一種深海採礦礦漿泵的設計方法與流程
2024-03-20 09:06:05
本發明涉及一種採礦礦漿泵的設計方法，具體涉及一種深海採礦礦漿泵的設計方法，屬於深海採礦技術領域。
背景技術：
海洋佔整個地球面積的71%，約3.6億平方公裡。調查結果表明，陸地上的許多金屬和非金屬礦在海洋中都已發現，而且有些礦藏的儲量巨大。海底礦產資源主要分為海水中溶解的礦物、海底表層礦床和海底基巖礦床； 海水中溶解的礦物，世界海洋中約有13.7億立方公里海水，其中含有80多種元素，目前人們較為熟悉的有60多種；海底表層礦床，海底表層礦床大都呈散粒狀或結核狀，存在於海底各類鬆散沉積層中，可以用採礦船進行開採，這種礦床根據所處位置又分為大陸架資源、大陸坡大陸裙底資源和深海底資源三種；在大陸架上的海底表層礦床中，非金屬礦物如貝殼或砂礫的數量佔礦床總體積的50%以上，重礦物如鈦鐵礦和錫石數量僅佔礦床總體積的10%以下，稀有和貴重金屬如金剛石或金只佔礦床體積的百萬分之幾，在深度範圍為200～3500m的大陸斜坡上有兩種重要的自生礦物資源，呈砂粒狀、結殼狀或結核狀的磷鈣土以及呈軟泥狀或塊狀的熱液礦床，在3500～6000m的深海，最重要的礦物資源是遍布各處的錳結核，在洋底呈不連續分布，有的密集，有的稀疏，北太平洋被認為是密集區，其它深海的軟泥中含有不同數量的二氧化矽、碳酸鈣、銅和鋅；海底基巖礦床，海底基巖礦包括非固態的石油、天然氣和固態的硫磺、巖鹽、鉀鹽、煤、鐵、銅、鎳、錫和重晶石等，海底石油和天然氣分布範圍最廣，石油可採儲量估計為1350億噸，海底煤礦分布廣儲量豐富；海洋採礦是從海水、海底表層沉積物和海底基巖下獲取有用礦物的過程，海洋採礦一般分為三個方面：一是海水化學元素中含有大量的有用金屬和非金屬元素，如鈉、鎂、銅、金、鈾和重水等，可以從海水中提取食鹽、鎂、溴、鉀、碘和重水等多種有用元素；二是海底表層礦床開採，即海底基巖以上的沉積礦層或砂礦床；目前已經進行開採的有海濱砂礦、砂、礫石和貝殼等；三是海底基巖礦開採，指那些存在於海底巖層中和基巖中的礦產；目前已經開採的有海洋石油和天然氣，海底煤、鐵、硫、巖鹽和鉀鹽等。
技術實現要素：
（一）要解決的技術問題
為解決上述問題，本發明提出了一種深海採礦礦漿泵的設計方法，適當增大葉片進口角可改善礦漿泵的抗氣蝕性能；通過試驗驗證了數值分析方法用於預測礦漿泵的工作性能的準確性。
（二）技術方案
本發明的深海採礦礦漿泵的設計方法，所述方法具體如下：
第一步，礦漿泵的設計揚程分析，根據流體的動量方程、連續方程和能量方程得固液兩相流的伯努利方程；
第二步：礦漿泵的設計流量分析，根據大洋多金屬結核中試採礦系統的技術指標中給定的溼結核礦石開採量，推算出揚礦硬管內礦石的體積流量；
第三步：礦漿泵的幾何參數計算，對葉輪及空間導葉的幾何參數進行計算；
第四步：礦漿泵設計參數的計算結果與分析。
（三）有益效果
與現有技術相比，本發明的深海採礦礦漿泵的設計方法，將多金屬結核從1000m和6000m海底提升至海面，礦石體積分數為10%時，所需泵揚程為130.05 m和735.17m，所需礦漿泵的級數較多，帶來礦漿泵製造上的困難；礦石體積分數為5%時，所需泵揚程為78.04m和440.63 m，礦石開採效率較低，採礦成本升高；因此，輸送礦石體積分數控制在8%時較為合理；葉輪葉片數為4~5，葉片太少，難以達到系統所需泵的揚程；葉片太多，泵水力效率過低，適當增大葉片進口角可改善礦漿泵的抗氣蝕性能；通過試驗驗證了數值分析方法用於預測礦漿泵的工作性能的準確性。
具體實施方式
一種深海採礦礦漿泵的設計方法，所述方法具體如下：
第一步，礦漿泵的設計揚程分析，根據流體的動量方程、連續方程和能量方程得固液兩相流的伯努利方程；
第二步：礦漿泵的設計流量分析，根據大洋多金屬結核中試採礦系統的技術指標中給定的溼結核礦石開採量，推算出揚礦硬管內礦石的體積流量；
第三步：礦漿泵的幾何參數計算，對葉輪及空間導葉的幾何參數進行計算；
第四步：礦漿泵設計參數的計算結果與分析。
本發明的深海採礦礦漿泵的設計方法，根據深海中試採礦系統的工作特點以及礦漿泵的特殊使用環境，礦漿泵必須具備高揚程、低流量和通過大顆粒的能力，為此礦漿泵採用極大流量水力設計法設計，以擴大葉輪流道寬度，並使其在低流量下工作。
將多金屬結核從1000m和6000m海底提升至海面，礦石體積分數為10%時，所需泵揚程為130.05 m和735.17m，所需礦漿泵的級數較多，帶來礦漿泵製造上的困難；礦石體積分數為5%時，所需泵揚程為78.04m和440.63 m，礦石開採效率較低，採礦成本升高；因此，輸送礦石體積分數控制在8%時較為合理；葉輪葉片數為4~5，葉片太少，難以達到系統所需泵的揚程；葉片太多，泵水力效率過低，適當增大葉片進口角可改善礦漿泵的抗氣蝕性能；通過試驗驗證了數值分析方法用於預測礦漿泵的工作性能的準確性。
上面所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的構思和範圍進行限定。在不脫離本發明設計構思的前提下，本領域普通人員對本發明的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入到本發明的保護範圍，本發明請求保護的技術內容，已經全部記載在權利要求書中。