JP6954534B2 - 海洋資源採鉱装置および海洋資源の採鉱方法、並びに、海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法 - Google Patents
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Description
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、採鉱効率を向上させ得る海洋資源採鉱装置および海洋資源の採鉱方法、並びに、海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法を提供することを課題とする。
すなわち、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る海洋資源採鉱装置は、圧送されたリーチング用浸出溶液を駆動流体として駆動する掘削部と、該掘削部またはその近傍に形成された吐出口から前記リーチング用浸出溶液を外部に吐出する吐出部と、を有するダウンホールモータを備えることを特徴とする。
また、本発明の一態様に係る海洋資源海洋資源揚鉱装置は、ライザー管と、該ライザー管内に設けられて圧送されたリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給する駆動流体供給管と、該駆動流体供給管の先端に装備された本発明の一態様に係る海洋資源採掘装置と、を備えることを特徴とする。
そのため、このレアアース選鉱溶液を洋上に回収すれば、レアアースの採掘量をより稼ぐことができる。よって、本発明の一態様に係る海洋資源採鉱装置および海洋資源の採鉱方法、並びに、海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法によれば、採鉱効率を向上させることができる。
なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す各実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。
まず、本発明の第一実施形態について説明する。
図1に示すように、第一実施形態の海洋資源揚鉱システムは、目的とする海域の海上Cに停泊される採鉱母船1と、海洋資源揚鉱装置100(以下、単に「揚鉱装置」ともいう)と、を備える。本実施形態の採鉱母船1には、リーチング用浸出溶液を用いる選鉱水溶液循環式採鉱システムが装備される。
ライザ昇降装置は、ライザー管101および駆動流体供給管23の昇降動作およびその制御を行う装置を含んで構成される。ライザテンショナは、風速や波高、潮流が時々刻々変化する海況下にて、ライザー管101および駆動流体供給管23の昇降位置の補正制御が可能な複数の可動アームを含んで構成される。また、複数基のスラスタは、自動船位保持システム(DPS)によって採鉱母船1を定点保持可能に自動制御され、時々刻々変化する海況下にて採鉱母船1を定点保持可能に構成されている。
各ライザー単管は、設置深度等に応じて、鋼管や、炭素繊維強化プラスチック等の複合強化プラスチック管を適宜用いて構成される。また、ライザー管101の途中部分には、渦励起振動等の不意の挙動を抑制するフェアリングが装着される。パッカー103とライザー管101の下端との接合部には、ライザー管101の緊急離脱機構を有する不図示の噴出防止装置が設けられる。
詳しくは、ダウンホールモータ2は、同図に示すように、駆動流体供給管23の下端に位置する流体モータ部130と、流体モータ部130の下部に設けられた動力伝達部180と、動力伝達部180の下部に設けられた駆動軸支持部160とを有する。
そして、ロータ110の下端と駆動軸140の上端とは、動力伝達部180のハウジング181内にそれぞれ張り出しており、ロータ110の下端と駆動軸140の上端相互は、ユニバーサルジョイント185を介してハウジング181内で回転駆動力を伝達可能に接続されている。
本実施形態の屈曲機構190は、屈曲部での屈曲が可能な屈曲構造194と、ハウジング181の屈曲方向を制御するために、ハウジング181内で複数の連通口141それぞれの領域に区分する複数の圧力室191と、これら複数の圧力室191それぞれへの駆動流体Mを導入する流路を開閉可能に配置された複数の開閉弁192と、各開閉弁192に対応して各圧力室191に配置された傾倒用アクチュエータ193と、を備える。
次に、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置100の動作並びにこれを用いた海洋資源の揚鉱方法、並びに、その作用効果について説明する。ここで、本実施形態では、海底のレアアース泥床ODにて、レアアース泥Drの堆積層Dが露出しておらず、深海の非レアアース泥堆積層DNの下部に分布するレアアース泥堆積層Dからレアアース泥Drを選鉱回収するものである。
