CN117163961A - 利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置及封存方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置及封存方法，包括二氧化碳存储单元、干冰泥制备单元、排放单元及电控单元，二氧化碳存储单元包括中继仓，干冰泥制备单元包括罐体、搅拌器、伺服电机和制冷机组，罐体上部设有活塞，活塞下方依次为干冰泥制作空腔、制冷空腔及动力空腔，罐体顶部设有海水进水管。搅拌机构设在干冰泥制作空腔内，制冷机组的蒸发器设在制冷空腔内，干冰泥制作空腔通过第一管路与中继仓相连。排放单元包括泥浆泵和排泥管组，排泥管组的出口端位于采矿车前侧。将液态二氧化碳制成半流动态干冰泥，播洒到冲刷坑中与沉积物拌合、压实，干冰泥缓慢融化并渗入到沉积物结构中，生成稳定的水合物，实现深海长效碳封存。

Description

利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置及封存方法

技术领域

本发明涉及二氧化碳封存技术领域，具体涉及一种利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置及封存方法。

背景技术

自工业革命以来，化石燃料成为人类社会生产生活的主要能量来源。化石燃料大量燃烧导致大气中二氧化碳浓度逐年上升，温室效应加剧，全球气候持续变暖，这进一步引发了极地冰川融化和海平面上升。碳封存指以一定形态将二氧化碳储存起来，是降低大气中二氧化碳浓度的有效手段。海洋作为地球上最大的碳汇体，有着巨大的碳封存潜力。

现有海洋碳封存技术有海底地质封存、海底沉积物封存等。海底地质封存可依托海上石油开采项目开展，海底不透水底层是该技术的必要地质条件，这在很大程度上限制了技术应用范围。中国专利CN116040138A公开了一种二氧化碳水合物海洋封存方法，中国专利CN107485968A公开了海水式碳捕集封存方法及装置，中国专利CN116357503A公开了一种波浪能利用与二氧化碳封存技术相结合的系统。然而，以上技术实施均需构建海洋碳封存专有平台，试错成本及技术风险较高，项目建设用时较长。为达成2060年前碳中和目标，现有碳封存技术亟待突破。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的在于提出利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，解决现有的二氧化碳封存技术的实施均需构建海洋碳封存专有平台，存在试错成本及技术风险较高，项目建设用时较长的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，包括二氧化碳存储单元、干冰泥制备单元、排放单元及电控单元，所述二氧化碳存储单元包括设置在采矿车上的中继仓，中继仓的顶部通过脐带管线能够与水面支持母船上的二氧化碳制备装置相连。

干冰泥制备单元包括罐体、搅拌器、伺服电机和制冷机组，所述罐体的上部设置有活塞，活塞的下方依次为干冰泥制作空腔、制冷空腔及动力空腔，所述罐体的顶部设置有海水进水管，海水进水管与罐体位于活塞上方的空间相通。

搅拌机构设置在干冰泥制作空腔内，伺服电机设置在动力空腔内且驱动搅拌机构转动，所述制冷机组安装在采矿车上，其蒸发器设置在制冷空腔内。

所述干冰泥制作空腔通过第一管路与中继仓相连，第一管路上设有单向压力泵。

排放单元包括泥浆泵和排泥管组，所述排泥管组的进口端与干冰泥制作空腔相连相通，出口端位于采矿车前侧且竖直朝下。

进一步地，所述中继仓的侧壁上设置有压力传感器，脐带管线靠近中继仓的位置设置有第一单向压力阀，所述第一管路上设置有第二单向压力阀，第二单向压力阀位于所述中继仓的出口端与单向压力泵之间。

