CN105164371A - 海底资源举升装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种海底资源举升装置，能使包含稀土的泥从水深超过5000m那样的深海中浮起。本发明的海底资源举升装置具备：输送软管，包括从资源回收船悬吊至海底的第一软管和第二软管；履带式收集器，设置有将海底的泥送入第一软管的第一吸入室和将海底的泥送入第二软管的第二吸入室；水电解装置，通过来自资源回收船的供电进行水的电解，从而生成氢气和氧气；以及气体喷射装置，将所生成的氢气和氧气分别喷射至第一吸入室和第二吸入室，其中，海底资源举升装置通过氢气或氧气的浮力使包含稀土的泥随海水一起浮起。

Description

海底资源举升装置
技术领域
本发明涉及海底资源举升装置，更详细而言，涉及这样一种海底资源举升装置：即使是在水深超过5000m那样的深海海底，也能使稀土(rareearth)通过输送软管浮起。
背景技术
目前，由于在水深超过5000m的深海下形成大约500气压(500kgf/cm2)即大约达50Mpa的高压，并且延伸至海底的升流管(riserpipe)的总重量变大，因此最多只能在线缆的前端安装采样装置来采集泥的试样，而难以在商业基础上进行开采。
专利文献1提出了一种扬矿装置，能从海底提升矿物。该扬矿装置由以下部分构成：扬矿用输送管，将包含矿物的海水从海底输送至海上基地；循环用输送管，将海水从海上基地返还至海底；循环泵，将海水送入循环用输送管；潜水泵，在海底从吸入口吸入包含矿物的海水并送入扬矿用输送管；以及水轮机，将流过循环用输送管的海水作为动力源来驱动潜水泵。该扬矿装置适用于水深500～2000m。为了从水深超过5000m的深海回收包含矿物的泥等，需要使用强有力的泵来悬吊又长又重的管道，并从水深5000m的深度抽取海水，但这样的泵尚未实现。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-196047号公报。
发明内容
发明要解决的课题
本发明为解决上述问题而提出，本发明的目的在于提供一种海底资源举升装置，能使包含稀土的泥从水深超过5000m那样的深海中浮起。
解决课题的手段
本发明的海底资源举升装置，其特征在于，具备：输送软管，包括从资源回收船悬吊至海底的第一软管和第二软管成；履带式(crawlertype)收集器，设置有将海底的泥送入所述第一软管的第一吸入室和将海底的泥送入所述第二软管的第二吸入室；水电解装置，通过来自所述资源回收船的供电进行水的电解，从而生成氢气和氧气；以及气体喷射装置，将生成的所述氢气和所述氧气分别喷射至所述第一吸入室和所述第二吸入室，其中，所述海底资源举升装置通过氢气或氧气的浮力使包含稀土的泥随海水一起浮起。
其特征在于，所述输送软管在内壁沿轴方向以一定间隔设置有环状的肋。
其特征在于，所述输送软管由具有绝缘性的软质聚氯乙烯形(vinylchloride)成，且内部埋设有通电性的线缆。
其特征在于，所述资源回收船从所述输送软管回收氢气和氧气，通过使它们发生反应来发电，以用作供给至所述水电解装置的电力的一部分。
其特征在于，在所述输送软管上安装有具备旋转翼的气泡打碎装置，所述旋转翼由上升流驱动且相互朝相反方向旋转。
其特征在于，在所述输送软管4上安装有海水引入装置，所述海水引入装置包括内管和外管，通过加快所述内管的流速并降低压力，从而从所述内管和所述外管之间引入外部的海水。
发明效果
根据本发明的海底资源举升装置，由于在海底设置水电解装置，并通过来自资源回收船的供电来进行水的电解从而产生氢气和氧气，将氢气和氧气送入履带式收集器的用于采集海底的泥的第一吸入室和第二吸入室中，然后提升第一软管和第二软管的输送软管，因此，通过氢气或氧气的浮力，能使包含稀土(稀土类元素)的泥随海水一起浮起而进行回收。
