CN213950702U - 一种用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统，中空腔体下方设有至少一竖井，竖井后侧具有一用于矿石流出的竖井出口，竖井出口的下表面为倾斜向下；竖井内设置倾斜向下的多孔挡板，多孔挡板与竖井出口的下表面衔接，且倾斜趋势与竖井出口的下表面相同；竖井底部为竖井入口，竖井入口为低速水流入口，通过一可调节流量的阀门与泥水分离器的出口相连接；矿泥分离器出口通过潜水泵与泥水分离器的入口连接，泥水分离器出口还与集矿头的入口连接。该系统既可彻底完成对矿物、海泥与水的分离，亦可实现海泥的快速沉降、有效降低对海底环境的影响，同时利用了水流的剩余能量，进一步提高了泥水混合物的分离率。

Description

一种用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统

技术领域

本实用新型涉及一种海底集矿设备，具体来说，是一种用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统，属于流体机械、海洋工程技术领域。

背景技术

深海赋存着锰结核、富钴结壳、热液硫化物等多种矿产资源，其储量庞大，经济前景广阔，因此深海采矿被视作人类未来获取矿产资源的重要途径，发展深海采矿技术具有重要战略意义。目前深海采矿面临的主要挑战，即商业开采的经济性问题以及大规模开采的环保性问题。研究认为，深海采矿作业对海底造成扰动以及排放泥水混合物等行为可能对海底生物群落乃至深海生态造成威胁。国际海底管理局亦对深海采矿技术的环境影响提出限制要求。由此看来，海底矿物开采的环保性问题是当前深海采矿面临的一项重大难题。现有的水力集矿方案将含有海底沉积物颗粒的混合物直接排出集矿机以外，将会以羽状流的形式向四周大范围扩散并对周围的海底生态环境造成剧烈扰动。另有少数海底集矿系统具有矿物-海泥分离水箱，其内部利用滤网使得矿物和泥水混合物分离，同时将分离得到的海泥装入可降解的袋子中并使之沉入海底。这一举措虽然实现了矿粒、海泥、水的分离且减小了对海底环境的破坏，但这种方法对矿粒和泥水混合物的分离不彻底，而且该方法很难应用于高采集能力的持续性作业。除此之外，部分高浓度的泥水混合物流经水泵，将加剧水泵的磨蚀，缩短水泵的使用寿命，增大装备的故障率，降低系统的可靠性。同时，现有的海底集矿方式需要为设射流、抽吸单独提供能量输出，没能有效地综合运用这些能量。

具体来说，现有技术存在以下技术问题：

1)现有海底集矿装备的泥水分离系统无法实现海泥的快速沉降，且对泥水排放物扩散的抑制效果较差；现有海底集矿系统的泥水分离方案主要采用自然沉降方法，通过降低流速使得海泥絮凝沉降。由于海泥的絮凝率受泥水混合物浓度的影响较大，一般来说混合物浓度越高，海泥越容易絮凝沉降，而现有方案仅靠降低流速很难实现海泥的快速沉降，且这种只让泥水混合物进行一次分离的做法，在短时间内的分离效果并不理想。同时，由于海泥的絮凝率低，导致低浓度泥水混合物排出集矿机外时依然会产生较强的扩散。

2)无法实现矿粒、海泥、水的彻底分离，或仅实现了矿石与泥水混合物的分离，而无法实现海泥和水的分离。若将带有水的海泥直接排放，由于低浓度的泥水混合物不利于海泥的絮凝沉降，则导致排出的海泥产生扬洒，对海底生态环境造成严重破坏。然而，考虑了矿粒与泥水分离的集矿装置也很难在短时间内实现对矿石与泥水混合物进行彻底分离。

3)现有集矿方式无法实现能量循环利用。现有集矿方式需要耗费较高能量生成水射流，这些能量不仅无法充分利用，更成为泥水混合物扩散的能量来源。由于集矿机需要将矿粒从海床表面抽取并输送到集矿箱内，因此不得不用高压水泵以产生高能量的水射流，而能量的高效利用则需要在集矿机内部设计一套循环式的分离与排放系统，这对以采集率为主要考虑因素的设计者们来说是困扰很久的难题。

实用新型内容

本实用新型旨在解决现有海底采矿技术中存在的对海底生态环境扰动大、矿粒海泥分离率低、水流能量无法循环利用等问题，本实用新型提供了一种用于深海采矿的循环式泥水分离系统。该系统既可实现矿物海泥分离、降低矿料中海底沉积物杂质的比例，彻底完成对矿物、海泥与水的分离，亦可实现海泥的快速沉降、有效降低对海底环境的影响，同时，循环式的设计方案不仅有效利用了水流的剩余能量，而且进一步提高了泥水混合物的分离率。