进一步地，罐体为竖向布置的圆柱体结构，其外部包裹有绝热材料层。

活塞设置在罐体的内侧上部，其圆周侧壁上嵌设有至少一个活塞环，活塞通过其外侧的活塞环与罐体的内壁竖向滑动配合，所述活塞的底部设有相同的绝热材料层。

进一步地，所述活塞的下方依次间隔设有第一隔板和第二隔板，第一隔板和第二隔板的外边缘与罐体内侧壁相连成一体结构，第一隔板采用高导热性金属材料制成的。

所述活塞、第一隔板和罐体内侧壁配合形成所述干冰泥制作空腔，第一隔板、第二隔板和罐体内侧壁配合形成所述制冷空腔，第二隔板和罐体内壁配合形成所述动力空腔。

进一步地，搅拌器包括主轴和多叶片结构的螺旋桨，主轴竖向布置在罐体内部，螺旋桨固定套设于主轴的上端，其下端穿过第一、第二隔板与伺服电机的输出端同轴固定相连。

进一步地，主轴的外侧设有管套，所述管套的内侧壁与主轴转动密封配合，其外侧壁与第一、第二隔板均转动密封配合。

管套的上端外侧以轴对称的方式设有两个刮板组件，刮板组件位于干冰泥制作空腔的底部。

所述管套的下端外侧固定套设有第一锥齿轮，第一锥齿轮的下方设有第二锥齿轮，第二锥齿轮固定套设在主轴的下部，第二锥齿轮通过第三锥齿轮驱动第一锥齿轮转动。

进一步地，所述刮板组件包括支撑杆、刮板座、刮板和扭力弹簧，所述支撑杆为圆形横截面的直杆体，其一端与管套的上端外壁固定相连成一体。

刮板座套设在支撑杆上且能够与其转动配合，其靠近管套的一端开设有沉孔，所述扭力弹簧套设在支撑杆上且位于沉孔内，其一端与支撑杆相连，另一端与刮板座相连。

所述刮板竖向倾斜设置在刮板座上，刮板座远离管套的端面上设有弧形槽，支撑杆上固定有挡块，挡块位于弧形槽内且能够与管套的端面活动配合。

进一步地，所述排泥管组包括一个排泥主管和两个排泥支管，排泥主管的一端与干冰泥制作空腔相连，两个排泥支管左右对称布置，两个排泥支管的进口端与排泥主管的另一端相连，出口端分别位于采矿车的履带前侧。

所述泥浆泵采用齿轮泵，其安装在排泥主管上。

本发明的一个目的在于提出一种深海碳封存方法。

一种深海碳封存方法，采用上述的利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，包括如下步骤：

步骤一、水面支持母船制得的气态二氧化碳经过加压后得到液态二氧化碳，之后，向液态二氧化碳中加入增稠剂，增稠剂与液态二氧化碳均与混合，通过脐带管线泵送至中继仓内暂存、备用。

步骤二、制冷机组开始工作，制冷空腔内部温度降低并传导至干冰泥制作空腔内，干冰泥制作空腔内部的温度将至﹣50℃以下，并保持该温度状态。

增稠剂与液态二氧化碳的混合物通过第一管路泵送进入干冰泥制作空腔内，搅拌器对增稠剂与液态二氧化碳的混合物进行搅拌，增稠剂与液态二氧化碳的混合物经过降温冷冻形成半固态、半流动状态的干冰泥，并继续搅拌，单向压力泵关闭。

步骤三、开启泥浆泵，干冰泥被抽吸进入排泥管组内部，并经过排泥管组的出口端排出，在重力作用下降落至采矿车水射流形成的冲蚀坑内。

步骤四、采矿车行走过程中，其履带前侧驱赶的沉积物将干冰泥埋于冲蚀坑，经过履带碾压后，干冰泥与沉积物充分混合且压实。

步骤五、干冰泥在沉积物中缓慢融化，并且渗入到沉积物孔隙结构中，在深海海底环境作用下，液态二氧化碳可与沉积物孔隙水结合生成固态二氧化碳水合物，与沉积物颗粒胶结，达成稳定的赋存状态。

