一種基於附壁效應的海底集礦裝備及其集礦方法與流程
2023-09-23 17:07:30 1
本發明涉及海底集礦領域，且特別涉及一種基於附壁效應的海底集礦裝備及其集礦方法。
背景技術：
隨著世界工業和經濟的高速發展，礦產資源消耗量急劇增加，陸地礦產資源在全球範圍內日趨短缺甚至枯竭，人類將目光轉向佔地球表面積71％的海洋，海洋礦產資源開採是彌補陸地資源枯竭的有效方式。
海洋是地球上尚未被人類充分認識和利用的最大潛在資源基地。除海洋石油氣資源和海濱礦砂外，海底目前已知有商業開採價值的還有多金屬結核、富鈷結殼和多金屬硫化物等金屬礦產資源。這些礦物中富含鎳、鈷、銅、錳及金、銀金屬等，總儲量分別高出陸上相應儲量的幾十倍到幾千倍。2013年我國又正式獲得一塊太平洋富鈷結殼礦區。顯然，深海礦產資源的開發必須依賴深海採礦裝置進行。2015年5月19日公布的《中國製造2025》為「製造強國」戰略指明了方向，把「海洋工程裝置及高科技船舶」歸為重點突破的十大戰略領域之一，著重進行先進海洋工程裝置的研發和國有化。
現在國際普遍的採礦技術可分為兩種。一是機械式開採。它利用長長的鏈鬥或海底機器人把海底表面的礦石收集起來，然後運用傳送帶提上來。由於的深海地形，深海動力、深海通信等，該方式工作範圍，工作效率受到嚴重的限制。二是浮式開採。它利用高速對射水流把海底礦石吹起，通過泵和管道以水力或氣力方式將礦石從海底提升。該方式受深海環境影響較小，但耗能大，採集的礦石中泥漿多，對深海生態造成的影響較大。
技術實現要素：
根據上述提出的現有技術效率低，耗能大，對深海生態破壞大等技術問題，本發明提出一種基於附壁效應的海底集礦裝備及其集礦方法，使得在集礦過程中，大幅度提高了工作效率和工作質量，並且減少海底採礦過程中對海床表面生態環境的破壞。
為了達到上述目的，本發明提出一種基於附壁效應的海底集礦裝備，包括：履帶機構(1)，集礦箱(2)，水射流出口(3)，礦物進口(4)，螺旋槳(5)，格柵(6)，小曲率底板(7)；
所述集礦箱(2)前端設有螺旋槳(5)，所述集礦箱(2)與螺旋槳(5)間設有格柵(6)；
所述集礦箱(2)通過四周及上方封閉性金屬外殼和所述小曲率底板(7)圍成，所述集礦箱(2)前後兩端的底部分別設有與螺旋槳(5)區域連通的水射流出口(3)以及與礦物儲存區連通的礦物進口(4)，所述水射流出口(3)與礦物進口(4)上均設有擋板，並且擋板可以通過調節轉動傾斜角度。
進一步的，集礦時調節擋板使所述水射流出口(3)的開口斜向後下方與小曲率底板(7)前端相切，同時調節擋板使礦物進口(4)斜向前下方與小曲率底板(7)後端相切。
進一步的，所述集礦箱(2)內部的格柵(6)與箱壁固定連接，並且格柵(6)上的孔洞可以通過人工調節改變大小。
進一步的，所述螺旋槳(5)為五個並排的螺旋槳，其相互獨立地工作、停止，並可反向轉動，同時其轉速規律可預先設定。
進一步的，所述螺旋槳(5)以錳結核在海泥中的固有頻率噴出脈動壓力的水流。
進一步的，所述水射流出口(3)和礦物進口(4)的開口橫截面呈矩形，並且水射流出口(3)、礦物進口(4)、螺旋槳(5)的中軸線重合且寬度相同。
進一步的，所述集礦箱(2)的長度與寬度比例為1:1。
為了達到上述目的，本發明還提出一種基於附壁效應的海底集礦方法，包括下列步驟：
將海底集礦裝備送至指定礦區，開啟螺旋槳，螺旋槳轉動帶動海水運動，並經過水射流出口快速流出，水流通過小曲率底板前端斜向下衝刷海床表面將礦物顆粒衝起；
衝起的礦物顆粒被向後流動的水流攜帶，通過小曲率底板產生附壁效應，攜帶礦物顆粒的水流依附在小曲率底板下表面向後流動，最終流入礦物進口；
攜帶礦物顆粒的水流吸入物經過礦物進口後進入集礦箱，水流中的礦物顆粒被格柵阻擋並沉積，海水以及海泥穿過格柵後在螺旋槳的帶動下經過水射流出口排出集礦箱。
進一步的，所述螺旋槳為五個並排的螺旋槳，以錳結核在海泥中的固有頻率噴出脈動壓力的水流。
進一步的，當海泥未及時排除，使得集礦箱內海泥過多時，控制螺旋槳反向轉動，並調節水射流出口和礦物進口擋板的角度，使清潔的海水流入，衝刷附著海泥的礦物顆粒，並將海泥含量大的泥水混合物排出。
本發明提出一種基於附壁效應的海底集礦裝備，具有以下優點：
1.整體外形設計上，採用長度較短，寬度較寬的設計，並且水射流出口(3)、礦物進口(4)、五個並排的螺旋槳(5)的中軸線重合且寬度相同，從而達到海水循環過程中穩定性好、礦物顆粒攜帶量多的效果，可在較低的系統能源消耗前提下，取得較高的集礦效率。
