少一个外壳朝向海底下降；

提供可操作地连接多个容器的至少一根线；

将所述至少一根线的至少一部分布置在所述至少一个外壳内；以及

提供适于驱动所述至少一根线的驱动机构。

26.如权利要求25所述的方法，其中当所述至少一个外壳正在形成时，执行使所述至少一个外壳朝向海底下降的步骤。

27.如权利要求25或26所述的方法，其中当所述至少一个外壳正在形成时，执行将至少一根线布置在所述至少一个外壳内的步骤。

28.如权利要求25、26或27中任一项所述的方法，进一步包括将所述至少一根线形成为连续环的步骤。

29.一种从海底提升矿石的方法，所述方法包括以下步骤：

向矿石漏斗提供来自海底的矿石；

将矿石从所述矿石漏斗送至多个容器中，其中所述多个容器通过布置在至少一个外壳内的至少一根线而可操作地连接；以及

朝向矿石接收船提升所述多个容器。

30.如权利要求29所述的方法，其中所述至少一个外壳由多个导管形成。

31.如权利要求29或30中任一项所述的方法，其中向矿石漏斗提供来自海底的矿石的步骤包括使用矿石回收装置向所述矿石漏斗提供矿石。

32.如权利要求29、30或31中任一项所述的方法，进一步包括使用驱动机构驱动所述至少一根线的步骤。