进一步地，步骤二中，增稠剂与液态二氧化碳的混合物进入干冰泥制作空腔前，所述活塞处于其行程的下止点，增稠剂与液态二氧化碳的混合物进入干冰泥制作空腔过程中，在压差作用下活塞向上运动。

先期进入干冰泥制作空腔的液态二氧化碳在其底部遇冷形成干冰，在搅拌器的扰动作用下与后期进入的液态二氧化碳充分混合形成干冰泥。

步骤三中，干冰泥被抽吸进入排泥管组过程中，在外部海水的压力作用下活塞向下运动。

通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：本发明通过冷冻已添加增稠剂的液态二氧化碳制作半流动态干冰泥，随后将其播洒到射流集矿冲蚀而成的冲刷坑中。采矿车装备履带式行走机构，履齿在行进和小幅度打滑过程中将干冰泥与沉积物充分拌合，并将混合物压实。干冰泥将在深海0℃～4℃环境中缓慢融化为液态，可以充分渗入到沉积物结构中，生成稳定的水合物，实现深海长效碳封存。

本发明所述深海碳封存技术可借助深海多金属结核采矿车开展，与矿石商业开采相配合，很大程度上降低了封存技术风险成本和试错成本，具有较高的可行性。

本发明采用干冰泥形态缓慢融化渗入海底沉积物的方式，既降低了气态或超临界态注入海洋的酸化风险，又避免了液态二氧化碳海底流动不易监测的难题。

附图说明

图1是本发明利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置的结构示意图。

图2是本发明的干冰泥制备单元及相关部分的剖面结构示意图。

图3是图2中A部分的放大图。

图4是图2中某一部分的示意图，示出的是刮板组件的局部结构。

图5是图4中B部分的放大图。

图6是本发明一种深海碳封存方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明中深海碳封存技术借助海底采矿车开展，矿石赋存水深为4000m～6000m的海床表面，呈面式分布。采矿车在海底行走，使用水射流集矿技术，会产生明显冲蚀坑。本发明中碳封存技术将干冰泥播洒至冲蚀坑内，行走机构将其搅拌压实后，干冰泥缓慢融化并渗入沉积物孔隙，与孔隙中的结合水发生反应生成水合物。水合物代替结合水填充沉积物孔隙并胶结沉积物颗粒，在深海环境下长期稳定，也即碳封存完成。

实施例1，结合图1至图5，一种利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，包括二氧化碳存储单元1、干冰泥制备单元2、排放单元3及电控单元，所述二氧化碳存储单元1、干冰泥制备单元2均安装在深海采矿车的矿石暂存箱101内，所述二氧化碳存储单元1包括设置在采矿车上的中继仓11，中继仓11的顶部通过脐带管线12能够与水面支持母船上的二氧化碳制备装置相连。

所述中继仓11的侧壁上设置有压力传感器，脐带管线12靠近中继仓11的位置设置有第一单向压力阀13，所述第一管路51上设置有第二单向压力阀53，第二单向压力阀53位于所述中继仓11的出口端与单向压力泵52之间。

干冰泥制备单元2包括罐体21、搅拌器22、伺服电机23和制冷机组，罐体21为竖向布置的圆柱体结构，其外部包裹有绝热材料层24。

刮板座72圆周侧壁上嵌设有两个活塞环，活塞25通过其外侧的活塞环与罐体21的内壁竖向滑动配合，所述活塞25的底部设有相同的绝热材料层24。

活塞25的下方依次为干冰泥制作空腔41、制冷空腔42及动力空腔43，所述罐体21的顶部设置有海水进水管，海水进水管与罐体21位于活塞25上方的空间相通。所述干冰泥制作空腔41通过第一管路51与中继仓11相连，第一管路51上设有单向压力泵52。