由于在输送软管的内壁上沿轴方向以一定间隔设置有环状的肋，因此其成为氢气或氧气在输送软管内上升时的阻力，能够减轻输送软管的总重量。
由于输送软管是具有绝缘性的软质聚氯乙烯，且内部埋设有通电性的线缆，因此能够提高输送软管的强度。此外，可从海上的资源回收船使用该线缆向设置在海底的水电解装置供给电力。在这种情况下，通往水电解装置的线路和回流线路可由埋设在第一软管和第二软管中的线缆分担。
通过回收输送软管中的氢气和氧气并使它们发生反应，能够进行发电，以用作供给至水电解装置的电力的一部分。
由于在输送软管中设置有气泡打碎装置，因此能够打碎在输送软管内上升的大气泡。气泡越小浮力越小，能够抑制气泡和包含泥的海水的上升速度。
由于在输送软管中设置有海水引入装置，因此能够将外部的海水引入输送软管内。即使气泡随着上升而膨胀，也能通过增加海水来维持气泡和包含泥的海水的比例，并防止气泡的比例增加。
附图说明
图1是本发明的海底资源举升装置的构成图。(实施例1)
图2是图1的输送软管的截面图。
图3是图1的水电解装置的说明图。
图4是示出图1的履带式收集器的内部的说明图。
图5是安装在输送软管上的气泡打碎装置的说明图。
图6是安装在输送软管上的海水引入装置的说明图。
图7是示出本发明的海底资源举升装置的动作的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的海底资源举升装置进行详细说明。
实施例
图1是本发明的海底资源举升装置100的构成图。在海上准备资源回收船1、驳船2以及拖船3。拖船3用于拖航驳船2。在驳船2上装载有分离器6，用于将泥从包含泥的海水中分离出来。分离器6的分离罐中的上清液被返还至海中。海底资源举升装置100具备：输送软管4，包括从资源回收船1悬吊至海底的第一软管4a和第二软管4b；以及自行式的履带式收集器7，安装在输送软管4的前端，在海底采集泥13并送入吸入室8。履带式收集器7具备：水电解装置9，进行水的电解以生成氢和氧；以及气体喷射装置10，将生成的氢气和氧气喷射至吸入室8。气体喷射装置10具备高压泵23和喷射氢气或氧气的喷嘴22。履带式收集器7的吸入室8连接至输送软管4，成为收集海底的资源以进行采集并送出至输送软管4的地方。
图2是图1的输送软管4的截面图。如图2(A)所示，输送软管4在内壁沿轴方向以一定间隔设置有环形的肋15。如图2(B)所示，输送软管4由具有绝缘性的软质聚氯乙烯形成，且在其内部呈网格状埋设有通电性的线缆14。由于埋设有线缆14，因此能够向在海底的履带式收集器7、水电解装置9、气体喷射装置10供电。例如，当通过两根直流的供电线供电时，使用两根输送软管4。在使用软质聚氯乙烯构成输送软管4的情况下，由于输送软管4有时在深海的压力下凹瘪，因此在向海中沉入输送软管4时，注意使海水时刻流入输送软管4的内部。由此，能够使输送软管4的外侧和内侧的压力保持平衡，防止输送软管4变形。输送软管4的外径并不限定于此，可以是10～20cm。
图3是图1的水电解装置9的说明图。水电解装置9对电解槽11的水进行电解，按2：1的比例生成氢和氧。为了易于通电，在电解槽11中添加氢氧化钠或氢氧化钾的电解质来作为电解液12。使用能使电解液12通过的隔膜19将电解槽11分割成两室，在一个中设置阳极17，在另一个中设置阴极18，以进行电解。在阴极18中，电子(e-)与水(H2O)发生反应而产生氢(H2)。反应式如下所示。
(数学式1)
(水)(电子)(氢)(氢氧化物离子)
在阴极18中生成的氢氧化物离子(OH-)移动至阳极17。并且，在阳极17中失去电子而产生氧(O2)。反应式如下所示。
(数学式2)
(氢氧化物离子)(水)(氧)(电子)
进行水的电解时，由于水被分解成氢气20和氧气21，因此电解液12减少。这时，由于电解质未被还原而残留在电解液12中，因此无需补给，而在电解槽11中补给水。可通过管道等从资源回收船补给水。此外，也可在海底使海水透过反渗透膜变成淡水来进行补给。通过气体喷射装置10喷射所生成的氢气20和氧气21。
