CN115749786A - 一种超临界co2射流集矿及尾流处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，涉及海洋装备技术领域，其包括射流采集装置、泵吸管道、分离存储装置及尾流处理单元，射流采集装置包括防溢罩和带有加热功能的高压射流喷嘴，防溢罩的底部为敞口结构。高压射流喷嘴有两组，相对布置在防溢罩内侧，可向防溢罩的内侧喷射超临界CO2。泵吸管道前端与防溢罩的顶部固定相连，其后端与分离存储装置固定相连。尾流处理单元设在分离存储装置的下方，上端与分离存储装置的前端底部固定密封相连。本发明利用超临界CO2密度大于海水，粘性较小的特性，射流效率高、耗能少、产生羽流范围小，减少对海底环境的干扰，对尾流的处理后可形成固态CO2水合物，起到治理羽流、实现碳封存的目的。
Description
技术领域
本发明涉及海洋装备技术领域，具体涉及一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统。
背景技术
随着人类对矿产资源需求的日益增加及陆地资源的不断枯竭，浩瀚的大洋底部蕴藏着丰富的矿产资源，被认为是人类未来最重要的开发方向。人们日益重视对国际海底矿产资源的商业开发，其中一个重要表现是对国际海底矿区的申请剧增，现有的海底矿产开发体系主要包括海面母船、矿石输送系统及矿石采集系统，其中矿石采集系统面临的困难与挑战最为严峻。由于现有矿石采集技术不够成熟，亟待提出一个高效、绿色的商业开采技术。
深海中的矿产资源多以结核形式存在，富含锰、镍、钴、铜等多种元素，极具商业开采价值。其所处环境不仅地形复杂，且因深度在数千米以上，具有高压、低温等特征。多金属结核赋存于水深4000-6000m海底稀软沉积物表层，往往处于半埋藏状态，多为球形，粒径一般为2～10cm，密度约2100kg/m3，丰度随水深变化的总趋势是水越深，丰度值越大。目前，多采用水力式集矿机构来完成深海采矿过程中的第一道工序，即采集多金属矿石。
水力式是水射流冲向海底表面结核颗粒，从泥面中剥离出多金属结核矿石，紧接着利用压力差完成抽吸工作的一种集矿方式。这种采集机构充分利用了海底富水这一特性，也具有结构简单、工作可靠、故障率低等优点，但这一机构缺点是是耗能大，易受海底微地形影响，对海底环境扰动大，主要表现为：水流射出需具备较大的能量，水射流在行进过程中受粘滞性的影响能量消散快；微地形起伏改变喷嘴的离底高度导致射流力减弱；水射流对稀软沉积物的冲击范围大产生规模性羽流使海洋生物窒息。
中国专利申请CN1167872A公开了大洋多金属结核水力式采集机构，由双排喷嘴和双层流板、双侧板组成的多金属结核水力捕捉装置，输送喷嘴和输送通道组成的多金属结核水力输送装置，网状结构的多金属结核与沉积物分离装置三部分组成，对应的工作是捕捉、输送和脱泥。它是利用双排喷嘴喷射的水流扰动海底表面，并依靠旋涡上升流使多金属结核处于悬浮状态，紧接着依靠输送喷嘴提供的水动力通过输送管道；所述输送喷嘴与输送通道的上顶板相连，最后则是采用分离网分理出多金属结核中含有的沉积物，完成多金属结核的采集。但是多金属结核在沉降过程中会沿着输送管道的下侧壁向下滑动，而输送喷嘴安装在采集输送管道的上侧壁内侧，于是高速输送流沿着采集输送管道的上侧壁向上流动，采集输送管道的下侧壁附近的流速较低，则较大结核在沉降过程中会沿着采集输送管道的下侧侧壁向吸入口滑落，并在吸入口区域内形成堵塞。
中国专利申请CN104895569A公开了一种水力式采集机构，包括海底采矿车、采集输送管道和分离装置。所述海底采矿车安装有用于驱使采集输送管道升降运动的升降装置，便于调节喷嘴、吸入口与海底表面的高度。所述采集输送管道上设有两块滑板，分别设于吸入口的两侧，其目的是保证输送管道的稳定性。所述采集输送管道设有输送喷嘴，其喷射方向与多金属结核输送方向相同。此采集机构的优点是能够自适应海底地形的变化，确保采集的稳定性。但水射流对海底环境扰动大，其冲击范围大产生规模性羽流使海洋生物窒息。