特に、硫酸アンモニウム水溶液は、一般的にリーチングで使用される硫酸や塩酸と異なり、肥料にも使用されており、環境に対する安全性が高いといえる。そして、硫酸アンモニウム水溶液であれば、図3に示すように、低濃度でも比較的高い浸出率でレアアース泥中の、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、ジスプロシウム(Dy)などのレアアースを溶出可能である。
また、図4に示すように、比較的短時間でも比較的高い浸出率でレアアース泥中の、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、ジスプロシウム(Dy)などのレアアースを溶出可能である。
そして、上述した一連の海洋資源揚鉱工程の終了後、図9に示すように、ダウンホールモータ2とパッカー103を深海の海底面上に引き上げ、揚鉱スケジュールに従い、採鉱母船1を所定距離移動してレアアース泥床ODの他の位置にて上述した一連の海洋資源揚鉱工程を繰り返す。
例えば、上記第一実施形態では、リーチング用浸出溶液Lsとして、硫酸アンモニウム水溶液を用いた例で説明したが、本発明に適用できるリーチング用浸出溶液Lsは、硫酸アンモニウム水溶液に限定されず、例えば、希硫酸、または希塩酸を含むものであってもよい。
具体例として、本発明の第二実施形態について説明する。
図13に示すように、第二実施形態では、上記第一実施形態に示したエアリフト手段である圧縮空気供給管102を設けておらず、また、パッカー103に替えて、採掘坑Eの坑口Fをシールする円筒形アンカー108を備える点が相違する。
円筒形アンカー108は、ライザー管101の下部開口部を囲繞するとともに、ライザー管101の配置時に海底Bでレアアース泥床ODに打ち込まれて、採掘坑Eの坑口Fをシール可能に構成されている。他の構成は上記第一実施形態と同様である。
また、他の具体例として、本発明の第三実施形態について説明する。
図14に示すように、第三実施形態では、上記第一実施形態に対し、パッカー103に替えて、採掘坑Eの坑口Fをシールする円筒形アンカー108を備える点が相違する。他の構成は上記第一実施形態と同様である。
また、例えば上記第一実施形態では、ダウンホールモータ2は、ねじポンプを流体モータ機構に使用し、その出力を、ユニバーサルジョイントを介して出力軸に出力し、これにより、省スペース化を実現し、流体モータ機構での駆動力を効率良く伝達する構成例を示したが、これに限らず、流体モータ機構での出力を、ユニバーサルジョイントを介することなく出力軸に出力する構成としてもよい。
このダウンホールモータ2は、自身基端部が上部ハウジング11先端(つまり、駆動流体供給管23の先端部分)に接続されている。ビット90の位置は、パッカー103の下端から張り出している。これにより、ダウンホールモータ2は、上部ハウジング11の駆動流体供給路13に高圧のリーチング用浸出溶液Lsが駆動流体Mとして供給されると、ビット90でレアアース泥床ODを掘削しつつ、レアアース泥床ODから掘削したレアアース泥Drをリーチング用浸出溶液Lsとともにパッカー103内に導くようになっている。
また、第二シャフト支持部52、53の複数の軸受52j、53jの上下の側は、第三のシール63および第四のシール64により、第二シャフト30の外周面と下部ハウジング12の内周面との間がシールされる。なお、本実施形態では、各シャフト20、30を支持する複数の軸受51j、52j、53jに、スラスト荷重およびラジアル荷重を受ける深溝玉軸受を使用しているが、これに限定されず、種々の軸受を用いることができる。
詳しくは、第一シャフト20は、上記基端部21と、基端部21の先端側に形成されたインナロータ部22とを一体に有して構成されている。基端部21の上面には、上述した駆動流体供給路13に連通して、基端部21の軸方向に沿って駆動流体導入路25が形成されている。基端部21の駆動流体導入路25は、基端部21とインナロータ部22との境となる位置まで延設されている。
これにより、このダウンホールモータ2は、ねじポンプの原理(逆作動)でインナロータ部22とアウタロータ部32とが所定比率で回転され、アウタロータ部32と一体の第二シャフト30を駆動軸として回転駆動し、その外筒31を延設してなるビット装着部33に装着されたビット90を回転しつつ、ビット90の回転による掘削力と、ビット90のノズル91から噴射されるリーチング用浸出溶液Lsの流体力とによってレアアース泥床ODの泥質堆積層を解泥可能になっている。
[総括]
2 ダウンホールモータ
10 ハウジング
