CN116291462B - 一种基于康达效应的集矿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于康达效应的集矿装置及方法，属于深海矿石采集装置技术领域，使用在深海采矿车上，结构大体包括射流采集装置、泵吸管道、矿石储存仓以及羽流防溢罩，射流采集装置包括射流喷嘴，泵吸管道前端形成有凸曲面壁，射流喷嘴紧贴在凸曲面壁的后端，使得具有一定速度的流体沿凸曲面壁切向射出从而形成附壁射流；采集装置及方法均采用液态二氧化碳作为射流流体。本发明中的装置结构简单易于实施，巧妙的使用液态二氧化碳作为射流流体，解决了采集效率与海底环境干扰之间的矛盾；同时与羽流防溢罩形成紧密配合，减少海底环境干扰的同时实现了碳封存的目的。

Description

一种基于康达效应的集矿装置及方法

技术领域

本发明属于深海矿石采集装置技术领域，特别涉及一种基于康达效应的集矿装置及方法。

背景技术

深海矿产资源是未来人类发展重要的物质基础，尤其是镍、铜和锰等金属资源，是新能源材料中不可或缺的重要原材料。自20世纪70年代初以来，深海多金属(锰)结核因含有丰富的金属资源，储量远超陆地，导致其开发潜力在全球范围内引起了关注。为缓解陆地矿产资源供需矛盾，开发深海资源对未来我国国民经济发展具有深远的意义。然而，商业采矿尚未开始，面临许多障碍和挑战。从技术上讲，如何提高采集矿的效率，同时最大限度地减少对环境的干扰是首要考虑因素。

结核矿石赋存于数千米深的海底，所在的海洋环境压力极高。结核矿石赋存在海底表层或次表层稀软沉积物上，有的半埋，有的全埋，有的全露在海水中，且粒径大小不一（大的直径达到 30 cm，小的仅有几厘米）。结核采集技术作为核心组成部分之一一直备受关注，因为有效和适度地从深海海床表面提取结核是必须要考虑的问题。

采集方式是采矿系统中技术最复杂、最关键的部分。水力式结核采集装置结构简单，可靠性高，取结核效率可接受，对海底扰动较小，被认为是合适的商业开采部件。目前，多金属结核水力收集的三种方法:基于水力吸取法、基于康达效应法和双排射流冲采法。在这三种方法中，基于康达效应的方法因其具有低能耗和小流场扰动的良好性能，被认为是最有前景的商业应用方法。

基于康达效应的附壁射流吸入式集矿，通过向凸曲面壁施加高速切向射流，在近壁面形成高速低压区域，利用速度梯度产生的压力差形成矿粒提升力。该方法可避免水射流对海底沉积物的直接冲击，从而降低集矿过程对海底环境的扰动。但是，水射流在行进过程中受粘滞性的影响能量消散快，因此高速射流的能量消耗非常高，面临着在最大限度地减少能源消耗的同时实现高收集效率的问题。

中国专利申请CN214007152U公开了一种基于康达效应的新型海底集矿装备，由自调节水力式集矿头、矿泥分离器、泥水分离器三部分组成。所述自调节水力式集矿头包括可调节曲率的双侧曲面壁和分布在吸口前后两侧可小幅摆动的喷嘴等装置，其目的是对海底地形进行自适应，保证采集效率的稳定性。该装置工作流程为：通过向凸曲面壁施加水射流，形成低压区，利用压力差产生提升力从而将矿石采集起来。被采集的矿石再依次通过安装在海底集矿装车履带上方的重力式矿泥分离器与U型槽泥水分离器，从而实现对矿粒、海泥、水的一体化分离。本装备可以根据工况参数进行适应性的变化，以致获取集矿效率与效益的最大化，前后喷嘴产生的双向对冲的近壁面射流可显著增加采集率，让矿粒更被提升采集。但是，因为水的粘滞性的影响，导致能量耗散快，射流过程中速度消减明显，从而产生采集效率低、高能耗等问题。