以上两项专利都是水力式集矿机构，利用水射流对海底表面进行扰动，但水射流冲击范围大，对海底环境扰动大，造成海底生物窒息。此外，水的粘性高在喷射过程中能量消散较快且水流射出时需要的能量大，具有耗能大、采集效率不稳定的技术问题。因此，现有技术亟待进一步改进和提高。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，解决现有的水力式采矿装置在水流射出时需要的能量大，具有耗能大、采集效率不稳定，以及对海底环境扰动大、环境破坏严重的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，包括射流采集装置、泵吸管道、分离存储装置及尾流处理单元，所述射流采集装置包括防溢罩和带有加热功能的高压射流喷嘴，所述防溢罩的底部为敞口结构，防溢罩可固定设置于集矿车的前侧。
高压射流喷嘴有两组，相对布置在防溢罩的前后内壁上，高压射流喷嘴可向防溢罩的内侧喷射超临界CO2。
泵吸管道的前端与防溢罩的顶部固定相连，其后端与分离存储装置固定密封相连。
尾流处理单元设置在分离存储装置的下方，其上端与分离存储装置的前端底部固定密封相连。
进一步地，所述防溢罩为两端封闭的半圆筒状壳体结构，沿其长度横向水平布置。
每组高压射流喷嘴均包括横向依次间隔布置的多个高压射流喷嘴，各高压射流喷嘴均与防溢罩转动相连，高压射流喷嘴由海面母船持续供给高压液态CO2。
所述防溢罩的前后外壁上，分别设有可使高压射流喷嘴调节角度的旋转驱动机构。
进一步地，分离存储装置包括矿石储存仓、筛网和传送带，矿石储存仓的前侧通过分离箱体与泵吸管道的后端固定密封相连。
分离箱体的前侧底部开设有导流口，所述筛网配置在导流口处，传送带相邻设置在筛网的后侧，可将进入分离箱体内的矿石送至矿石储存仓。
进一步地，泵吸管道为两段式的倒“v”形管体，其横截面为方形，所述泵吸管道的前端与防溢罩的内侧相通，其底板的后端与分离箱体的底部固定相连。
进一步地，泵吸管道的转接处设有可防止矿石及混合流体回流的单向阀板，单向阀板是与泵吸管道内侧相匹配的金属板，其顶部与泵吸管道的内壁转动相连。
进一步地，各所述高压射流喷嘴固定有转轴，所述转轴与防溢罩的侧壁转动配合。
旋转驱动机构包括伺服电机、小齿轮轴及与每组高压射流喷嘴数量相等且位置一一对应的大齿轮，所述小齿轮轴横向安装在防溢罩的外侧，防溢罩外壁位于各高压射流喷嘴的一侧均具有向内的凹陷部。
各转轴的一端穿过防溢罩伸至相邻的凹陷部，并与对应的大齿轮固定相连，伺服电机的输出端与小齿轮轴相连，通过小齿轮轴与大齿轮啮合驱动同组的各高压射流喷嘴同步转动，所述高压射流喷嘴的喷射角度可在30°～60°之间调节。
进一步地，所述尾流处理装置包括离心泵和螺旋管道，离心泵固定安装在分离箱体的底部，其进口端与所述导流口正对，离心泵配置有第二电机。
所述螺旋管道的一端通过连接管体与离心泵的出口端固定密封相连。
进一步地，所述螺旋管道为螺旋式变径管道，其内径沿着螺旋轴线依次减小。
所述螺旋管道的大口径端与连接管体相连相通，其小口径端与外界相通。
进一步地，所述传送带纵向水平布置在分离箱体的底部，其前后两端的内侧分别设有从动带轮和主动带轮，从动带轮配置有第一电机。
进一步地，所述高压射流喷嘴的内部具有环形的空腔，环形空腔内设有电热丝。
通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：
1、本发明利用超临界CO2射流可极大降低能耗，表现在射流所需要能量仅为水射流的10%～20%，射流核心势能为水射流的两倍，节能降耗。
2、低扰动，表现在超临界CO2对海底的冲击范围较小，产生的羽流范围小以及防溢罩可缩减扰动范围，能够减少羽流扩散。
3、有利于推动“双碳”战略目标的实现。超临界CO2由气态CO2易制得，即气态CO2在温度高于31℃与海底天然的高压条件下就可形成。气态CO2的消耗可以促进“双碳”战略目标的实现。
4、治理羽流，实现碳封存。液态CO2及羽流颗粒在低温高压的深海中充分反应形成的固体，沉于海底能起到治理羽流及CO2封存的效果。
附图说明
图1是本发明一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统的结构示意图。
图2是本发明射流采集装置及相关部分的仰视结构示意图。
图3是本发明离心泵与筛网的组合结构示意图。