具体地，所述活塞25的下方依次间隔设有第一隔板27和第二隔板28，第一隔板27和第二隔板28的外边缘与罐体21内侧壁相连成一体结构，第一隔板27采用高导热性金属材料制成的。所述活塞25、第一隔板27和罐体21内侧壁配合形成所述干冰泥制作空腔41，第一隔板27、第二隔板28和罐体21内侧壁配合形成所述制冷空腔42，第二隔板28和罐体21内壁配合形成所述动力空腔43。

搅拌机构设置在干冰泥制作空腔41内，伺服电机23设置在动力空腔43内且驱动搅拌机构转动，所述制冷机组安装在采矿车上，其蒸发器设置在制冷空腔42内。搅拌器22包括主轴26和多叶片结构的螺旋桨，主轴26竖向布置在罐体21内部，螺旋桨固定套设于主轴26的上端，其下端穿过第一隔板27、第二隔板28与伺服电机23的输出端同轴固定相连。

另外，主轴26的外侧设有管套61，所述管套61的内侧壁与主轴26转动密封配合，其外侧壁与第一隔板27、第二隔板28均转动密封配合。管套61的上端外侧以轴对称的方式设有两个刮板组件，刮板组件位于干冰泥制作空腔41的底部。

所述管套61的下端外侧固定套设有第一锥齿轮62，第一锥齿轮62的下方设有第二锥齿轮63，第二锥齿轮63固定套设在主轴26的下部，第二锥齿轮63通过第三锥齿轮64驱动第一锥齿轮62转动。

所述刮板组件包括支撑杆71、刮板座72、刮板73和扭力弹簧74，所述支撑杆71为圆形横截面的直杆体，其一端与管套61的上端外壁固定相连成一体。刮板座72套设在支撑杆71上且能够与其转动配合，其靠近管套61的一端开设有沉孔，所述扭力弹簧74套设在支撑杆71上且位于沉孔内，其一端与支撑杆71相连，另一端与刮板座72相连。所述刮板73竖向倾斜设置在刮板座72上，刮板座72远离管套61的端面上设有弧形槽721，支撑杆71上固定有挡块711，挡块位于弧形槽721内且能够与管套61的端面活动配合。

排放单元3包括泥浆泵31和排泥管组，所述排泥管组的进口端与干冰泥制作空腔41相连相通，出口端位于采矿车前侧且竖直朝下。

优选地，所述排泥管组包括一个排泥主管32和两个排泥支管33，排泥主管32的一端与干冰泥制作空腔41相连，所述泥浆泵31采用齿轮泵，其安装在排泥主管32上。两个排泥支管33左右对称布置，两个排泥支管33的进口端与排泥主管32的另一端相连，出口端分别位于采矿车的履带102的前侧。

实施例2，结合图1至图4，一种深海碳封存方法，采用上述的利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，包括如下步骤：

步骤一、水面支持母船制得的气态二氧化碳经过加压后得到液态二氧化碳，之后，向液态二氧化碳中加入增稠剂，所述增稠剂采用环境友好型的无氟类增稠剂，增稠剂用于制备粘度较大、流动性较差的干冰泥。

增稠剂与液态二氧化碳均与混合，通过脐带管线12泵送至中继仓11内暂存、备用。

步骤二、制冷机组开始工作，制冷空腔42内部温度降低并传导至干冰泥制作空腔41内，干冰泥制作空腔41内部的温度将至﹣50℃以下，并保持该温度状态。

增稠剂与液态二氧化碳的混合物通过第一管路51泵送进入干冰泥制作空腔41内，增稠剂与液态二氧化碳的混合物进入干冰泥制作空腔41前，所述活塞25处于其行程的下止点，增稠剂与液态二氧化碳的混合物进入干冰泥制作空腔41过程中，在压差作用下活塞25向上运动。

