CN111677511A - 海底矿物泥沙采集提升方法及采矿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋采矿设备技术领域，特别涉及一种海底矿物泥沙采集提升方法及采矿系统，包括：驱动机构驱使海水沿第一管道流动，海水冲击叶轮组件的一级叶片以驱使叶轮组件转动，叶轮组件带动搅动组件搅动海底矿物泥沙；叶轮组件转动并通过二级叶片抽取含有海底矿物泥沙的料浆，含有海底矿物泥沙的料浆沿第二管道提升至位于海平面或地面的收集装置；本发明采用海水冲击一级叶片以带动叶轮组件转动，从而实现搅动组件转动以搅动海底矿物泥沙，而叶轮组件转动还使得二级叶片转动进而抽取含有海底矿物泥沙的料浆，工作效率高，仅需一个驱动机构带动叶轮组件转动即可实现搅动与提升功能，减少采矿系统的动力源配置，降低结构复杂程度。
Description
技术领域
本发明涉及海洋采矿设备技术领域，特别涉及一种海底矿物泥沙采集提升方法及采矿系统。
背景技术
目前，随着对海洋的深入探索，人们认识到海洋是一个资源和能源宝库，现在国际海底区域开发是一个热点。已有的科学发现表明，国际海底区域内蕴藏着丰富的战略金属、能源等资源，位于一定水深的海底有大量富含如铜、镍、钴、锰等多金属结核的矿物泥砂。当前，海底矿物泥沙提升一般采用拖斗式采矿船法、连续索斗采矿船法、潜艇式遥控车采矿法等方法，还有些方法需要在海底设置存储区，通过水下机器人将海底矿物泥沙采集到存储区，提升装置抽取矿水实现提升海底矿物泥沙，这样的方式效率低下，需要配备至少两个驱动机构以实现搅动海底矿物泥沙和提升海底矿物泥沙的功能，显然已不能满足当前行业发展的需求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种海底矿物泥沙采集提升方法，能够通过一个驱动机构实现搅动以及提升的功能，使得设备设计结构简单，采集提升效率高。
本发明还提出一种实现上述海底矿物泥沙采集提升方法的采集系统。
根据本发明的第一方面实施例的海底矿物泥沙采集提升方法，包括如下步骤：驱动机构驱使海水沿第一管道流动，海水冲击叶轮组件的一级叶片以驱使叶轮组件转动，叶轮组件带动搅动组件搅动海底矿物泥沙；叶轮组件转动并通过二级叶片抽取含有海底矿物泥沙的料浆，含有海底矿物泥沙的料浆沿第二管道提升至位于海平面或地面的收集装置。
根据本发明实施例的海底矿物泥沙采集提升方法，至少具有如下有益效果：本发明的提升方法采用海水冲击一级叶片以带动叶轮组件转动，进而带动搅动组件转动以搅动海底矿物泥沙，而叶轮组件转动还使得二级叶片转动进而抽取含有海底矿物泥沙的料浆，工作效率高，仅需一个驱动机构带动叶轮组件转动即可实现搅动与提升功能，减少采矿系统的动力源配置，降低结构复杂程度；并且含有海底矿物泥沙的料浆在第二管道内输送，不会对周边海洋环境造成污染，达到稳定、环保开采的目的。
根据本发明的一些实施例，海水沿第一管道流动并依次带动若干个叶轮组件转动。
根据本发明的一些实施例，提升到收集装置中的含有海底矿物泥沙的料浆由过滤网过滤。
根据本发明的一些实施例，海水沿第一管道向下流动并汇入第二管道中，第二管道的端部间隔设置在搅动组件的中间并籍由叶轮组件吸取含有海底矿物泥沙的料浆。
根据本发明的一些实施例，含有海底矿物泥沙的料浆沿第二管道输送至收集装置中。
根据本发明的一些实施例，驱动机构通过海水带动多个间隔设置的叶轮组件转动，多个二级叶片持续做功并将含有海底矿物泥沙的料浆提升至收集装置上。
根据本发明第二方面实施例的采矿系统，包括：船体，所述船体上设置有驱动机构；提升机构，包括第一管道与第二管道，所述第二管道设置在所述第一管道内，并且所述第一管道与所述第二管道之间设置有叶轮组件，所述驱动机构与所述第二管道连接并抽取海水送入所述第二管道中，海水冲击所述叶轮组件并带动所述叶轮组件转动，所述叶轮组件连接有搅动组件，所述搅动组件设置在所述第一管道或第二管道上靠近海底的一端；收集装置，设置在所述船体上并且与所述第二管道连接。