本实用新型采取以下技术方案：

一种用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统，包括矿泥分离器17、泥水分离器19；所述矿泥分离器17包括一中空腔体，所述中空腔体横向形成一水平流道，一侧具有矿泥分离器入口1、另一侧具有矿泥分离器出口3；中空腔体下方设有至少一竖井，竖井后侧具有一用于矿石流出的竖井出口5，所述竖井出口5的下表面为倾斜向下；竖井内设置倾斜向下的多孔挡板6，所述多孔挡板6也倾斜向下，与竖井出口5的下表面衔接，且倾斜趋势与竖井出口5的下表面相同；竖井底部为竖井入口4，所述竖井入口为低速水流入口，通过一可调节流量的阀门与泥水分离器19的出口相连接；所述矿泥分离器出口3通过潜水泵18与泥水分离器19的入口连接，所述泥水分离器19出口还与集矿头14的入口连接。

优选的，所述泥水分离器19主体为一中空的箱体，纵向一端为泥水分离箱入口9，另一端为泥水分离箱出口10；所述箱体的底板可打开，以使箱体中积累的海泥颗粒每隔一段时间排放至海底表面；箱体内部迎流方向交错设置两排或多排U型挡板11，使得海泥颗粒在U型挡板11的作用下沉降。

进一步的，所述U型挡板11在宽幅方向上错开设置。

进一步的，所述竖井出口5的部位向下具有一漏斗形的矿石落口，所述矿石落口与矿物输送装置22的入口连接，所述矿物输送装置22内具有皮带轮输送机构。

进一步的，所述竖井呈T形。

进一步的，所述多孔挡板6与所述竖井出口5的下表面位于同一平面。

进一步的，所述泥水分离器19主体呈矩形体结构。

优选的，所述矿泥分离器17宽幅方向具有两个或多个矿泥分离器入口1。

本实用新型的有益效果在于:

1)环保型设计。通过对矿物、海泥与水的逐步分离，可避免或减少海底沉积物颗粒的大规模扩散，进而有助于降低深海采矿作业对海底环境及周围生物聚落的影响。

2)结构简单易实现。整个系统除水泵以外不需要设置其他运动机构，可靠性有保障。且所有功能均靠水泵驱动，无需外部能量输入。

3)使用寿命长。因为锰结核不通过泵，对于离心泵而言可有效减缓叶轮及导叶的磨蚀，可延长水泵的使用寿命，降低装备的故障率，保障系统的可靠性。

4)海泥分离充分。因为此设计能够以更长的海泥分离的时间来弥补分离器效率的不足，无需强制海泥在短时间内彻底分离，因此针对分离器效率的要求可降低。

5)加快海泥絮凝沉降，减小扩散范围。泥水混合物的循环流动，增加了泥水分离箱内的混合物浓度，通过提高海泥的絮凝率，促使其快速沉降。高浓度的泥水混合物集体排放有利于减小排放物的扩散范围，极大地降低了对海底环境的扰动。

6)能源有效利用。因为现有集矿方式需要耗费较高能量生成水射流，这些能量不仅无法充分利用，更成为海泥扩散的能量来源。本方案恰好能够将这部分能量回收利用，在集矿头附近再次生成水射流。

附图说明

图1是重力式矿泥分离器工作原理示意图。

图2是U型槽泥水分离器的原理透视图。

图3是矿泥分离、泥水分离二合一方案示意图。

图4为重力式矿泥分离器的三维图。

图5为重力式矿泥分离器的侧视图。

图6为U型槽泥水分离箱的三维图。

图7为U型槽泥水分离箱的俯视图。

图8为本实用新型用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统的原理示意图。

图中，1-矿泥分离器入口；2-矿泥分离器箱子外壳；3-矿泥分离器出口；4-竖井入口；5-竖井出口；6-多孔挡板；7-水平流道；8-竖井；9-泥水分离箱入口；10-泥水分离箱出口；11-U型挡板；12-泥水分离箱底板；13-矿粒；14-集矿头；15-管道；16-流动方向；17-矿泥分离器；18-大型潜水泵；19-泥水分离箱；20-调节阀；21-给料机；22-矿物输送装置；23-海床表面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明。