搅拌器22对增稠剂与液态二氧化碳的混合物进行搅拌，增稠剂与液态二氧化碳的混合物经过降温冷冻形成半固态、半流动状态的干冰泥，并继续搅拌，单向压力泵52关闭。

先期进入干冰泥制作空腔41的液态二氧化碳在其底部遇冷形成干冰，在搅拌器22的扰动作用下与后期进入的液态二氧化碳充分混合形成干冰泥，在持续搅拌作用下，干冰泥在干冰泥制作空腔41内部达到温度均衡状态。

步骤三、开启泥浆泵31，干冰泥被抽吸进入排泥管组内部，并经过排泥管组的出口端排出，在重力作用下降落至采矿车水射流形成的冲蚀坑内。

干冰泥被抽吸进入排泥管组过程中，干冰泥制作空腔41内部的压力降低，在外部海水的压力作用下活塞25向下运动，海水持续进入活塞25上方的空腔，直至活塞25重新回到其行程的下止点后停止。

步骤四、深海采矿车利用其前方的采集头103对海床进行冲射水流与抽吸相配合采集多金属结核，采矿车行走过程中，其履带前侧驱赶的沉积物将干冰泥埋于冲蚀坑，经过履带碾压后，干冰泥与沉积物充分混合且压实。

步骤五、干冰泥在沉积物中缓慢融化，并且渗入到沉积物孔隙结构中，在深海海底环境作用下，液态二氧化碳可与沉积物孔隙水结合生成固态二氧化碳水合物，与沉积物颗粒胶结，达成稳定的赋存状态。

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.利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，其特征在于，包括二氧化碳存储单元、干冰泥制备单元、排放单元及电控单元，所述二氧化碳存储单元包括设置在采矿车上的中继仓，中继仓的顶部通过脐带管线能够与水面支持母船上的二氧化碳制备装置相连；

干冰泥制备单元包括罐体、搅拌器、伺服电机和制冷机组，所述罐体的上部设置有活塞，活塞的下方依次为干冰泥制作空腔、制冷空腔及动力空腔，所述罐体的顶部设置有海水进水管，海水进水管与罐体位于活塞上方的空间相通；

搅拌机构设置在干冰泥制作空腔内，伺服电机设置在动力空腔内且驱动搅拌机构转动，所述制冷机组安装在采矿车上，其蒸发器设置在制冷空腔内；

所述干冰泥制作空腔通过第一管路与中继仓相连，第一管路上设有单向压力泵；

排放单元包括泥浆泵和排泥管组，所述排泥管组的进口端与干冰泥制作空腔相连相通，出口端位于采矿车前侧且竖直朝下。

2.根据权利要求1所述的利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，其特征在于，所述中继仓的侧壁上设置有压力传感器，脐带管线靠近中继仓的位置设置有第一单向压力阀，所述第一管路上设置有第二单向压力阀，第二单向压力阀位于所述中继仓的出口端与单向压力泵之间。

3.根据权利要求1所述的利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，其特征在于，罐体为竖向布置的圆柱体结构，其外部包裹有绝热材料层；

活塞设置在罐体的内侧上部，其圆周侧壁上嵌设有至少一个活塞环，活塞通过其外侧的活塞环与罐体的内壁竖向滑动配合，所述活塞的底部设有相同的绝热材料层。

4.根据权利要求1所述的利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，其特征在于，所述活塞的下方依次间隔设有第一隔板和第二隔板，第一隔板和第二隔板的外边缘与罐体内侧壁相连成一体结构，第一隔板采用高导热性金属材料制成的；

所述活塞、第一隔板和罐体内侧壁配合形成所述干冰泥制作空腔，第一隔板、第二隔板和罐体内侧壁配合形成所述制冷空腔，第二隔板和罐体内壁配合形成所述动力空腔。

5.根据权利要求4所述的利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，其特征在于，搅拌器包括主轴和多叶片结构的螺旋桨，主轴竖向布置在罐体内部，螺旋桨固定套设于主轴的上端，其下端穿过第一、第二隔板与伺服电机的输出端同轴固定相连。