根据本发明的一些实施例，所述叶轮组件有若干个，并且位于所述第一管道靠近海底的端部的所述叶轮组件与所述搅动组件连接。
根据本发明的一些实施例，所述收集装置包括至少一个收集区，并且所述收集区上设置有过滤单元。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的采矿装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的海底矿物泥沙提升机构的截取部分结构示意图；
图3为本发明实施例的海底矿物泥沙提升机构消隐第一管道后的结构示意图；
图4为本发明实施例的海底矿物泥沙提升机构的剖面示意图；
图5为图4中A处的放大示意图；
图6为图4中B处的放大示意图；
图7为本发明实施例的叶轮组件的结构示意图；
图8为本发明实施例的采矿装置的另一个实施例的结构示意图。
其中：船体100；沉淀池300；海水池400；输送管500；第一管道210；第二管道220；叶轮组件230；驱动机构240；搅动组件250；叶轮固定罩260；主体251；搅拌钻头252；筛网253；圆环231；一级叶片232；二级叶片233；；上固定罩261；下固定罩262；轴承263；密封圈264。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
一种海底矿物泥沙采集提升方法，包括如下步骤：
驱动机构240驱使海水沿第一管道210流动，海水冲击叶轮组件230的一级叶片232以驱使叶轮组件230转动，叶轮组件230带动搅动组件250搅动海底矿物泥沙；具体的，该驱动机构240可以是用于海上作业的水泵，水泵抽取海水灌入第一管道210中，海水沿第一管道210流动并冲击叶轮组件230的一级叶片232，进而可以带动叶轮组件230转动，海水继续沿第一管道210向下运动并汇入至第二管道220与搅动组件250的连接处，冲击设置于第一管道210中位于海底的端部的叶轮组件230，该叶轮组件230连接有搅动组件250，该叶轮组件230籍由第一管道210中的海水冲击而转动，进而带动搅动组件250转动，搅动组件250搅动带有矿物的海底泥沙，使得海底泥沙与海床脱离并且呈颗粒状，该海底泥沙与原搅拌组件250所搅拌海水混合形成含有海底矿物泥沙的料浆，料浆在第二管道220与搅拌组件250的连接处重新形成混合物，在本实施例中，调节海底泥沙的颗粒大小可以通过调节搅动组件250的结构以及搅动组件250的转动速率而实现；
叶轮组件230转动并通过二级叶片233抽取含有海底矿物泥沙的料浆，含有海底矿物泥沙的料浆沿第二管道220提升至海平面或地面的收集装置；具体的，第二管道220穿设在第一管道210中，并且叶轮组件230包括设置在第一管道210与第二管道220之间区域的一级叶片232和设置在第二管道220内的二级叶片233，该一级叶片232与二级叶片233的旋向相反，使得一级叶片232沿某一方向转动而使得海水能够沿第一管道210流向搅拌组件250或第二管道220与搅拌组件250的底部连接处，同时二级叶片233随一级叶片232转动而能够将含有海底矿物泥沙的料浆抽取提升至位于海平面或地面的收集装置。
在本发明的一些实施例中，海水沿第一管道210流动并依次带动若干个叶轮组件230转动，在本实施例中，若干个叶轮组件230间隔设置在第一管道210内，该间隔距离可以根据水泵的功率以及第一管道210的管径确定，海水沿第一管道210流动并依次冲击若干个叶轮组件230的一级叶片232，海水沿第一管道210流入海底，而一级叶片232转动进而带动二级叶片233转动，二级叶片233抽取第二管道220内的含有海底矿物泥沙的料浆，进而可以保证含有海底矿物泥沙的料浆能够提升至收集装置中。
在本发明的一些实施例中，提升到收集装置中的含有海底矿物泥沙的料浆由过滤网过滤，具体的，该收集装置可以采用连通的两个收集区，该两个收集区之间采用的过滤网可以是常规的单向过滤膜，还可以使得两个收集区之间的高度不同，含有海底矿物泥沙的料浆由第二管道220提升至其中一个收集区，料浆中的海水由单向膜过滤到另一个收集区中，过滤出的海水还可以作为驱动机构240的输入水源使用；另一个实施例是，收集装置上设置由过滤网，可以将料浆中的海水过滤出，海水可以排到海上，降低采矿船的载重。