中国专利申请CN1167872A公开了大洋多金属结核水力式采集机构，由水力捕捉装置、水力输送装置和分离装置三部分构成，对应的工作是捕捉、输送和脱泥。所述水力捕捉装置由双排喷嘴和双层流板、双侧板组成，它主要作用是从沉积物中捕捉多金属结核，同时也有部分脱泥的作用。该采集机构的工作原理是：利用前后排相对斜向海底的喷嘴产生的水射流，将结核冲离沉积层，洗掉一部分沉积物，在形成上升水流的作用下将结核举起来，紧接着依靠输送喷嘴提供的水动力通过输送管道，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。此采集机构采用双排喷嘴射流方式对多金属结核进行扰动，在采集效率方面具有优势。但是因水射流直接冲击海底表面，对海底环境的干扰较大；也存在高速射流条件下能量消耗高的问题。

以上两项专利对环境扰动、能量消耗和采集效率等方面进行了分析，发现均有因水的粘性高在喷射过程中能量消散较快从而影响采集效率的问题。现有技术中，若要提高采集效率可以加大流速或者采用双排喷嘴射流方式对多金属结核进行扰动，往往对海底环境的干扰较大，如果为了减少对海底环境的干扰，可以采用低流速或者来回采集的方式，采集效率又往往较低。因此，现有技术亟待进一步改进和提高。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明选取流体粘性更小的液态CO₂替代现有的水射流，能够维持高速射流状态从而在低压区产生更大的吸力，保证采集效率稳定性和高效性的原理。

本发明第一方面提供了一种基于康达效应的集矿装置，用于安装在深海采矿车上，包括射流采集装置、泵吸管道、矿石储存仓以及羽流防溢罩，所述射流采集装置包括射流喷嘴，所述泵吸管道前端形成有凸曲面壁，所述射流喷嘴紧贴在凸曲面壁的后端，使得具有一定速度的流体沿凸曲面壁切向射出从而形成附壁射流，所述泵吸管道后端与矿石储存仓相连；所述射流采集装置采用液态二氧化碳作为射流流体。

优选的，所述射流采集装置设置于羽流防溢罩内部，包括液态二氧化碳的储存罐、增压泵和射流喷嘴，所述储存罐通过管路与增压泵的一端相连接，所述增压泵的另一端通过管路与射流喷嘴相连接，所述储存罐上设置有温度控制组件，用于将液态二氧化碳的温度保持在一定范围内。

优选的，所述温度控制组件包括加热电阻、带有温度感应装置的导热棒和带有金属触点的双金属片；所述导热棒探入储存罐内并与双金属片连接，用于对罐体内部液态二氧化碳温度进行导热，并传递给双金属片，所述双金属片连接于电源与加热电阻之间的导线，所述加热电阻安装于储存罐开设的内腔中并可对储存罐中的液态二氧化碳进行加热；当二氧化碳温度过高时，双金属片受热变形，断开电源接触停止加热，当二氧化碳温度过低时，双金属片恢复原状，与电源接触重新加热。

优选的，所述射流喷嘴内部设有加热丝，以防止工作状态下喷嘴处结冰。

优选的，所述泵吸管道包括输送通道、抽吸泵和传送带，所述输送通道的前端开口扩张并形成有凸曲面壁，所述抽吸泵设置于输送通道的中后部，所述输送通道后端与矿石储存仓相连，并在连接处设置传送带。

优选的，所述凸曲面壁由柔性材料制成，所述射流喷嘴的角度可调节。

优选的，所述羽流防溢罩开口朝下，由隔热材质制成，所述羽流防溢罩与射流采集装置、泵吸管道和矿石储存仓通过支撑杆相连形成一体化结构。

本发明第二方面提供了一种基于康达效应的集矿方法，基于康达效应的附壁射流吸入式集矿，通过向凸曲面壁施加高速切向射流，在近壁面形成高速低压区域，利用速度梯度产生的压力差形成金属结核矿粒的提升力，所述射流的流体采用液态二氧化碳。

优选的，集矿过程中配合使用羽流防溢罩；采矿车行走过程中，所述羽流防溢罩始终保持距离海床面一定高度，防止羽流外溢；所述羽流防溢罩由隔热材质制成，防止内部动力装置热量的散发，可促使羽流加速沉降。

优选的，在液态二氧化碳的存储装置上设置有温度控制组件，保证液态二氧化碳温度保持在20℃到30℃范围内，以防止相态变化及保证喷射效率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.采集效率高。液态二氧化碳粘性小于水，在相同的射流流速下，能够更长时间维持高速射流状态，因此可获得较大的升力，进而更易于采集结核，提高采集效率。