6.根据权利要求5所述的利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，其特征在于，主轴的外侧设有管套，所述管套的内侧壁与主轴转动密封配合，其外侧壁与第一、第二隔板均转动密封配合；

管套的上端外侧以轴对称的方式设有两个刮板组件，刮板组件位于干冰泥制作空腔的底部；

所述管套的下端外侧固定套设有第一锥齿轮，第一锥齿轮的下方设有第二锥齿轮，第二锥齿轮固定套设在主轴的下部，第二锥齿轮通过第三锥齿轮驱动第一锥齿轮转动。

7.根据权利要求6所述的利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，其特征在于，所述刮板组件包括支撑杆、刮板座、刮板和扭力弹簧，所述支撑杆为圆形横截面的直杆体，其一端与管套的上端外壁固定相连成一体；

刮板座套设在支撑杆上且能够与其转动配合，其靠近管套的一端开设有沉孔，所述扭力弹簧套设在支撑杆上且位于沉孔内，其一端与支撑杆相连，另一端与刮板座相连；

所述刮板竖向倾斜设置在刮板座上，刮板座远离管套的端面上设有弧形槽，支撑杆上固定有挡块，挡块位于弧形槽内且能够与管套的端面活动配合。

8.根据权利要求1所述的利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，其特征在于，所述排泥管组包括一个排泥主管和两个排泥支管，排泥主管的一端与干冰泥制作空腔相连，两个排泥支管左右对称布置，两个排泥支管的进口端与排泥主管的另一端相连，出口端分别位于采矿车的履带前侧；

所述泥浆泵采用齿轮泵，其安装在排泥主管上。

9.一种深海碳封存方法，其特征在于，采用如权利1至8任意一项所述的利用海底采矿车播洒干冰泥的碳封存装置，包括如下步骤：

步骤一、水面支持母船制得的气态二氧化碳经过加压后得到液态二氧化碳，之后，向液态二氧化碳中加入增稠剂，增稠剂与液态二氧化碳均与混合，通过脐带管线泵送至中继仓内暂存、备用；

步骤二、制冷机组开始工作，制冷空腔内部温度降低并传导至干冰泥制作空腔内，干冰泥制作空腔内部的温度将至﹣50℃以下，并保持该温度状态；

增稠剂与液态二氧化碳的混合物通过第一管路泵送进入干冰泥制作空腔内，搅拌器对增稠剂与液态二氧化碳的混合物进行搅拌，增稠剂与液态二氧化碳的混合物经过降温冷冻形成半固态、半流动状态的干冰泥，并继续搅拌，单向压力泵关闭；

步骤三、开启泥浆泵，干冰泥被抽吸进入排泥管组内部，并经过排泥管组的出口端排出，在重力作用下降落至采矿车水射流形成的冲蚀坑内；

步骤四、采矿车行走过程中，其履带前侧驱赶的沉积物将干冰泥埋于冲蚀坑，经过履带碾压后，干冰泥与沉积物充分混合且压实；

步骤五、干冰泥在沉积物中缓慢融化，并且渗入到沉积物孔隙结构中，在深海海底环境作用下，液态二氧化碳可与沉积物孔隙水结合生成固态二氧化碳水合物，与沉积物颗粒胶结，达成稳定的赋存状态。

10.根据权利要求9所述的一种深海碳封存方法，其特征在于，步骤二中，增稠剂与液态二氧化碳的混合物进入干冰泥制作空腔前，所述活塞处于其行程的下止点，增稠剂与液态二氧化碳的混合物进入干冰泥制作空腔过程中，在压差作用下活塞向上运动；

先期进入干冰泥制作空腔的液态二氧化碳在其底部遇冷形成干冰，在搅拌器的扰动作用下与后期进入的液态二氧化碳充分混合形成干冰泥；

步骤三中，干冰泥被抽吸进入排泥管组过程中，在外部海水的压力作用下活塞向下运动。