CN205435986U - 一种螺旋流吸矿选矿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种螺旋流吸矿选矿装置，所述装置包括:新型螺旋吸矿装置，根据龙卷风原理通过螺旋导流板(2)诱导吸入水流产生漩涡，从而利用较少的能耗将海底矿物吸起；旋流分离装置，连接所述新型螺旋吸矿装置，利用旋流分离器将质量较大的固体颗粒矿物经旋流与沉降作用一方面产生旋流离心运动，另一方面做向下的沉降作用，并最终由矿物出口排入矿物收集装置，而将淤泥和海水一同经由所述旋流分离装置的淤泥出口排出，本实用新型可以将混有矿物的泥浆在海底直接进行分离，之后仅仅将矿物进行提升，不仅可以大幅降低能耗，而且可以最大限度地减少海底生物对海洋上层生物环境的影响，使海底采矿实现可持续发展。

Description

一种螺旋流吸矿选矿装置

技术领域

本实用新型涉及海洋工程和机械工程领域，特别是涉及一种直接在海底作业的基于漩涡效应的螺旋流吸矿选矿装置。

背景技术

海洋是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在资源基地。除海洋石油气资源和海滨矿砂外，海底目前已知有商业开采价值的还有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等金属矿产资源。这些矿物中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属等，总储量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍。2013年我国又正式获得一块太平洋富钴结壳矿区。显然，深海矿产资源的开发必须依赖深海采矿装备进行。2015年5月19日公布的《中国制造2025》为“制造强国”战略指明了方向，把“海洋工程装备及高科技船舶”归为重点突破的十大战略领域之一，着重进行先进海洋工程装备的研发和国有化。

自然界的龙卷风是一种气候现象，属于含有巨大能量的对流层大气运动的特殊形式，是由于大气对流层下部(地面)热空气剧烈上升，上部冷空气急剧下降的强对流气候所致，其直径从几米到数十米、数百米不等，风速通常在100m/s～150m/s之间。龙卷风实际上是一种管状高速气旋，在北半球逆时针旋转及南半球顺时针旋转时，即产生上升型龙卷风，其气旋中心的压力极低，可低至20000帕左右(标准大气压为1013.25百帕)，这样低的负压具有非常强大的吸引力和提升力，常以将地面动植物甚至建筑物旋入高空。空气与海水均为流体，具有非常大的相似性，所以如果将海水诱导出漩涡也可以产生相似的提升能力。这种提升能力在吸矿环节可以有效降低能耗，发挥装置的最大效用。同时诱导出的漩涡可以在旋流分离装置被进一步放大，在后续环节依然发挥巨大作用。

现在国际普遍的采矿技术可分为两种。一是机械式开采。它利用长的链斗或海底机器人把海底表面的矿石收集起来，然后运用传送带提上来。由于的深海地形，深海动力、深海通信等，该方式工作范围，工作效率受到严重的限制。二是浮式开采。它利用高速对射水流把海底矿石吹起，通过泵和管道以水力或气力方式将矿物海水悬浊液从海底提升至海面。该方式受深海环境影响较小，但耗能大，泥浆也需要同时随矿物由矿浆泵进行提升，不仅消耗不必要的资源，同时混有泥浆的悬浊液在经过采矿船上对矿物的简单过滤后就被重新排入大海。泥浆当中混有大量的海底特有生物，将其提升至海面将严重影响海洋上层海水当中的生物分布，甚至造成生物入侵与生物多样性的破坏。

实用新型内容

为克服上述现有技术存在的不足，本实用新型之一目的在于提供一种螺旋流吸矿选矿装置，其可以将混有矿物的泥浆在海底直接进行分离，之后仅仅将矿物进行提升，不仅可以大幅降低能耗，而且可以最大限度地减少海底生物对海洋上层生物环境的影响，使海底采矿实现可持续发展。

本实用新型之另一目的在于提供一种螺旋流吸矿选矿装置，其将龙卷风充分利用并且与旋流分离装置充分组合，使两个装置的作用相互影响，并且扩大效果，最终起到“1+1＞2”的效果。

为达上述及其它目的，本实用新型一种螺旋流吸矿选矿装置，所述螺旋流吸矿选矿装置包括：

新型螺旋吸矿装置，通过螺旋导流板(2)诱导吸入水流产生漩涡将海底矿物吸起；

旋流分离装置，连接所述新型螺旋吸矿装置，利用旋流分离器将质量较大的固体颗粒矿物经旋流与沉降最终由矿物出口排入矿物收集装置，将淤泥和海水一同经由所述旋流分离装置的淤泥出口排出。

进一步地，所述新型螺旋吸矿装置包括普通吸矿头(1)和螺旋导流板(2)，所述普通吸矿头(1)上口小、下口大，近似空心圆台形状，圆台上口与所述旋流分离装置经过管道连通，圆台下口为矿物进口，所述螺旋导流板(2)安装在普通吸矿头内部，通过所述螺旋导流板(2)诱导吸入水流产生漩涡，以达到产生局部龙卷风的目的。