图4是示出履带式收集器7的内部的说明图。吸入室8由第一吸入室8a和第二吸入室8b组成。如果是在5000m的海底，则将通过水电解装置9生成的氢气20和氧气21升压至500气压以上来进行喷射。氢气20和氧气21在1.5度的水温下即使受到500气压的水压也不会液化而仍是气体。因而，气体变成气泡，并通过浮力从包括第一软管4a和第二软管4b的输送软管4的内部浮起。随着气泡上升，包含泥13的海水5也随之上升。设置第一吸入室8a和第二吸入室8b这两个室，分别喷射氢气20和氧气21。其原因在于，虽然在大约570度的高温下，只要不点火，即使使用混合后的气体也不会燃烧，但要避免氢气20与氧气21燃烧。
关于氢气20和氧气21，1升水在1气压下通过进行水的电解变成1860升的气体。在水深为5000m的海底，压缩为1/500，变成3.72升(＝1860÷500)，而越往海上压力变低，因此增加为原来的体积。因而，得到较大的浮力。
氢气20或氧气21在5000m海底的气泡到海上后膨胀500倍。将气泡在海底的半径设为r1，气泡在海上的半径设为r2，则气泡在海底的体积V1为(4/3)π(r1)3，气泡在海上的体积V2为(4/3)π(r2)3，因此可计算V2/V1为(r2)3/(r1)3。如果V2/V1为500，则(r2)3/(r1)3＝500成立。由此可得到大约r2≈8r1的关系。如果气泡在海底的半径(r1)为1mm，则可算出气泡在海上的半径(r2)为8mm。如果气泡在海底的半径(r1)为6mm，则气泡在海上的半径(r2)为48mm(直径为96mm)。此外，当关注于气泡和包含泥的海水的比例时，也可以是，输送软管4的直径从海底朝海上侧逐渐变大。此外，期望在海底从喷嘴22喷出的气泡以适当的大小喷出。
气泡受到通过F＝ρgV算出的浮力F。ρ是水的密度即1000kg/m3，g是重力加速度即9.8m/s2，V是气泡的体积(m3)。将气泡的半径设为r，则V＝(4/3)πr3。将这些值代入，则浮力F表示为F＝(4/3)×ρgπr3。例如，半径为8mm的气泡承受F1＝2.1×10-2(kg·m/s2)的浮力，半径为48mm的气泡承受F2＝4.62(kg·m/s2)的浮力。由此可知，大气泡承受的浮力大于小气泡。
作用于气泡的浮力F与阻力R抵消，根据F＝R的关系计算气泡的上升速度。阻力R由R＝(1/2)×Cd×ρU2S表示，其中，Cd为阻力系数。S为气泡的投影面积，表示为πr2，ρ为水的密度即1000kg/m3，U为气泡的上升速度(m/s)。假设该阻力R与上述浮力F抵消。F＝R可表示为(4/3)×ρgπr3＝(1/2)×Cd×ρU2×(πr2)。求出U2，则得到U2＝(8/3)×(gr/Cd)。已知水的阻力系数Cd为1～2。其中，设Cd为2，g为9.8m/s2，半径r为8×10-3m(＝8mm)。将这些值代入，则得到U≈0.32m/s。算出半径为8mm的气泡的上升速度大约为32cm/s。算出半径为80mm的气泡的上升速度大约为1m/s。由此可知，大气泡的上升速度大于小气泡。当缩小阻力系数，设Cd为1时，则算出半径为8mm的气泡的上升速度大约为45cm/s，半径为80mm的气泡的上升速度为1.45m/s。
图5是安装在输送软管4上的气泡打碎装置30的说明图。气泡打碎装置30具备旋转翼31、31，其相对于水流沿相反方向旋转。旋转翼31、31由上升的包含泥的海水和气泡驱动。如图5所示，尺寸较大的氢气20的气泡在旋转翼31、31的挤压下被细分为小气泡。在此，存在以下情况：气泡停留在输送软管4的内壁的肋15上，与随后上升的气泡合体，变成更大的气泡。此外，还存在以下情况：由于气泡越大浮力越大，因此上升得快，从而碰到慢慢上升的小气泡后变成更大的气泡。通过具备气泡打碎装置30，能够将大气泡缩小，气泡不会占据输送软管4的内部。如上所述，小气泡的上升速度小于大气泡。通过打碎气泡，包括海水在内，能够抑制其上升速度。此外，即使打碎气泡，例如，占据输送软管4的一定长度的气泡的整体体积也不会发生变化。
