CN108204235B - 一种用于海底矿物运输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋设备的技术领域,更具体地说，它涉及一种用于海底矿物运输装置，包括漂浮于海面的平台、用于将海底矿石运输至平台上的传输***，传输***包括收集矿石的集矿装置、将矿石从集矿装置内传送至平台的动力***。本发明结构合理简单，实用性强，海矿运输稳定、效率高，运输能耗低。
Description
技术领域
本发明涉及海洋设备的技术领域,更具体地说，它涉及一种用于海底矿物运输装置。
背景技术
随着世界经济的不断发展，陆地矿产资源日益枯竭，世界各国从上世纪初就将目光投向海洋。在海洋中人们发现的矿产资源有六大类：1.石油、天然气；2.煤、铁等固体矿产；3.海滨砂矿；4.多金属结核和富钴锰结壳；5.热液矿藏；6.可燃冰。其中，多金属结核矿由于分布范围广、金属含量多等特点，已经成为世界许多国家的开发热点。
根据美国加利福尼亚大学Mero教授估计，太平洋海底的多金属结核和结壳就有117亿吨。多金属结核和结壳中有铜、钴、镍、锰、铁、钨、钛、钼、金、银等70多种元素，其中铜、钴、镍、锰的平均品位分别为1.00％、0.22％、1.30％、25.0％，上述四种金属的储量分别50亿吨、30亿吨、90亿吨和2000亿吨，相当于陆地储量的9倍、539倍、83倍和57倍，锰结核分布于2000～6000m的海底，而钴结壳分布于1500～4000m的海山之上，所以锰结核和钴结壳开采的技术难度非常大。从上世纪初开始，世界各大国对深海锰结核和钴结壳的开采技术进行了广泛的研究，提出了不同的开采方法，而以采矿船、海底采矿车和水力输送***组成的采矿***被认为是最具商业应用前景的开采方法。
深海采矿***在不断发展的过程，必须始终解决最基本的问题：即如何最高效率地将海底的矿石采集、提升到海面、经脱水以后运输到船只。西方发达国家早期探索过几种开采***，按照提升方式的不同主要划分为：拖斗式采矿***、连续绳斗(CLB)开采***、穿梭潜器采矿***、流体提升采矿***。
流体提升采矿法由海底采集、扬矿和水面支撑等三部分构成，被认为是未来最有前途的深海第一代商业开采***。该***可进行连续采矿，生产能力高；采矿设备的作业易于控制，甚至可以遥控作业；结核提升过程中，沉积物不会扩散，对海洋生态环境影响小；结核回收率高。
但是，流体提升采矿法对长距离扬矿硬管的依赖性较大，需要多级水泵配合工作，同时，硬管在深海区域容易腐蚀，灵活性较差，且结核对泵的磨损较大，维修困难，成本高。因此，研究一种新的矿物运输方式来解决维护成本问题，减少能量消耗，并且利于进行海面固液分离，具有非常重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构合理简单，实用性强，海矿运输稳定、效率高，运输能耗低、便于固液分离的用于海底矿物运输装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种用于海底矿物运输装置，包括漂浮于海面的平台、用于将海底矿石运输至平台上的传输***，传输***包括收集矿石的集矿装置、将矿石从集矿装置内传送至平台的动力***。
本发明进一步设置为：所述动力***包括置于海里的下降管道及上升管道，下降管道和上升管道的一端和平台连接，上升管道的另一端和集矿装置连通，下降管道和上升管道内活动有浮子，上升管道内充有海水，浮子漂浮于上升管道内且带动上升管道内的海水向平台方向流动，该上升管道内海水流动的同时抽起在集矿装置内的矿石至平台。
平台上设有用于转换浮子活动位置的填料装置，上升管道和下降管道相互连通且连通处上设有隔离舱。