2.將集礦裝備的底部設計成小曲率的微弧狀，使得礦物顆粒在水流流動過程中，能夠隨水流完全依附於小曲率底板(7)下表面流動，最終全部流入礦物進口(4)，這一設計發揮了附壁效應的作用，可顯著提高工作效率和工作質量，減少海底採礦過程中對海床表面生態環境的破壞。
基於上述理由本發明可在海底集礦等領域廣泛推廣。
附圖說明
圖1所示為本發明較佳實施例的海底集礦裝備立體結構示意圖。
圖2所示為本發明較佳實施例的海底集礦裝備的側面結構示意圖。
圖3所示為本發明較佳實施例的海底集礦裝備的格柵結構示意圖。
圖4所示為本發明較佳實施例的海底集礦裝備的正面結構示意圖。
圖5所示為本發明較佳實施例的海底集礦裝備的俯視圖。
具體實施方式
以下結合附圖給出本發明的具體實施方式，但本發明不限於以下的實施方式。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用於方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
請參考圖1～圖5，圖1所示為本發明較佳實施例的海底集礦裝備立體結構示意圖。圖2所示為本發明較佳實施例的海底集礦裝備的側面結構示意圖。圖3所示為本發明較佳實施例的海底集礦裝備的格柵結構示意圖。圖4所示為本發明較佳實施例的海底集礦裝備的正面結構示意圖。圖5所示為本發明較佳實施例的海底集礦裝備的俯視圖。
本發明提出一種基於附壁效應的海底集礦裝備，包括：履帶機構1，集礦箱2，水射流出口3，礦物進口4，螺旋槳5，格柵6，小曲率底板7；
所述集礦箱2前端設有螺旋槳5，所述集礦箱2與螺旋槳5間設有格柵6；
所述集礦箱2通過四周及上方封閉性金屬外殼和所述小曲率底板7圍成，材料均為不鏽鋼或其他耐腐蝕材料。所述集礦箱2前後兩端的底部分別設有與螺旋槳5區域連通的水射流出口3以及與礦物儲存區連通的礦物進口4，所述水射流出口3與礦物進口4上均設有擋板，並且擋板可以通過調節轉動傾斜角度。
所述集礦箱2由格柵6分為兩個不完全連通的區域：前端區域有為水循環提供動力的螺旋槳5以及水射流出口3，所述水射流出口3為矩形截面，集礦時調節擋板使所述水射流出口3的開口斜向後下方與小曲率底板7前端相切，後端區域為礦物儲存區和礦物進口4，集礦時同時調節擋板使礦物進口4斜向前下方與小曲率底板7後端相切。
所述集礦箱2內部的格柵6與箱壁固定連接，並且格柵6上的孔洞可以通過人工調節改變大小，來適應不同礦物顆粒的過濾與收集。所述小曲率底板7為曲率半徑較大的微弧狀，有利於產生附壁效應，吸引水流附著。
所述螺旋槳5為五個並排的螺旋槳，其相互獨立地工作、停止，並可反向轉動，同時其轉速規律可預先設定，使得集礦裝備可以適應更多更複雜的環境。所述螺旋槳5以錳結核在海泥中的固有頻率噴出脈動壓力的水流。
所述履帶機構1由兩個完全分布於集礦箱2兩側的履帶以及傳動系統組成，兩履帶間隔較寬，使得集礦裝備在海底運行時更加平穩，不易發生翻車等事故。
所述水射流出口3和礦物進口4的開口橫截面呈矩形，並且水射流出口3、礦物進口4、螺旋槳5的中軸線重合且寬度相同，這樣就保證了能夠產生穩定的海水循環。
所述集礦箱2的長度與寬度比例為1:1，長度較短，使得海水循環所經路徑短，循環更為穩定，寬度較寬，使得參與循環的水量足夠大，保證了集礦的效率與質量。
為了達到上述目的，本發明還提出一種基於附壁效應的海底集礦方法，包括下列步驟：
將海底集礦裝備送至指定礦區，開啟螺旋槳，螺旋槳轉動帶動海水運動，並經過水射流出口快速流出，(因為小曲率底板前端起始處傾斜角度較大)，水流通過小曲率底板前端斜向下衝刷海床表面將礦物顆粒衝起；
衝起的礦物顆粒被向後流動的水流攜帶，通過小曲率底板產生附壁效應(由於小曲率底板曲率較小且與水流距離較近，所以會產生附壁效應)，攜帶礦物顆粒的水流依附在小曲率底板下表面向後流動，最終流入礦物進口；
攜帶礦物顆粒的水流吸入物經過礦物進口後進入集礦箱，水流中的礦物顆粒被格柵阻擋並沉積，海水以及海泥穿過格柵後在螺旋槳的帶動下經過水射流出口排出集礦箱。
集礦方法主要應用了附壁效應，使水流攜帶礦物顆粒後能夠依附在小曲率底板下表面向後完全流入礦物進口以完成集礦任務。
所述螺旋槳為五個並排高速轉動的螺旋槳，以錳結核在海泥中的固有頻率(16Hz左右)噴出脈動壓力的水流，使得集礦效率進一步提高。
進一步的，當海泥未及時排除，使得集礦箱內海泥過多時，控制螺旋槳反向轉動，並調節水射流出口和礦物進口擋板的角度，使清潔的海水流入，衝刷附著海泥的礦物顆粒，並將海泥含量大的泥水混合物排出。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍當視權利要求書所界定者為準。