本实施例基于锰结核与海泥颗粒运动特性的差异，提出一种结构简单、分离率高的重力式矿泥分离器设计方案。如图1所示，重力式矿泥分离器主体为两个连续排列的T字形中空结构，可分为上部的水平流道与下部的竖井两部分。水平流道入口为锰结核与泥水混合物入口，通过管道与集矿头连接；出口为泥水混合物出口，并与泵连接；竖井内设置一排多孔挡板；竖井出口为锰结核出口，并与输矿装置连接；竖井入口为低速水流入口，通过一可调节流量的阀门与泥水分离器相连接。通过选取适当的工作参数能够实现锰结核与海泥颗粒有效分离，从而显著提高了矿物与泥水混合物的分离率。

本实施例基于U型槽惯性分离器原理，设计了一种分离率高、对海底环境扰动小的泥水分离器。如图2所示，此泥水分离器主体为一中空的箱体，两端上部分别与泥水混合物的入口与出口管道相连接。泥水分离器的安装位置位于集矿机的底部。其底板可打开，以使分离器中积累的海泥颗粒每隔一段时间排放至海底表面。其内部迎流方向交错设置两排或多排U型挡板，使得海泥颗粒在U型挡板的作用下沉降，从而实现海泥与水分离的目的。U型挡板的数量、尺寸及布置间距将会对泥水分离效果产生一定影响。

本实施例基于矿泥-泥水分离器一体化方案以及“控制总量、防止外溢、持续分离”的思路，提出一种增加海泥絮凝率、对海底环境扰动小且可实现水流能量有效利用的循环式泥水分离系统。

图3为“二合一”方案的示意图，图中的箭头走向代表了矿物和泥水混合物的流向，虚线框表示集矿机的内部。矿泥-泥水分离器一体化的方案又成为“二合一”方案，即将泥水分离器与矿泥分离器集成于深海集矿机之上，形成一个同时能够实现矿物分离与海泥颗粒分离功能的整体系统。然而，由于集矿机本身的体积有限，无法提供足够的空间供海泥颗粒充分沉降；又由于连续的高流量，亦难以采用过滤的方式分离。针对以上问题，本方案提出一种思路，即：控制总量、防止外溢、持续分离。

控制总量即从源头控制泥水混合物的总量。由于泥水混合物的形成总是由被集矿机采集到的海泥颗粒与周围的水共同参与，意味着在集矿过程中，集矿头周围的清水将持续与海泥颗粒混合，被“污染”后成为泥水分离器需要处理的对象。由于水力集矿必须借助流体作用力采集锰结核，集矿头附近必须要有水流入，因此本方案采用已经被“污染”的水代替清水参与集矿过程。防止外溢即防止海泥颗粒以不受控的形式溢出集矿机外。在“二合一”方案下，对于未经充分处理的泥水混合物，根据“控制总量”的思路，则恰好可以让上述混合物代替清水参与集矿过程，并应当在集矿头附近防止其溢出。持续分离即采取某种方法，使得泥水混合物的处理得以多次进行，以更多的处理次数、更长的分离的时间来弥补短时间内分离效率的不足。而“控制总量”的设想恰好为持续分离创造了条件，只要循环式地引导泥水混合物多次通过泥水分离器，即可实现持续分离的过程。

泥水分离箱中的U型挡板促进海泥颗粒沉降，减小了流经水泵的泥水混合物对泵的叶轮造成的磨蚀，提高了其使用寿命。循环式的泥水分离方案一方面充分利用了水流的剩余能量，提高了能量利用率；另一方面弥补了短期内泥水无法充分分离的不足，提高了泥水混合物分离率，从而使得矿物采集过程对海底生态环境的扰动最小化。此外，整个系统除水泵以外不需要设置其他运动机构，可靠性高。且所有功能均靠水泵驱动，无需外部能量输入，结构简单易实现。

因为所研究的对象是由锰结核颗粒、海底沉积物颗粒与水构成的液固多相流，因此针对不同的问题，采用适合的多项流模型进行模拟。其中，海底沉积物颗粒由于浓度较高，且粒径普遍在1mm以下，故采用欧拉模型计算相较于拉格朗日模型更经济；锰结核颗粒由于浓度较低，且粒径较大，故采用离散元模型较为适合。

在多相流模拟中定义液相(水)为连续相，固体颗粒为离散相。计算时的基本假定包括：1)假定液相为不可压缩、有粘性、恒密度的牛顿流体，遵循质量守恒、动量守恒以及湍流方程；2)不考虑相间的质量交换与热交换作用；3)对液相求解雷诺平均的Navier-Stokes(RANS)方程。

液相湍流模型采用标准k–ε模型。此时液相雷诺应力张量τ_t,f写为：

其中μ_t,f为湍流粘度；I为单位张量；

为v_f的转置。μ_t,f的表达式为：

其中C_μ为系数，取0.09；k_f为液相湍流动能，ε_f为液相湍流耗散率。

固相湍流采用Tchen湍流响应模型。该模型通过建立离散相(固相)与连续相(液相)的湍流脉动速度之间的关系，进而以液相湍流物理量表达固相湍流。此时液相与固相的湍流扩散系数分别为：