通过采用上述技术方案，由于在上升管道内有海水，浮子在上升管道内受浮力的影响会向上运动，当浮子在上升管道内运动时，会带动海水向上流动(相当于液体抽水的原理)，在海水在上升管道内向上流动的同时会产生极强的吸力将集矿装置内的海矿石传输至平台上。当浮子上升至上升管道的出口处时，填料装置会将其从上升管道取出并且送至下降管道，浮子在下降管道内做自由落体运动，会掉落至隔离舱内，经隔离舱将浮子重新送至上升管道内，依次循环。为了保证动力***能够提供持续不断的动力，在每根管道(上升管道和下降管道)放置10个浮子，以实现浮子不间断运行。
本发明进一步设置为：所述浮子包括外壳及填充外壳内的全碳气凝胶，外壳的顶部上设置含铁金属块。
通过采用上述技术方案，外壳采用钛合金制成，内部由全碳气凝胶填充。其中，钛金属及钛合金具有强度高、比刚度大、抗疲劳、韧性好、无磁、焊接性能好、耐海水腐蚀等优异性能，是用于海工装备的高品质材料。全碳气凝胶为固态形状，密度比空气轻，与气体作为填充物相比，避免了浮子进水、跑气的问题。在浮子的顶部夹层中加入含铁金属，便于填料装置的吸附。
本发明进一步设置为：所述填料装置包括架体及和架体转动连接的转盘，转盘上设有升降臂，升降臂和转盘滑动连接，升降臂的端部上设有电磁铁，转盘上设有控制升降臂滑动距离的行程阀。
通过采用上述技术方案，浮子装填装置位于海面平台正中，主要作用是将上升浮子换位至下降管道，使浮子循环工作。该过程模仿子弹装填过程，有效利用浮子浮力与重力，工艺结构简单，维修方便，实现连续运输的同时，大大减少能量消耗。
本发明进一步设置为：所述隔离舱内设有将从下降管道掉落的浮子推送至上升管道内的液压油缸，隔离舱和下降管道之间设有第一舱板、隔离舱和上升管道之间设有第二舱板，隔离舱内还设有排水泵，第一舱板及第二舱板均和隔离舱滑动连接。
通过采用上述技术方案，隔离舱能够起到浮子过渡和分离水的作用，其工作方式是利用两块隔离舱门将管道分成三段，浮子由下降管道通过第一舱板进入隔离舱，关闭第一舱板，打开第二舱板利用伸缩液压油缸将浮子顶入上升管道，关闭第二舱板，利用排水泵将水排出。依次循环保证装置正常运行。
本发明进一步设置为：所述下降管道内设有若干减速件，该减速件包括和下降管道固定的连接架及和连接架铰连接的减速块。
通过采用上述技术方案，当浮子在下降管道内做自由落体运动时，每5米设置一对减速件，使得浮子能够逐级下降，避免掉落速度过快对浮子以及管道的破坏。
本发明进一步设置为：所述集矿装置包括采矿车、分离舱及抽水泵，采矿车上接有和上升管道连通的输矿管道，分离舱的出料口上接有和抽水泵连通的扬矿管道，所述分离舱的进料口和输矿管道连通，分离舱的一端和上升管道连通。
通过采用上述技术方案，采矿车将海底内的矿石收集，上升管道产生吸力经输矿管道将矿石运输至分离舱内，可实现矿石的初步分离。
本发明进一步设置为：所述分离舱内构成有料舱，分离舱内设有叶轮，叶轮受海水流动而转动，分离舱和上升管道连通处上设有隔离网。
通过采用上述技术方案，料舱暂时储存矿物，使其进入扬矿管道。通过离心作用将水矿混合物初步分离，水通过隔离网继续向上流动，矿物在叶轮的带动下被甩至料舱内。
对比现有技术的不足，本发明的有益效果为：
1.利用液体提升原理，设计轻介质浮子，上浮速度快，可实现连续运输，大幅提高采矿效率。浮子的循环，高效环保，为现有的矿物运输技术提供一种新的方式。集矿装置在运输过程中将水矿进行分离，实现多级运输，减少能量消耗，采用软管运输，提高了使用寿命。
2.由于人们将能源的开采由陆地逐渐转向海洋，海洋的环境问题逐渐严峻，本装置可用于清理海底垃圾，更好地维护海洋生态环境。