2.加速羽流沉降。羽流防溢罩可防止扰动的羽流大规模外溢并防止热量的外散并提高内部温度，使液态二氧化碳与羽流在防溢罩内部充分反应形成水合物然后沉降。

3.实现碳封存。本发明能有效利用本需要封存CO2进行集矿，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，在采矿同时能起到CO2封存的效果。

本发明中的装置结构简单易于实施，巧妙的使用液态二氧化碳作为射流流体，解决了采集效率与海底环境干扰之间的矛盾；同时与羽流防溢罩形成紧密配合，液态二氧化碳与羽流在防溢罩内部充分反应形成水合物然后沉降，减少海底环境干扰的同时实现了碳封存的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为一定压力下二氧化碳与水的粘度比对图。

图2为一定压力下二氧化碳与水的密度比对图。

图3为本发明液态CO₂射流集矿装置的一种可实现结构的整体结构示意图。

图4为本发明液态CO₂射流集矿装置的一种可实现结构的射流喷嘴结构示意图。

图5为本发明一种温度控制组件可实现结构示意图。

图6为本发明液态CO₂射流集矿装置的一种可实现结构的泵吸管道结构示意图。

11.储存罐；111.加热电阻；112.导热棒；113.双金属片；12.增压泵；13.射流喷嘴；131.加热丝；21.输送通道；22.抽吸泵；23.传送带；24.凸曲面壁；3.矿石储存仓；4.羽流防溢罩；5.支撑杆。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明提出了一种基于康达效应的集矿装置及方法，使用在在深海采矿车上。康达效应原理指的是在有粘度的流体流经一个壁面时产生的“附壁”效应，使得孔口喷出的流体离开本来的流动方向,流体沿着凸出的物体表面流动,在凸出的曲面壁下方形成一个低压区，从而采集结核。由于康达效应与流体的流动密切相关，本发明巧妙的选取流体粘性更小的液态二氧化碳替代现有的水射流，能够维持高速射流状态从而在低压区产生更大的吸力，保证采集效率稳定性和高效性的原理。

如图1和图2所示，在40mpa以上，液态二氧化碳密度略大于水，粘度仅有水的0.1-0.2倍，在流动过程中，液态二氧化碳所受阻力远小于水，导致在相同的射流距离内，液态二氧化碳的流速大于水（海底矿区所在区域的压力值一般在40mpa-60mpa）。由于康达效应是由流体高速流动产生的，流体流速越大沿曲面壁的偏转幅度也越大，根据牛顿第三定律，物体施与流体一个偏转的力，则流体也必定要施与物体一个反向偏转的力，因此二氧化碳在负压区引起的升力也大于水。稳流体系能量平衡方程的射流出口流速可写成：

上式中为喷嘴出口流速，/>为流体的初始焓，/>为流体的最终焓。液态二氧化碳在流动过程中的焓变大于水，所以/>更大。

采用液态二氧化碳射流代替水射流，在有效减小流体阻力，提高射流效率的同时，也能起到碳封存的效果。二氧化碳排入深海中，二氧化碳分子会包含自由水和饱和水，二氧化碳水合物是指在一定压力和温度（高于水的冰点温度，海底矿区所在区域的温度值一般在0-4℃）的条件下，二氧化碳中的水与二氧化碳构成的结晶状复合物。而深海中的压力和温度恰好有利于水合物的生成。

本发明提出的一种基于康达效应的集矿装置，用于安装在深海采矿车上，整体结构包括射流采集装置、泵吸管道、矿石储存仓以及羽流防溢罩，射流采集装置包括射流喷嘴，泵吸管道前端形成有凸曲面壁，射流喷嘴紧贴在凸曲面壁的后端，使得具有一定速度的流体沿凸曲面壁切向射出从而形成附壁射流，泵吸管道后端与矿石储存仓相连；射流采集装置采用液态二氧化碳作为射流流体，这是本发明最主要的发明点之一。