其中q_ij表示第i相与第j相的湍流脉动速度的内积在第j相上的平均值，即：

颗粒运动方程即颗粒的动量守恒方程，符合牛顿第二定律，通过拉格朗日观点来描述：

式中m_p为颗粒质量；v_p为颗粒瞬时速度；t为时间；F_s为颗粒受到的所有表面力；F_b为颗粒受到的所有体积力。按照力的成分，可分解成：

F_s＝F_d+F_p+F_v

F_b＝F_g+F_c+F_r+F_C0

式中F_d为拖曳力；F_p为压力梯度力；F_vm为虚拟质量力；F_L为升力；F_g为重力；F_c为颗粒间接触力；F_r为运动坐标系的附加力；F_Co为库仑力。在本模型中，F_r，F_Co可忽略不计。

若考虑颗粒的转动，则还应符合角动量守恒方程，即：

式中I_p为颗粒的惯性矩；ω_p为颗粒的角速度；M_b为液相作用于颗粒的力矩；M_c为颗粒间接触力矩。

为了得到上述技术方案，提出一套多相流数值计算模型。其中对于液相求解RANS方程，湍流的模拟采用可实现的k–ε剪切驱动双层模型；海底沉积物颗粒的模拟采用与上一章相同的基于欧拉法的液固多相流模型；锰结核颗粒则采用离散元模型(DEM)以模拟大量颗粒间的相互作用。采用STAR-CCM+12.02.01计算不同工况条件下的流场特征以及锰结核的运动特征。

通过计算可以得到以下的关键设计指标：重力式矿泥分离器的入口与出口管道直径及形状，水平流道的尺寸及形状，竖井的尺寸及形状，不同矿泥浓度下的最佳流速，入口管道形态；泥水分离箱中U型挡板的数量、尺寸及布置方式，泥水分离箱入口与出口管道直径、形状及其距箱底的高度，循环流动时泥水混合物的最佳流速等。

创新点1：矿泥分离率高、海泥絮凝沉降快、环境扰动小的循环式泥水分离方案：

本实用新型创新采用循环式泥水分离设计方案，该方案使泥水混合物的处理得以多次进行，以更多的处理次数、更长的分离时间来弥补由于集矿机体积的限制而无法提供足够空间供海泥颗粒充分沉降的不足。泥水混合物的循环流动一方面通过增加其在分离箱中的浓度，增大海泥的絮凝率，加快海泥絮凝沉降，从而可避免或减少海底沉积物颗粒的大规模扩散，进而有助于降低深海采矿作业对海底环境及周围生物聚落的影响；另一方面，循环流动使得泥水混合物的浓度增大，进一步提高了海泥与水的分离率。同时，本方案恰好能够将水射流的剩余能量回收利用，在集矿头附近再次生成水射流，且系统的所有功能均靠水泵驱动，无需外部能量输入，实现了节能高效的矿物-海泥-水分离作业。

创新点2：该循环式泥水分离系统可实现大流量一体化分离

将矿泥分离器与泥水分离器集成在同一海底集矿机之上，形成一个能够同时实现矿泥分离与泥水混合物分离功能的一体化系统，可进行持续的分离与大流量排放。

该循环系统主要由重力式矿泥分离器与U型槽泥水分离箱组成。重力式矿泥分离器的基本原理是利用锰结核自身重力以及锰结核与海泥颗粒运动特性的差异，实现矿物与泥水混合物的分离。竖井内低速流动的作用主要是防止长时间工作下海泥颗粒在竖井底部堆积。此外，一旦锰结核在竖井内发生堵塞，可调节竖井内的流量使其产生流量脉冲，利用流量脉冲施加松动的作用力，以解除堵塞状态。

泥水分离箱的主体为一中空的箱体，两端上部分别与泥水混合物的入口与出口管道相连接，箱体内部迎流方向交错设置的U型挡板使得海泥颗粒在每次流经挡板时都会沉降，从而可实现海泥与水的高效分离。其安装位置位于集矿机的底部。箱底部设有高度传感器与海泥浓度传感器，当絮凝沉降的海泥浓度及其在箱底部堆积的高度都达到预定值时，泥水分离箱底板打开，以使分离器中积累的高浓度泥水混合物每隔一段时间大批量地排放至海底表面，可实现海泥聚集排放，从而减小了对海底生态环境的扰动。其中，高度传感器保证了系统可进行大流量分离，海泥浓度传感器保证了高浓度的泥水混合物排放，以最大程度的减少对海底环境的污染。