11 上部ハウジング
12 下部ハウジング
13 駆動流体供給路(駆動流体流路)
14 採鉱やぐら
20 第一シャフト
21 基端部
22 インナロータ部
23 駆動流体供給管(駆動流体流路)
24 駆動流体導出口(駆動流体流路)
25 駆動流体導入路(駆動流体流路)
30 第二シャフト
31 外筒
32 アウタロータ部
33 ビット装着部
41 第一のブシュ
42 第二のブシュ
43 第三のブシュ
44 第四のブシュ
51 第一シャフト支持部
52 第二シャフト支持部
53 第二シャフト支持部
61 第一のシール
62 第二のシール
63 第三のシール
64 第四のシール
70 駆動機構部(流体モータ機構)
81 フロントキャップ
82 支軸部キャップ
90 ビット(掘削部)
91 ノズル(吐出部)
100 海洋資源揚鉱装置
101 ライザー管
102 圧縮空気供給管(エアリフト手段)
103 パッカー
104 集鉱スカート
105 下部フレーム
106 アンカー
108 円筒形アンカー
110 ロータ
120 ステータ
130 流体モータ部
131 ハウジング
140 駆動軸(シャフト)
141 連通口
142 連通路
160 駆動軸支持部
170 ハウジング
180 動力伝達部
181 ハウジング
182 継手部
183 連結ロッド
184 継手部
185 ユニバーサルジョイント
190 屈曲機構
191 圧力室
192 開閉弁
193 傾倒用アクチュエータ
194 屈曲構造
A 圧縮空気
B 海底
C 海上
E 採掘坑
F 採掘坑の坑口
CL1 第一シャフトの回転軸線
CL2 第二シャフトの回転軸線
E 偏心距離
K キャビティ
M 駆動流体
Ls リーチング用浸出溶液(駆動流体)
Ma レアアース選鉱溶液(移送流体)
D レアアース泥堆積層(泥質堆積層)
Dr (解泥された)レアアース泥(海洋資源)
DN 非レアアース泥堆積層(泥質堆積層)
OD レアアース泥床(海底鉱床)
U フィード動作
W 海水
Claims (15)
- 圧送されたリーチング用浸出溶液を駆動流体として駆動する掘削部と、
該掘削部またはその近傍に形成された吐出口から前記リーチング用浸出溶液を外部に吐出する吐出部と、
を有するダウンホールモータを備えることを特徴とする海洋資源採鉱装置。 - 前記リーチング用浸出溶液は、硫酸アンモニウム水溶液、希硫酸、または希塩酸を含む請求項1に記載の海洋資源採鉱装置。
- 前記ダウンホールモータは、
前記駆動流体が導入されるハウジングと、該ハウジングの内部に固定されたステータと、該ステータの内部に配置されて前記駆動流体が導入されることによりねじポンプの原理で回転するロータと、ユニバーサルジョイントおよび連結ロッドを介して前記ロータの下端に連結されるとともに前記ハウジング内に軸受で支承されて前記ロータの回転に伴い回転するシャフトと、前記シャフトの先端に前記ハウジングの端部から張り出すように延設される前記掘削部と、前記シャフトの内部に設けられて前記駆動流体をシャフト上部の開口から導入するとともにシャフト下部の開口から前記掘削部に形成され前記吐出口を構成するノズルに導出するように形成された駆動流体流路と、を有する請求項1または2に記載の海洋資源採鉱装置。 - 前記ダウンホールモータは、
前記駆動流体が導入されるハウジングと、前記ハウジング内に自身基端が回転自在に支承された第一シャフトと、前記第一シャフトの先端側に軸方向に沿って延設されて雄ねじ状の外周面を有するインナロータ部と、前記インナロータ部に外挿され且つ前記ハウジング内に回転自在に支承された第二シャフトと、前記第二シャフトの内周面に雌ねじ状に設けられて前記インナロータ部との協働によって画成されたキャビティに前記駆動流体が導入されることによりねじポンプの原理で前記第一シャフトおよび前記第二シャフト相互を所定比率で回転させる流体モータ機構を構成するアウタロータ部と、前記第二シャフトの先端に前記ハウジングの端部から張り出すように延設される前記掘削部と、前記第一シャフトの内部に設けられて前記駆動流体を第一シャフトの上部の開口から導入し第一シャフトの下部の開口からアウタロータ部の上部に導出するとともに前記第二シャフト下部の開口から前記掘削部に形成され前記吐出口を構成するノズルに導出するように形成された駆動流体流路と、を備える請求項1または2に記載の海洋資源採鉱装置。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の海洋資源採鉱装置を用い、