在本发明的另一实施例中，收集装置包括沉淀池300和海水池400，并且沉淀池300和海水池400之间设置有过滤单元，该过滤单元可以是单向过滤膜，第二管道220的一端与沉淀池300连通，叶轮组件230转动并籍由二级叶片233抽取含有海底矿物泥沙的料浆，含有海底矿物泥沙的料浆经第二管道220输送至沉淀池300中，海水通过单向过滤膜流入海水池400，过滤出的海水还可以作为驱动机构240输送的海水使用。
在本发明的一些实施例中，含有海底矿物泥沙的料浆沿第二管道220喷出到收集装置中，其目的在于保证提升上来的含有海底矿物泥沙的料浆顺利流入收集装置中，避免料浆在第二管道220中淤积而造成堵塞。
在本发明的一些实施例中，驱动机构240通过海水带动多个间隔设置的叶轮组件230转动，多个二级叶片233持续做功并将含有海底矿物泥沙的料浆提升至收集装置中，其目的在于，在驱动机构240的功率足够大的前提下，可以根据实际海底深度设置若干个叶轮组件230，从而实现提升海底矿物泥沙的功能，并且在提升过程中含有海底矿物泥沙的料浆不会外溢，进而避免了污染周边海洋环境，达到环保开采的目的。
参照图1至图6所示的海底矿物泥沙提升机构，其可以安装在采矿船上，该海底矿物泥沙提升机构包括第一管道210，第一管道210内穿设有第二管道220，第一管道210内间隔设置有若干个叶轮组件230，该叶轮组件230包括旋向相反的一级叶片232与二级叶片233，其中一级叶片232位于第一管道210与第二管道220之间的区域，二级叶片233位于第二管道220内，第一管道210或第二管道220连接有驱动机构240，本实施例以第一管道210上位于采矿船的端部连接驱动机构240为例，实际上也可以是第二管道220连接驱动机构240，其目的在于驱动机构240通过一级叶片232驱使叶轮组件230转动，进而实现二级叶片233能够提升海底带矿物泥沙与海水的混合物，需要说明的是，在本实施例中，叶轮组件230为整体设计，一级叶片232转动时能够带动二级叶片233同时转动，由于一级叶片232与二级叶片233的旋向相反，驱动机构240抽取的海水自第一管道210向下流动冲击一级叶片232并带动叶轮组件230转动，而二级叶片233则在第二管道220内产生吸力，能够将海底带矿物的泥沙与海水的混合物自第二管道220中抽取到采矿船上；在本实施例中，该驱动机构240可以采用常规的船用水泵，其能够将海水抽入第一管道210中并通过第一管道210内的海水流动而带动叶轮组件230转动，具体的，驱动机构240抽入的海水冲击叶轮组件230的位于第一管道210与第二管道220之间的一级叶片232进而带动整个叶轮组件230转动，而二级叶片232转动则可以抽取并提升海底带矿物泥沙的与海水的混合物，在此需要说明的是，该海底带矿物的泥沙与海水的混合物是从海底部分抽取上来，而驱动机构240抽入的海水则是沿着第一管道210流动并带动第一管道210内的各个叶轮组件230转动；第一管道210或第二管道220靠近海底的端部还设置有搅动组件250，该搅动组件250用于搅动海底带矿物的泥沙，使得二级叶片232能够抽取该海底带矿物的泥沙与海水的混合物，第一管道210和第二管道220的底端连接在搅动组件250上，第一管道210和第二管道220的底端之间设有连通口，第一管道210的底端设有导向连通口的导向面，由于第二管道220为设置在第一管道210外侧的内管，从第一管道210上冲下的海水在导向面的作用下通过连通口汇入第二管道220中，与泥沙混合形成混合物，混合物在二级叶片232的作用下抽至采矿船上，具体的，驱动机构240通过海水驱动叶轮组件230转动，该搅动组件250与叶轮组件230固定连接，叶轮组件230带动搅动组件250转动。