下面结合附图4-8，对于本实用新型的实现过程具体举例说明：

如图8所示，本实用新型的循环式矿泥/泥水分离系统主要由以下部分组成：矿泥分离器17、大型潜水泵18、水沙分离箱19、调节阀20、给料机21、矿物输送装置22、连接各部分的管道及法兰等。

结合图4-8，该循环式矿泥/泥水分离系统的工作原理叙述如下：集矿头14贴近海床表面，大型潜水泵18工作时其内部形成一定强度的射流，将海床表面的锰结核吹出并使其随水流进入矿泥分离器入口1。当锰结核随水流到达矿泥分离器17上部的水平流道7时，因锰结核浮力与升力之和远小于自身重力，且管道足够长，因而落入竖井8并在多孔挡板6的引导下落入给料机21，储存一定量的矿粒后通过输送装置22连续输送至中继舱，进而送至水面船舶。而矿泥分离器17内的海泥颗粒由于难以沉降而随水流通过潜水泵18从矿泥分离器出口3进入泥水分离箱19。基于U型槽惯性分离器原因设计的泥水分离箱19，内部采用U形挡板11阻止泥水混合物中颗粒的运动，从而促进海泥颗粒的沉降。泥水分离箱19相当于对海泥颗粒进行过滤，然而流经一次的泥水混合物未能被完全分离，这部分泥水混合物有少部分通过调节阀20以较低的流速流入矿泥分离器17中，将竖井8内的海泥自下而上带入水平流道7内，防止其在竖井内沉积；此外，一旦锰结核在竖井内发生堵塞，可通过调节阀20控制竖井8内的流量使其产生流量脉冲，利用流量脉冲施加松动的作用力，以解除堵塞状态。其余大部分泥水混合物流入集矿头14，再次参与集矿过程，最终形成循环。当泥水分离箱19底部的海泥浓度与沉积高度达到传感器测得的预定值时，将分离器箱体的底板12打开，使海泥缓慢排放到海床表面，从而减小对海底生态环境的破坏，同时可实现矿物、海泥、水的持续分离，且整个循环系统的结构简单易实现，分离率高而建造成本低，更重要的是还实现了能源的循环高效利用。

以上是本实用新型的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本实用新型总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本实用新型要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统，其特征在于：

包括矿泥分离器(17)、泥水分离器(19)；

所述矿泥分离器(17)包括一中空腔体，所述中空腔体横向形成一水平流道，一侧具有矿泥分离器入口(1)、另一侧具有矿泥分离器出口(3)；中空腔体下方设有至少一竖井，竖井后侧具有一用于矿石流出的竖井出口(5)，所述竖井出口(5)的下表面为倾斜向下；竖井内设置倾斜向下的多孔挡板(6)，所述多孔挡板(6)也倾斜向下，与竖井出口(5)的下表面衔接，且倾斜趋势与竖井出口(5)的下表面相同；竖井底部为竖井入口(4)，所述竖井入口为低速水流入口，通过一可调节流量的阀门与泥水分离器(19)的出口相连接；

所述矿泥分离器出口(3)通过潜水泵(18)与泥水分离器(19)的入口连接，所述泥水分离器(19)出口还与集矿头(14)的入口连接。

2.如权利要求1所述的用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统，其特征在于：所述泥水分离器(19)主体为一中空的箱体，横向一端为泥水分离箱入口(9)，另一端为泥水分离箱出口(10)；所述箱体的底板可打开，以使箱体中积累的海泥颗粒每隔一段时间排放至海底表面；箱体内部迎流方向交错设置两排或多排U型挡板(11)，使得海泥颗粒在U型挡板(11)的作用下沉降。

3.如权利要求2所述的用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统，其特征在于：所述U型挡板(11)在宽幅方向上错开设置。

4.如权利要求1或2所述的用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统，其特征在于：所述竖井出口(5)的部位向下具有一漏斗形的矿石落口，所述矿石落口与矿物输送装置(22)的入口连接，所述矿物输送装置(22)内具有皮带轮输送机构。

5.如权利要求1或2所述的用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统，其特征在于：所述竖井呈T形。

6.如权利要求1或2所述的用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统，其特征在于：所述多孔挡板(6)与所述竖井出口(5)的下表面位于同一平面。

7.如权利要求2所述的用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统，其特征在于：所述泥水分离器(19)主体呈矩形体结构。

8.如权利要求1所述的用于海底集矿的循环式矿泥泥水分离系统，其特征在于：所述矿泥分离器(17)宽幅方向具有两个或多个矿泥分离器入口(1)。

Images