前記リーチング用浸出溶液で前記ダウンホールモータを駆動して海中のレアアース鉱床のレアアース泥を採掘しつつ、その採掘時に吐出されたリーチング用浸出溶液に前記レアアース泥中のレアアースを採掘坑内で浸出させることを特徴とする海洋資源の採鉱方法。 - ライザー管と、該ライザー管内に設けられて圧送されたリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給する駆動流体供給管と、該駆動流体供給管の先端に装備された請求項1〜4のいずれか一項に記載の海洋資源採鉱装置と、を備えることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。
- 前記ライザー管の下部開口部を囲繞するとともに、前記ライザー管の配置時に海底に打ち込まれて採掘坑の坑口をシールする円筒形アンカーを更に備える請求項6に記載の海洋資源揚鉱装置。
- 前記ライザー管に揚鉱用の圧縮空気を注入するエアリフト手段を更に備える請求項7に記載の海洋資源揚鉱装置。
- 採掘坑の坑口を封止するパッカーと、前記ライザー管に揚鉱用の圧縮空気を注入するエアリフト手段と、を更に備える請求項6に記載の海洋資源揚鉱装置。
- 前記パッカーは、前記ライザー管の下部に装着されて該下部の開口部を囲繞するように設けられた可撓性の集鉱スカートと、該集鉱スカートの下縁に設けられた複数のアンカーと、を有する請求項9に記載の海洋資源揚鉱装置。
- 請求項6または7に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、
前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、
前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含むことを特徴とする海洋資源の揚鉱方法。 - 請求項8に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、
前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、
前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力と、前記エアリフト手段により前記ライザー管に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力と、により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含むことを特徴とする海洋資源の揚鉱方法。 - 請求項9に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、
前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、
前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記坑口に設けたパッカー内に貯鉱する貯鉱工程と、
前記パッカー内に貯鉱された前記レアアース選鉱溶液を、前記エアリフト手段により前記ライザー管に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含むことを特徴とする海洋資源の揚鉱方法。 - 請求項10に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、
前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、
前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記坑口に設けたパッカー内に貯鉱する貯鉱工程と、
前記パッカー内に貯鉱された前記レアアース選鉱溶液を、前記エアリフト手段により前記ライザー管に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含み、
前記配置工程では、前記ライザー管下部の開口部を海底面から離隔した位置に保持するとともに、前記アンカーを海底面下に沈めて前記集鉱スカートの垂下姿勢を保持することにより前記ライザー管の下部と海底面との間に密封空間を設け、
前記貯鉱工程では、前記レアアース選鉱溶液を前記密封空間内に一旦貯留し、
前記揚鉱工程では、前記密封空間内に貯留されたレアアース選鉱溶液を前記エアリフトの浮上力により回収することを特徴とする海洋資源の揚鉱方法。 - 前記採掘・選鉱工程は、前記ダウンホールモータの掘進方向として、レアアース鉱床に対し、採掘坑の入り口からレアアース泥堆積層に至るまでは竪穴を掘削し、レアアース泥堆積層に到達後はレアアース泥堆積層の延在方向に沿って横穴を掘削して前記採掘坑を掘進する請求項11〜14のいずれか一項に記載の海洋資源の揚鉱方法。
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