如图7所示的叶轮组件230，其可以是一体成型设置，包括同心设置的两个圆环231，两个圆环231之间的区域设置一级叶片232，而在内圆环231中设置二级叶片233，并且一级叶片232与二级叶片233的旋向相反，具体的，该一级叶片232与二级叶片233均有若干个并且沿圆心周向均布，本实施例中该一级叶片232与二级叶片233均设置为沿圆心周向均布的四片。
在一些实施例中，参照图1与图2，第一管道210和/或第二管道220可由多段拼接形成并可自海平面延伸至海底，需要说明的是，该叶轮组件230的具体数量以及间隔距离可以根据海底深度以及驱动机构240的功率来确定，并且，叶轮组件230设置在相邻两段第二管道220之间，其目的在于可以根据实际需要设计第一管道210和第二管道220的长度与叶轮组件230的数量，进而可以应用于不同海底深度的工作需求，该海底矿物泥沙提升机构的适应性广。
在一些实施例中，如图3至图5所示，相邻两段第二管道220之间设置有叶轮固定罩260，叶轮组件230设置在叶轮固定罩260内并通过轴承263与叶轮固定罩260连接，也就是说，第一管道210与第二管道220相对固定，而叶轮组件230也相对第一管道210和第二管道220转动，进而可以籍由驱动机构240带动叶轮组件230转动，叶轮组件230再抽取海底带矿物的泥沙与海水的混合物，这样设计传动结构简单，可以减小整个海底矿物泥沙提升机构的结构体积，使得采矿船上可以装备多套该海底矿物泥沙提升机构。本实施例中，驱动机构240是水泵，将混合物抽至收集装置中。
在一些实施例中，参照图3至图5，叶轮固定罩260上位于第一管道210与第二管道220之间的部分以及位于第二管道220内部的部分分别贯通设置，也就是驱动机构240抽入的海水以及叶轮组件230抽入的海底泥沙均可穿过该叶轮固定罩260而在第一管道210和第二管道220内流通，该叶轮固定罩260的具体结构包括上固定罩261和下固定罩262，上固定罩261和下固定罩262均与第二管道220配合连接，即上固定罩261和下固定罩262上用于连接第二管道220的管部外壁呈锥孔状或内壁呈锥台状，而第二管道220上与该上固定罩261或下固定罩262连接的端部的外壁呈锥孔状或内壁呈锥台状，而上固定罩261与下固定罩262位于第一管道210与第二管道220之间的部分则采用螺纹连接，这样就能够实现相邻两段第二管道220的固定连接，同时叶轮组件230与叶轮固定罩260相接触的端面设置有轴承263，该轴承263可以设置为金刚石端面径向一体轴承，其目的在于增加机构的使用寿命，保证叶轮组件230在能够长时间工作并且不易磨损和腐蚀，而且上固定罩261与下固定罩262的连接端面和/或相邻两段第一管道210的连接端面还设置有密封圈264，密封圈264能够保证第一管道210与第二管道220之间的密封性，并避免海水从第一管道210中直接冲出至海底，具有海水密封性，保证该机构运行的稳定性以及抽取海底矿物泥沙的效率。
在一些实施例中，参照图3与图6，其中一个叶轮组件230设置在第二管道220靠近海底的端部并与搅动组件250连接，该搅动组件250包括主体251以及分别设置在主体251上的搅拌钻头252，该主体251可以通过螺钉结构与叶轮组件230连接使得搅拌钻头252随叶轮组件230转动；而在另外一些实施例中，主体251上设有筛网253，该筛网253的作用是避免体积过大的海底泥沙流入第一管道210或第二管道220内以损伤叶轮组件230，保证叶轮组件230的使用寿命。
参照图1所示的采矿装置，其用于海上采矿作业，包括船体100，分别设置船体100上的沉淀池300以及海水池400，上述第一方面实施例的海底矿物泥沙提升机构设置在船体100上，并且沉淀池300与第一管道210或第二管道220连接，用于存储提升上来的海水与海底泥沙的混合物，连接的方式可以为直接连接或间接连接，本实施例中沉淀池300通过输送管道与第一管道210或第二管道220间接连接，海水池400与沉淀池300之间设置有过滤单元，该过滤单元可以是常规的滤网，其目的在将抽取上来的海底泥沙与海水的混合物过滤掉，过滤出来的海水流入海水池400中供驱动机构240使用，需要说明的是，船体100上还可以设置有抽水水泵，抽水水泵可以将海上的水抽入海水池400中供驱动机构240使用，在本实施例中，该沉淀池300与第二管道220管道连接，第一管道210与驱动机构240连接，驱动机构240将海水抽入第一管道210中并推动叶轮组件230转动，还可以驱使搅动组件250转动，叶轮组件230转动即可抽取海底泥沙与海水的混合物，通过叶轮组件230转动将海底泥沙与海水的混合物经第二管道220提升到沉淀池300中，实现提升海底矿物泥沙的功能。