下面结合附图，给出一种集矿装置的具体可实现结构。

如图3所示，集矿装置包括射流采集装置、泵吸管道、矿石储存仓3以及羽流防溢罩4。羽流防溢罩4外表为做平滑处理以减小行车阻力，开口朝下，与射流采集装置、泵吸管道和矿石储存仓3通过支撑杆5相连形成一体化结构。集矿车行走过程中，羽流防溢罩4始终保持距离海床面一定高度，可起到防止羽流外溢的效果。此外，羽流防溢罩4由隔热材质组成，可有效防止内部动力装置热量的散发（在集矿装置整体工作过程中会产生热量，羽流防溢罩4内海水的温度要高于羽流防溢罩4外海水的温度），可促使羽流加速沉降，其具体原理为：所有悬浮微粒的运动都可以叫做布朗运动，羽流颗粒的运动也是一种布朗运动。布朗运动是一种无规则热运动，与温度有关，随着温度升高热运动越剧烈，布朗运动自然也就越剧烈。羽流颗粒在这种状态下能够加剧互相接触的概率，形成羽流团聚体增大自身重力，进而加速羽流沉降。

射流采集装置设置于羽流防溢罩内部，包括液态二氧化碳的储存罐11、增压泵12和射流喷嘴13，储存罐11通过管路与增压泵12的一端相连接，增压泵12的另一端通过管路与射流喷嘴13相连接，增压泵1是高压柱塞泵，属于容积式泵，借助工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目的；原动机的机械能经泵直接转化为输送液体的压力能，对输送介质有较强的适应性。储存罐11上设置有温度控制组件，用于将液态二氧化碳的温度保持在一定范围内，优选温度范围为20-30℃。同时，射流喷嘴13内部设有加热丝131，以防止工作状态下喷嘴处结冰，如图4所示。

如图5所示，本发明提供了一种温度控制组件的具体结构，包括加热电阻111、带有温度感应装置的导热棒112和带有金属触点的双金属片113；导热棒112探入储存罐11内并与双金属片113连接，用于对罐体内部液态二氧化碳温度进行导热，并传递给双金属片113，双金属片113连接于电源与加热电阻111之间的导线，加热电阻111安装于储存罐11开设的内腔中并可对储存罐11中的液态二氧化碳进行加热；当二氧化碳温度过高时，双金属片113受热变形，断开电源接触停止加热，当二氧化碳温度过低时，双金属片113恢复原状，与电源接触重新加热。以保证液态二氧化碳温度保持在20℃到30℃范围内，以防止温度过高出现相态变化，防止温度过低影响喷射效率。

如图6所示，泵吸管道的横截面优选为长方形，泵吸管道包括输送通道21、抽吸泵22和传送带23，输送通道21的前端开口扩张并形成有凸曲面壁24，抽吸泵22设置于输送通道21的中后部，输送通道21后端与矿石储存仓3相连，并在连接处设置传送带23。优选的，凸曲面壁24由柔性材料制成，可调节其曲率以满足不同的海况要求，同时，射流喷嘴13的角度可对应调节。凸曲面壁24曲率可以根据具体作业工况和作业环境进行实时调节，在结核矿粒较小或海泥较为松软的情况下，采用小曲率模式来减弱康达效应的作用，防止过大的泥沙扰动；当颗粒较大，需要更大的提升力时，采用大曲率曲面壁增强康达效应，使得颗粒能够被有效地提升收集。

一种基于康达效应原理利用液态二氧化碳射流的采集装置的大致工作过程如下：

由海面母船为液态二氧化碳储存罐提供液态二氧化碳，工作状态下，液态二氧化碳流经可保证其稳定性的增压泵，由具有加热功能的射流喷嘴沿凸曲面壁切向射出，形成附壁射流，从而产生基于康达效应的集矿流场；即在凸曲面壁下方产生负压区，从而产生由海底指向凸曲面壁的升力，对赋存于海底沉积物中的多金属结核进行扰动，使其脱离海底土层的束缚。

受到扰动后的多金属结核上升到凸曲面壁附近，随液态二氧化碳一起进入泵吸管道的前端，经抽吸泵被抽入泵吸管道的尾部，通过传送带被送至矿石储存仓中。

深海沉积物受到扰动后产生颗粒物质悬浮（羽流）从而对海底环境产生影响，而液态二氧化碳在海底高压、低温的环境下可结合颗粒悬浮物形成固体CO₂水合物，起到治理羽流及二氧化碳封存的效果。羽流防溢罩可防止扰动的羽流大规模外溢并防止热量的外散并提高内部温度，使液态二氧化碳与羽流在防溢罩内部充分反应形成水合物然后沉降。