图6是安装在输送软管4上的海水引入装置40的说明图。海水引入装置40包括内管41和外管42，并从内管41和外管42之间将外部的海水引入内部。为了易于引入海水，在内管41的上部缩小其直径，提高气泡和包含泥的海水的上升速度，降低内部压力。如果气泡的量较少，则无法驱动包含泥的海水，而如果增加海底侧的输送软管4内的气泡，则气泡随着上升至海上侧而膨胀，并加快包含泥的海水的流速。于是，通过在输送软管4内设置海水引入装置40来引入海水，即使气泡的体积增加，也不会使海水和气泡的比例发生很大的变化。通过海水引入装置40，能够调节流速。此外，在图6中，海水引入装置40的上侧和下侧的输送软管4的外径相同，但也可以是，上侧的输送软管4的外径大于下侧的输送软管4的外径。
图7是示出本发明的海底资源举升装置100的动作的流程图。S1是将装载有水电解装置9、气体喷射装置10的履带式采集器7连接至两根输送软管4的一端并使其从资源回收船1落下的动作。S2是通过水电解装置9生成氢气20和氧气21的动作。通过两根输送软管4a、4b从资源回收船1供给电力。S3是在高压下、即比深海的水压高的气压下通过气体喷射装置10将氢气20和氧气21分别喷射至第一吸入室8a和第二吸入室8b的动作。S4是将包含稀土的泥13与海水5一起采集到资源回收船1上，回收氢气20和氧气21，使其发生反应来发电的动作。通过发电而获得的电力可用作输送至水电解装置9的电力的一部分。S5是通过汲水泵16将泥13和海水5送出至驳船2的分离器6的动作。S6是通过分离器6的分离罐分离泥13和海水5的动作。
工业可利用性
本发明优选用作海底资源举升装置，能回收海底的包含稀土的泥。
附图标记
1资源回收船2驳船
3拖船4输送软管
4a第一软管4b第二软管
5海水6分离器
7履带式收集器8吸入室
8a第一吸入室8b第二吸入室
9水电解装置10气体喷射装置
11电解槽12电解液
13泥14线缆
15肋16汲水泵
17阳极18阴极
19隔膜20氢气
21氧气22喷嘴
23高压泵30气泡打碎装置
31旋转翼40海水引入装置
41内管42外管
100海底资源举升装置。

Claims (6)

1.一种海底资源举升装置，其特征在于，具备：
输送软管，包括从资源回收船悬吊至海底的第一软管和第二软管；
履带式收集器，设置有第一吸入室和第二吸入室，所述第一吸入室将海底的泥送入所述第一软管，所述第二吸入室将海底的泥送入所述第二软管；
水电解装置，通过来自所述资源回收船的供电进行水的电解从而生成氢气和氧气；以及
气体喷射装置，将生成的所述氢气和所述氧气分别喷射至所述第一吸入室和所述第二吸入室，
所述海底资源举升装置通过氢气或氧气的浮力使包含稀土的泥随海水一起浮起。
2.根据权利要求1所述的海底资源举升装置，其特征在于，
所述输送软管在内壁上沿轴方向以一定间隔设置有环状的肋。
3.根据权利要求1所述的海底资源举升装置，其特征在于，
所述输送软管由具有绝缘性的软质聚氯乙烯形成，且内部埋设有通电性的线缆。
4.根据权利要求1所述的海底资源举升装置，其特征在于，
所述资源回收船从所述输送软管回收氢气和氧气，通过使它们发生反应来发电，以用作供给至所述水电解装置的电力的一部分。
5.根据权利要求1所述的海底资源举升装置，其特征在于，
在所述输送软管上安装有具备旋转翼的气泡打碎装置，所述旋转翼由上升流驱动且相互朝相反方向旋转。
6.根据权利要求1所述的海底资源举升装置，其特征在于，
在所述输送软管4上安装有海水引入装置，所述海水引入装置包括内管和外管，通过加快所述内管的流速并降低压力，从而从所述内管和所述外管之间引入外部的海水。
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