在一些实施例中，参照图8所示，船体100上可以设置若干个海底矿物泥沙提升机构，并且该海底矿物泥沙提升机构可以对称分布在船体100上，进而可以保证船体100的稳定性。
在一些实施例中，参照图1与图8所示，第一管道210或第二管道220的上端连接有输送管500，并且输送管500的端口设置在沉淀池300的上方，具体的，用于输送海底矿物泥沙的管道连接输送管500，使得海底泥沙与海水的混合物可以以扬起或喷出的方式输送到沉淀池300中，避免海底矿物泥沙沉淀或粘连在管道上。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.海底矿物泥沙采集提升方法，其特征在于，包括如下步骤：
驱动机构(240)驱使海水沿第一管道(210)流动，海水冲击叶轮组件(230)的一级叶片(232)以驱使叶轮组件(230)转动，叶轮组件(230)带动搅动组件(250)搅动海底矿物泥沙；
叶轮组件(230)转动并通过二级叶片(233)抽取含有海底矿物泥沙的料浆，含有海底矿物泥沙的料浆沿第二管道(220)提升至位于海平面或地面的收集装置。
2.根据权利要求1所述的海底矿物泥沙采集提升方法，其特征在于，海水沿第一管道(210)流动并依次带动若干个叶轮组件(230)转动。
3.根据权利要求1所述的海底矿物泥沙采集提升方法，其特征在于，提升到收集装置中的含有海底矿物泥沙的料浆由过滤网过滤。
4.根据权利要求1所述的海底矿物泥沙采集提升方法，其特征在于，海水沿第一管道(210)向下流动并汇入第二管道(220)中，第二管道(220)的端部间隔设置在搅动组件(250)的中间并籍由叶轮组件(230)吸取含有海底矿物泥沙的料浆。
5.根据权利要求1所述的海底矿物泥沙采集提升方法，其特征在于，含有海底矿物泥沙的料浆沿第二管道(220)输送至收集装置中。
6.根据权利要求1所述的海底矿物泥沙采集提升方法，其特征在于，驱动机构(240)通过海水带动多个间隔设置的叶轮组件(230)转动，多个二级叶片(233)持续做功并将含有海底矿物泥沙的料浆提升至收集装置上。
7.采矿系统，其特征在于，包括：
船体(100)，所述船体(100)上设置有驱动机构(240)；
提升机构，包括第一管道(210)与第二管道(220)，所述第二管道(220)设置在所述第一管道(210)内，并且所述第一管道(210)与所述第二管道(220)之间设置有叶轮组件(230)，所述叶轮组件(230)包括旋向相反的一级叶片(232)和二级叶片(233)，所述一级叶片(232)设置在所述第一管道(210)内，所述二级叶片(233)设置在所述第二管道(220)内，所述驱动机构(240)与所述第二管道(220)连接并抽取海水送入所述第二管道(220)中，海水冲击所述叶轮组件(230)并带动所述叶轮组件(230)转动，所述叶轮组件(230)连接有搅动组件(250)，所述搅动组件(250)设置在所述第一管道(210)或第二管道(220)上靠近海底的一端；
收集装置，设置在所述船体(100)上并且与所述第二管道(220)连接。
8.根据权利要求7所述的采矿系统，其特征在于，所述叶轮组件(230)有若干个，并且位于所述第一管道(210)靠近海底的端部的所述叶轮组件(230)与所述搅动组件(250)连接。
9.根据权利要求7所述的采矿系统，其特征在于，所述收集装置包括至少一个收集区，并且所述收集区上设置有过滤单元。
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