3.未来深海空间站作为一种新型开采方式，可与本装置结合提高矿产开采效率，以更便捷的方式开采矿石，另一方面，本装置动力***也可作为深海空间站物资供给的动力来源。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图。
图2为本发明的主视结构示意图。
图3为本发明浮子的结构示意图。
图4为本发明分离舱的结构示意图。
图5为本发明减震件装配结构示意图。
图6为本发明隔离舱的结构示意图。
图7为产量与能耗比随提升管径变化曲线表。
图8为产量与能耗比随泵级数变化曲线表。
具体实施方式
参照图1至图8对本发明的实施例做进一步说明。
本发明具体结构：包括漂浮于海面的平台1、用于将海底矿石运输至平台1上的传输***，传输***包括收集矿石的集矿装置4、将矿石从集矿装置4内传送至平台1的动力***2。
如图1所示：平台1为半潜式海上平台1，漂浮在海面上，可以在更深的水域工作。船体灌放水，可以调节吃水深度，保持船体稳定。塔的下部是相当容积的浮筒，上面是若干个中空的立柱，支撑着上部平台1上面是全部的矿物开采装备和必要的生活设施。整个平台1靠浮筒浮在水面。平台1带有2～3级动态定位***，海底声纳定位***，卫星定位***等来保证平台1的相对稳定的坐标。平台1有各种位移补偿装置来补偿海况带来的不稳定状况，以达到装置整体在海域中能保持稳定。
如图2所示：动力***2包括置于海里的下降管道21及上升管道22，下降管道21和上升管道22的一端和平台1连接，下降管道21和上升管道22内活动有浮子5，上升管道22内充有海水，浮子5漂浮于上升管道22内且带动上升管道22内的海水向平台方向流动。
平台1上设有用于转换浮子5活动位置的填料装置，上升管道22和下降管道21相互连通且连通处上设有隔离舱23，上升管道22的另一端和集矿装置4连通。
由于在上升管道22内有海水，浮子5在上升管道22内受浮力的影响会向上运动，当浮子5在上升管道22内运动时，会带动海水向上流动(相当于液体抽水的原理)，在海水在上升管道22内向上流动的同时会产生极强的吸力将集矿装置4内的海矿石传输至平台1上。当浮子5上升至上升管道22的出口处时，填料装置会将其从上升管道22取出并且送至下降管道21，浮子5在下降管道21内做自由落体运动，会掉落至隔离舱23内，经隔离舱23将浮子5重新送至上升管道22内，依次循环。为了保证动力***2能够提供持续不断的动力，本实施例共有四根下降管道21与一根上升管道22，管道长85m，外径1.5m，内径1.3m。为保证动力***2能够提供持续不断的动力，在每根管道放置10个浮子5，以实现浮子5不间断运行。
如图3所示：浮子5包括外壳51及填充外壳51内的全碳气凝胶52制成，外壳51的顶部上设置含铁金属块53。
本实施例基于流体提升采矿法，利用轻介质浮子5向上运动带动管内液体流动作为主要动力，实现矿物运输。浮子5以钛合金作为装置外壳51，全碳气凝胶作为内部填充物，再以膨胀石墨密封制作而成。该装置可确保有较好地密封性，使得整个浮子5贴合管道，能最大化地确保流体运动量。
浮子5直径1.3m，高1m，壁厚2mm，已知钛合金的密度为4.51g/cm3，全碳气凝胶的密度为0.18mg/cm3。通过计算得到轻介质运动时合力大约为9080N，初始加速度为10.3m/s2，满足运输动力要求。计算公式如下：
F浮＝ρvg＝F1.03×103kg/m3×9.8N/kg×1.766m3＝892.7kg
M总＝ρ气凝胶×V气凝胶+ρ钛×V钛＝0.18kg/m3×1.568m3+4500kg/m3×0.198m3＝892.7kg
F合＝F浮-mg＝17828.5N-892.7kg×9.8N/kg＝9080N