图4是图1中本发明某一部分的结构示意图，示出的是分离存储装置。
图5是本发明螺旋管道的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
实施例，结合图1至图5，一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，安装在深海集矿车上。该系统以集矿车作为其行走的载体实现在海床上的行走，该系统的辅助设备也安装在集矿车的车体上。当CO2的压力和温度分别超过7.38MPa和31.4℃时即为超临界态，超临界CO2具有密度大于海水，粘性较小的特性，利用超临界CO2射流可实现射流效率高、耗能小、产生羽流范围小，可极大减少对海洋环境的干扰、破坏，以及通过对尾流的处理后可形成固态CO2水合物，可以起到治理羽流、实现碳封存的效果。
一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，包括射流采集装置1、泵吸管道2、分离存储装置3及尾流处理单元4，射流采集装置1包括防溢罩11和带有加热功能的高压射流喷嘴12，所述防溢罩11的底部为敞口结构，防溢罩11可固定设置于集矿车的前侧。
具体地，所述防溢罩11为两端封闭的半圆筒状壳体结构，沿其长度横向水平布置，防溢罩11的开口朝下。集矿车行走过程中，防溢罩11始终保持距离海床面一定高度，可使半埋于海底土层中的多金属结核进入防溢罩的内侧，所述防溢罩可起到防止羽流及液态二氧化碳外溢的效果，与多金属结核一起被抽吸进入泵吸管道2内。
高压射流喷嘴12有两组，相对布置在防溢罩11的前后内壁上，每组高压射流喷嘴12均包括横向依次间隔布置的多个高压射流喷嘴12，各高压射流喷嘴12均与防溢罩11转动相连，高压射流喷嘴12管体部分的内部具有环形的空腔，环形空腔内设有电热丝121。所述高压射流喷嘴12采用耐高压设计，其作用是将高压的超临界液态CO2的压力能转变成射流的速度能，高压射流喷嘴12内部安装的电热丝121可对超临界液态CO2加热，以防止超临界液态CO2发生相态变化。
工作状态下，高压射流喷嘴12向防溢罩11的内侧喷射超临界CO2，高压射流喷嘴12由海面母船持续供给高压液态CO2，海面母船可将CO2送至集矿车上的中继加压仓内，并对CO2加压形成高压液态CO2，通过输送管路泵送至各高压射流喷嘴12，两组高压射流喷嘴12倾斜向下相对喷射超临界液态CO2，所述超临界CO2的喷射速度为0～20m/s，且喷出后在深海环境下以液态CO2形式存在。超临界液态CO2射流所需能量仅为水射流的10%-20%，射流核心势能为水射流的2倍，且对海底的冲击范围较小，极大减少羽流的形成。
所述防溢罩11的前后外壁上，分别设有可使高压射流喷嘴12调节角度的旋转驱动机构。各所述高压射流喷嘴12固定有转轴13，所述转轴13与防溢罩11的侧壁转动配合。
旋转驱动机构包括伺服电机14、小齿轮轴15及与每组高压射流喷嘴12数量相等且位置一一对应的大齿轮16，所述小齿轮轴15横向安装在防溢罩11的外侧，防溢罩11外壁位于各高压射流喷嘴12的一侧均具有向内的凹陷部111。
各转轴13的一端穿过防溢罩11伸至相邻的凹陷部，并与对应的大齿轮16固定相连，伺服电机14的输出端与小齿轮轴15相连，通过小齿轮轴15与大齿轮16啮合驱动同组的各高压射流喷嘴12同步转动，所述高压射流喷嘴12的喷射角度可在30°～60°之间调节，以满足不同海况下的工作要求。
泵吸管道2的横截面为长方形，其前端与防溢罩11的顶部固定相连，后端与分离存储装置3固定密封相连，所述防溢罩11的顶部开设有与泵吸管道2相连通的抽吸口112，由两组高压射流喷嘴12喷射的超临界CO2对位于防溢罩11的多金属结核扰动，使其脱离海底土层束缚后处于悬浮状态后，经抽吸口112被抽入泵吸管道2内。
具体地，分离存储装置3包括矿石储存仓31、筛网32和传送带33，矿石储存仓31的前侧通过分离箱体34与泵吸管道2的后端固定密封相连。所述传送带33纵向水平布置在分离箱体34的底部，其前后两端的内侧分别设有从动带轮35和主动带轮36，从动带轮35配置有第一电机。