以上所述结合附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者设备中还存在另外的相同要素。本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本发明中的术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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文和简化描述，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。在本文的描述中，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本发明中，除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化，所属领域技术人员应该明白，在本申请的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形或等同替换等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于康达效应的集矿装置，用于安装在深海采矿车上，其特征在于：包括射流采集装置、泵吸管道、矿石储存仓以及羽流防溢罩，所述射流采集装置包括射流喷嘴，所述泵吸管道前端形成有凸曲面壁，所述射流喷嘴紧贴在凸曲面壁的后端，使得具有一定速度的流体沿凸曲面壁切向射出从而形成附壁射流，所述泵吸管道后端与矿石储存仓相连；所述射流采集装置采用液态二氧化碳作为射流流体；所述射流采集装置设置于羽流防溢罩内部，所述羽流防溢罩开口朝下。

2.如权利要求1所述的一种基于康达效应的集矿装置，其特征在于：所述射流采集装置包括液态二氧化碳的储存罐（11）、增压泵（12）和射流喷嘴（13），所述储存罐（11）通过管路与增压泵（12）的一端相连接，所述增压泵（12）的另一端通过管路与射流喷嘴（13）相连接，所述储存罐（11）上设置有温度控制组件，用于将液态二氧化碳的温度保持在一定范围内。

3.如权利要求2所述的一种基于康达效应的集矿装置，其特征在于：所述温度控制组件包括加热电阻（111）、带有温度感应装置的导热棒（112）和带有金属触点的双金属片（113）；所述导热棒（112）探入储存罐（11）内并与双金属片（113）连接，用于对罐体内部液态二氧化碳温度进行导热，并传递给双金属片（113），所述双金属片（113）连接于电源与加热电阻（111）之间的导线，所述加热电阻（111）安装于储存罐（11）开设的内腔中并可对储存罐（11）中的液态二氧化碳进行加热；当二氧化碳温度过高时，双金属片（113）受热变形，断开电源接触停止加热，当二氧化碳温度过低时，双金属片（113）恢复原状，与电源接触重新加热。

4.如权利要求2所述的一种基于康达效应的集矿装置，其特征在于：所述射流喷嘴（13）内部设有加热丝（131），以防止工作状态下喷嘴处结冰。

5.如权利要求1所述的一种基于康达效应的集矿装置，其特征在于：所述泵吸管道包括输送通道（21）、抽吸泵（22）和传送带（23），所述输送通道（21）的前端开口扩张并形成有凸曲面壁（24），所述抽吸泵（22）设置于输送通道（21）的中后部，所述输送通道（21）后端与矿石储存仓相连，并在连接处设置传送带（23）。

6.如权利要求5所述的一种基于康达效应的集矿装置，其特征在于：所述凸曲面壁（24）由柔性材料制成，所述射流喷嘴的角度可调节。

7.如权利要求1所述的一种基于康达效应的集矿装置，其特征在于：所述羽流防溢罩由隔热材质制成，所述羽流防溢罩与射流采集装置、泵吸管道和矿石储存仓通过支撑杆（5）相连形成一体化结构。

8.一种基于康达效应的集矿方法，应用于海底结核矿石采集，基于康达效应的附壁射流吸入式集矿，通过向凸曲面壁施加高速切向射流，在近壁面形成高速低压区域，利用速度梯度产生的压力差形成金属结核矿粒的提升力，其特征在于：所述射流的流体采用液态二氧化碳。

9.如权利要求8所述的一种基于康达效应的集矿方法，其特征在于：集矿过程中配合使用羽流防溢罩；采矿车行走过程中，所述羽流防溢罩始终保持距离海床面一定高度，防止羽流外溢；所述羽流防溢罩由隔热材质制成，防止内部动力装置热量的散发，可促使羽流加速沉降。

10.如权利要求8所述的一种基于康达效应的集矿方法，其特征在于：在液态二氧化碳的存储装置上设置有温度控制组件，保证液态二氧化碳温度保持在20℃到30℃范围内，以防止相态变化及保证喷射效率。