“全碳气凝胶”是半固体状态的凝胶经干燥、去除溶剂后的产物，外表呈固体状，内部含有众多孔隙，充斥着空气，因而密度极小。主要成分是碳纤维和石墨烯纤维，密度仅每立方厘米0.16毫克，大约是氢气的2倍，比氮气更轻，是空气密度的六分之一。
外壳51采用钛合金制成，内部由全碳气凝胶填充。其中，钛金属及钛合金具有强度高、比刚度大、抗疲劳、韧性好、无磁、焊接性能好、耐海水腐蚀等优异性能，是用于海工装备的高品质材料。全碳气凝胶为固态形状，密度比空气轻，与气体作为填充物相比，避免了浮子5进水、跑气的问题。在浮子5的顶部夹层中加入含铁金属，便于填料装置的吸附。
如图1和图2所示：填料装置包括架体31及和架体31转动连接的转盘32，转盘32上设有升降臂33，升降臂33和转盘32滑动连接，升降臂33的端部上设有电磁铁，转盘32上设有控制升降臂33滑动距离的行程阀。
浮子5装填装置位于海面平台1正中，主要作用是将上升浮子5换位至下降管道21，使浮子5循环工作。该过程模仿子弹装填过程，有效利用浮子5浮力与重力，工艺结构简单，维修方便，实现连续运输的同时，大大减少能量消耗。
考虑到流体速度及装置整体结构，下降管道21间距为1.8米，转盘32直径2米。浮子5在从上升管道22换位至下降管道21的过程中，转盘32顺时针转动，每次转盘32旋转90度，由于浮子5顶部上设置含铁金属块，故而升降臂33通过其度端部的电磁铁将浮子5吸起，浮子5被升降臂33吊起时长大约14.5s，起吊头平移时长8.6s，也就是每分钟大约移动4个浮子5。
如图6所示：隔离舱23内设有将从下降管道21掉落的浮子5推送至上升管道22内的液压油缸7c，隔离舱23和下降管道21之间设有第一舱板71、隔离舱23和上升管道22之间设有第二舱板72，隔离舱23内还设有排水泵，第一舱板71及第二舱板72均和隔离舱23滑动连接。第一舱板71和第二舱板72的一端上接有驱动两者滑动的伸缩油缸(7b,7d)。
隔离舱23能够起到浮子5过渡和分离水的作用，其工作方式是利用两块隔离舱23门将管道分成三段，浮子5由下降管道21通过第一舱板71进入隔离舱23，关闭第一舱板71，打开第二舱板72利用液压油缸将浮子5顶入上升管道22，关闭第二舱板72，利用排水泵将水排出。依次循环保证装置正常运行。
隔离舱23的设计源于潜艇舱门，潜艇一般几舱几室,在每舱之间都有水密舱门，可以从内部锁死，以防止潜艇因某舱破损而造成整个潜艇的灾难，潜艇的水密舱门都是由耐压材料制作的，有良好的抗压性能,通常潜艇的防护等级是相隔两舱进水而不沉，也就是说，潜艇相邻两舱进的水都要靠水密舱门来阻挡进水。潜艇的舱门之间有很厚重的密封圈，这些密封圈由上等的紫铜材料制造，比较柔软但是可以抗击高水压。出口处可以把压力阀拧死，这样这些紫铜就死死的和舱壁挤压在一起了，很大的水压也没有用的，舱板同理构成。
如图5所示：当浮子5在下降管道21内做自由落体运动时，在下降管道21内每5米设置一对减速件6，使得浮子5能够逐级下降，避免掉落速度过快对浮子5以及管道的破坏。该减速件6包括和下降管道21固定的连接架61及和连接架61铰连接的减速块62。当浮子5和减速块抵触时，减速块翻转，浮子5掉落后减速块复位。
集矿装置4包括采矿车、分离舱42及抽水泵40，采矿车上接有和上升管道22连通的输矿管道41。分离舱的出料口上接有和抽水泵连通的扬矿管道43，分离舱的进料口和输矿管道41连通，分离舱的一端和上升管道22连通。
如图4所示：分离舱42内构成有料舱421，分离舱内设有叶轮422，叶轮受海水流动而转动，分离舱和上升管道22连通处上设有隔离网423。