分离箱体34的前侧底部开设有导流口，所述筛网32配置在导流口处，传送带33相邻设置在筛网32的后侧，可将进入分离箱体34内的矿石送至矿石储存仓31。所述筛网32可使混合流体通过并进入尾流处理单元，并打散液态CO2形成滴液均匀分布在尾流处理单元内侧的海水中，而多金属结核则被截留在筛网32上方并进入传送带33上，传送带33为运输矿石提供动力，传送带33送至矿石储存仓31内。
泵吸管道2为两段式的倒“v”形管体，其横截面为长方形，所述泵吸管道2的前端与防溢罩11的内侧相通，其底板的后端与分离箱体34的底部固定相连，泵吸管道2的结构可提高输送效率。另外，所述泵吸管道2的转接处设有可防止矿石及混合流体回流的单向阀板21，单向阀板21是与泵吸管道2内侧相匹配的金属板，其顶部与泵吸管道2的内壁转动相连。所述单向阀板21位于输送通道转接处，其作用是保证多金属结核及混合流体仅能沿泵吸管道2由前往后输送，可有效防止多金属结核和混合流体回流。
泵吸管道2的前段部分和后段部分均为向下倾斜，抽吸力可使防溢罩11内侧的多金属结核由泵吸管道2的前段部分向上运动至最高点后，沿泵吸管道2的后段部分向下运动进入分离箱体34，多金属结核经过筛网32的上表面进入传送带33，由其送至矿石储存仓31，泵吸管道2后端内侧的混合流体通过筛网32被抽入尾流处理单元4。
尾流处理单元4设置在分离存储装置3的下方，其上端与分离存储装置3的前端底部固定密封相连。所述尾流处理装置包括离心泵41和螺旋管道42，离心泵41固定安装在分离箱体34的底部，其进口端与所述导流口正向对应，离心泵41配置有第二电机44。工作状态下，第二电机44驱动离心泵41工作，在泵吸管道2及分离箱体34的内部形成负压，所述离心泵，不仅为多金属结核进入输送通道提供动力，还为由液态CO2、羽流、海水形成的混合流体提供运动能量，保证混合流体和多金属结核进入泵吸管道2内。
离心泵41的出口端通过连接管体43与螺旋管道42的一端固定密封相连，螺旋管道42的另一端与外界相通。优选地，所述螺旋管道42为螺旋式变径管道，其内径沿着螺旋轴线依次减小。螺旋管道42的大口径端与连接管体43相连相通，其小口径端与外界相通。压力的波动及流向突变产生的扰动，能使混合流体之间充分反应形成固态CO2水合物后沉降至海底，混合流体是羽流、液态CO2及海水的混合物。
所述固态CO2水合物是由液态CO2及羽流颗粒在低温高压的深海环境中充分反应形成的固体，其在海水中的溶解速率很小，固态CO2水合物可快速沉于海底，起到治理羽流及对CO2封存的效果。
本发明一种利用二氧化碳的深海矿车羽状流抑制采集装置的大致工作过程如下：
超临界CO2射流集矿及尾流处理系统随深海集矿车在海底行走，防溢罩11到达对金属结核的上方，旋转驱动机构将两组高压射流喷嘴12调节至合适的角度，两组高压射流喷嘴12同时向海底的泥面喷射超临界液态CO2，形成超临界CO2流场，对赋存于海底沉积物中的多金属结核进行扰动，使其脱离海底土层束缚，在前后两排高压射流喷嘴12射流共同形成的漩涡上升流的带动下，多金属结核在防溢罩8内侧被举升到一定高度。
离心泵41在第二电机44的驱动力作用下开始工作，将多金属结核及混合流体通过泵吸管道2抽吸至分离箱体34的前端，进行脱泥工作。在泵吸管道2末端利用筛网32进行矿、液分离，筛网32还具有分级、筛选的功能，可以将多金属结核与混合流体分离。被分离的多金属结核在前侧滑落的多金属结核的推动下到达传送带33，经过传送带33的输送，进入矿石储存仓31，完成矿石的采集工作。
被分离的混合流体包括液态CO2、羽流和海水，通过筛网32后进入尾流处理装置4，混合流体在离心泵41的作用下加速进入螺旋管道42，受到扰动后充分混合的液态CO2与羽流在海底低压、高温的环境下快速结合固体形成CO2水合物，通过螺旋管道42的尾端最终排放到海底表面，起到治理羽流及CO2封存的效果，完成尾流处理工作。本发明实现对多金属结核的采集的同时，解决了羽流扩散对海洋生态环境的破坏，保障了后续采矿作业的正常进行。