采矿车将海底内的矿石收集，上升管道22产生吸力经输矿管道41将矿石运输至分离舱内，可实现矿石的初步分离。料舱421暂时储存矿物，使其进入扬矿管道43。通过离心作用将水矿混合物初步分离，水通过隔离网继续向上流动，矿物在叶轮的带动下被甩至料舱421内。隔离网423主要采用铁网，其间隙小于0.1mm，防止小颗粒进入上升管道22内损坏上升管道22的内壁。
如图7所示:分析结果，输矿管道管径取600mm是最优的，此时能保证***功率和产量最大化，单位产量能耗降到最低。故本装置选择将其作为软管直径，用于海底矿物运输。上升管道管径1300mm，比值为6：13，能够提供更大的提升力，此时能保证产量最大化，***功率和单位产量能耗降到最低。
如图8所示：
根据垂直提升管道最小输送流量公式：
得出本实施例的最小输送流量为1.69m3/s，***总产量为851.55kg/s。
本装置功率主要包括填料装置、隔离舱以及下降管道和5个泵体。填料装置所需功率约97.5kw，隔离舱中所需功率约18.98kw，下降管道中减速扣功率约14kw，得到总功率约为130kw，即单个浮子循环一周消耗功率。单个泵所需功率为1282.175kw，所以本实施例***总功率约为6540.875kw。
综上所述，在矿浆浓度Cv＝0.2，管径D＝600mm时，水力提升***单位产能消耗37.04kJ/kg，而本装置单位产能消耗7.68kJ/Kg。从计算结果证明该动力***对减少能源消耗有积极作用，大约可提高5倍。如下能耗对比表：
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行通常的变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种用于海底矿物运输装置，包括漂浮于海面的平台、用于将海底矿石运输至平台上的传输***，其特征是：所述传输***包括收集矿石的集矿装置、将矿石从集矿装置内传送至平台的动力***；
所述动力***包括置于海里的下降管道及上升管道，下降管道的一端和上升管道的一端分别与平台连接，
上升管道的另一端和集矿装置连通，下降管道和上升管道内活动有浮子，上升管道内充有海水，浮子漂浮于上升管道内且带动上升管道内的海水向平台方向流动，该上升管道内海水流动的同时抽起在集矿装置内的矿石至平台；
平台上设有用于转换浮子活动位置的填料装置，上升管道和下降管道相互连通且连通处上设有隔离舱；
所述填料装置包括架体及和架体转动连接的转盘，转盘上设有升降臂，升降臂和转盘滑动连接，升降臂的端部上设有电磁铁，转盘上设有控制升降臂滑动距离的行程阀；
所述隔离舱内设有将从下降管道掉落的浮子推送至上升管道内的液压油缸，隔离舱和下降管道之间设有第一舱板、隔离舱和上升管道之间设有第二舱板，隔离舱内还设有排水泵，第一舱板及第二舱板均
和隔离舱滑动连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于海底矿物运输装置，其特征是：所述浮子包括外壳及填充外壳内的全碳气凝胶，外壳的顶部上设置含铁金属块。
3.根据权利要求1所述的一种用于海底矿物运输装置，其特征是：所述下降管道内设有若干减速件，该减速件包括和下降管道固定的连接架及和连接架铰连接的减速块。
4.根据权利要求1所述的一种用于海底矿物运输装置，其特征是：所述集矿装置包括采矿车、分离舱及抽水泵，采矿车上接有和上升管道连通的输矿管道，分离舱的出料口上接有和抽水泵连通的扬矿管道，所述分离舱的进料口和输矿管道连通，分离舱的一端和上升管道连通。
5.根据权利要求4所述的一种用于海底矿物运输装置，其特征是：所述分离舱内构成有料舱，分离舱内设有叶轮，叶轮受海水流动而转动，分离舱和上升管道连通处上设有隔离网。
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