利用超临界CO2密度大于海水，粘性较小的特性，本发明具有射流效率高、耗能小、产生羽流范围小的优势，减少对海底环境的干扰，以及通过对尾流的处理后可形成固态CO2水合物，可以起到治理羽流、实现碳封存的效果。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，其特征在于，包括射流采集装置、泵吸管道、分离存储装置及尾流处理单元，所述射流采集装置包括防溢罩和带有加热功能的高压射流喷嘴，所述防溢罩的底部为敞口结构，防溢罩可固定设置于集矿车的前侧；
高压射流喷嘴有两组，相对布置在防溢罩的前后内壁上，高压射流喷嘴可向防溢罩的内侧喷射超临界CO2；
泵吸管道的前端与防溢罩的顶部固定相连，其后端与分离存储装置固定密封相连；
尾流处理单元设置在分离存储装置的下方，其上端与分离存储装置的前端底部固定密封相连。
2.根据权利要求1所述一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，其特征在于，所述防溢罩为两端封闭的半圆筒状壳体结构，沿其长度横向水平布置，；
每组高压射流喷嘴均包括横向依次间隔布置的多个高压射流喷嘴，各高压射流喷嘴均与防溢罩转动相连，高压射流喷嘴由海面母船持续供给高压液态CO2；
所述防溢罩的前后外壁上，分别设有可使高压射流喷嘴调节角度的旋转驱动机构。
3.根据权利要求1所述一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，其特征在于，分离存储装置包括矿石储存仓、筛网和传送带，矿石储存仓的前侧通过分离箱体与泵吸管道的后端固定密封相连；
分离箱体的前侧底部开设有导流口，所述筛网配置在导流口处，传送带相邻设置在筛网的后侧，可将进入分离箱体内的矿石送至矿石储存仓。
4.根据权利要求3所述一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，其特征在于，泵吸管道为两段式的倒“v”形管体，其横截面为方形，所述泵吸管道的前端与防溢罩的内侧相通，其底板的后端与分离箱体的底部固定相连。
5.根据权利要求4所述一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，其特征在于，泵吸管道的转接处设有可防止矿石及混合流体回流的单向阀板，单向阀板是与泵吸管道内侧相匹配的金属板，其顶部与泵吸管道的内壁转动相连。
6.根据权利要求2所述一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，其特征在于，各所述高压射流喷嘴固定有转轴，所述转轴与防溢罩的侧壁转动配合；
旋转驱动机构包括伺服电机、小齿轮轴及与每组高压射流喷嘴数量相等且位置一一对应的大齿轮，所述小齿轮轴横向安装在防溢罩的外侧，防溢罩外壁位于各高压射流喷嘴的一侧均具有向内的凹陷部；
各转轴的一端穿过防溢罩伸至相邻的凹陷部，并与对应的大齿轮固定相连，伺服电机的输出端与小齿轮轴相连，通过小齿轮轴与大齿轮啮合驱动同组的各高压射流喷嘴同步转动，所述高压射流喷嘴的喷射角度可在30°～60°之间调节。
7.根据权利要求3所述一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，其特征在于，所述尾流处理装置包括离心泵和螺旋管道，离心泵固定安装在分离箱体的底部，其进口端与所述导流口正对，离心泵配置有第二电机；
所述螺旋管道的一端通过连接管体与离心泵的出口端固定密封相连。
8.根据权利要求7所述一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，其特征在于，所述螺旋管道为螺旋式变径管道，其内径沿着螺旋轴线依次减小；
所述螺旋管道的大口径端与连接管体相连相通，其小口径端与外界相通。
9.根据权利要求3所述一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，其特征在于，所述传送带纵向水平布置在分离箱体的底部，其前后两端的内侧分别设有从动带轮和主动带轮，从动带轮配置有第一电机。
10.根据权利要求1所述一种超临界CO2射流集矿及尾流处理系统，其特征在于，所述高压射流喷嘴的内部具有环形的空腔，环形空腔内设有电热丝。
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