进一步地，所述旋流分离装置包括旋流分离器(3)、若干淤泥出口(4)、矿物出口(5)以及矿物收集装置，所述旋流分离器安装在所述新型螺旋吸矿装置的上部，各淤泥出口(4)安装在所述旋流分离器的上部四周，各淤泥出口(4)一端与所述旋流分离器(3)的内表面光滑连接，所述矿物出口(5)安装在所述旋流分离器(3)下部，并与旋流分离器(3)内表面光滑连接，所述矿物收集装置与所述矿物出口(5)相连。

进一步地，所述旋流分离器(3)为上端面面积较大、下端面面积较小并且中间平滑过渡的直立圆台结构或者上端、下端截面形状与面积相等的直立圆柱体结构。

进一步地，各淤泥出口(4)完全相同且均匀分布在所述旋流分离器(3)上部四周。

进一步地，所述淤泥出口(4)为4个。

进一步地，所述矿物出口(5)为一个。

进一步地，所述螺旋流吸矿选矿装置还包括若干个二级旋流分离器，所述旋流分离器与所述二级旋流分离器之间通过管道连接，该管道是一个光滑连接所述旋流分离器与所述二级旋流分离器的通道，两端与所述旋流分离器与所述二级旋流分离器光滑平顺连接。

进一步地，该通道数量由二级旋流分离器数量而定，同时该通道进入二级旋流分离器的端口位于二级旋流分离器上端，并且端口方向视旋流需要方向而定。

进一步地，该二级旋流分离器数量为5-10个，且对称布置。

与现有技术相比，本实用新型一种螺旋流吸矿选矿装置通过将混有矿物的泥浆在海底直接进行分离，之后仅仅将矿物进行提升，不仅可以大幅降低能耗，而且可以最大限度地减少海底生物对海洋上层生物环境的影响，使海底采矿实现可持续发展；同时本实用新型以将龙卷风充分利用并且与旋流分离装置充分组合，两个装置的作用将相互影响，并且扩大效果，最终起到“1+1＞2”的效果。

附图说明

图1为本实用新型一种螺旋流吸矿选矿装置的俯视图；

图2为本实用新型一种螺旋流吸矿选矿装置的侧视图；

图3为本实用新型一种螺旋流吸矿选矿装置的正视图；

图4为本实用新型一种螺旋流吸矿选矿装置的总体简图；

图5为本实用新型一种螺旋流吸矿选矿装置的分离装置诱导旋流原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其它优点与功效。本实用新型亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本实用新型的精神下进行各种修饰与变更。

如图1-图5所示，本实用新型一种螺旋流吸矿选矿装置包括：新型螺旋吸矿装置和旋流分离装置。所述新型螺旋吸矿装置由普通吸矿头(1)和螺旋导流板(2)组成；旋流分离装置由旋流分离器(3)、四个淤泥出口(4)、矿物出口(5)、矿物收集装置(图中未示出)组成。通过数值模拟证实，该新型螺旋吸矿装置利用龙卷风原理有效降低矿物启动速度，进而达到有效节能的目的。所述普通吸矿头(1)上口小、下口大，近似空心圆台形状，圆台上表面(即上口)与旋流分离装置经过管道连通，圆台下表面(即下口)为矿物进口。所述螺旋导流板(2)安装在普通吸矿头内部组成新型螺旋吸矿装置，通过螺旋导流板(2)诱导吸入水流产生漩涡，以达到产生局部龙卷风的目的，并最终实现大幅节能。所述旋流分离器(3)为圆柱结构，安装在新型螺旋吸矿装置的上部。四个完全相同的淤泥出口(4)安装在圆柱上部，在其四周均匀分布，其一端与旋流分离器(3)的内表面光滑连接，从而在旋流分离器(3)内部产生漩涡并利用其内部淤泥和矿物所受到的离心力令其沿径向向外运动。所述矿物出口(5)为一个，安装在旋流分离器(3)下部，并与旋流分离器(3)内表面光滑连接，以减少管道对内部流体的影响。所述矿物收集装置(未示出)与矿物出口(5)相连，大量收集矿物后集中提升。

本实用新型之螺旋流吸矿选矿装置主要用于海底锰结核的采矿与选矿工作，但是本实用新型的应用领域绝不局限于此。本实用新型主要用于全水下作业环境，在吸矿作业后通过在水下将矿物与淤泥直接进行分离，从而只需将矿物提升至海面而不必要将海水同时提升至海面，最终达到减少提矿过程当中不必要的能量消耗以及保护环境的目的，使深海采矿有更加长远的发展，进而为我国工业、经济与环境发展发挥重要作用。

具体地说，经过前端新型旋流吸矿装置的水流通过螺旋导流板(2)诱导产生龙卷风式的旋流，螺旋导流板(2)可以有效诱导漩涡，并利用此旋流有效降低颗粒物启动时的水流速度，降低水流动能，从而大幅降低能源消耗。

通过前端新型旋流吸矿装置之后，矿物与淤泥的混合液通过管道经由通道进入旋流分离装置，旋流分离器(3)为上端面面积较大、下端面面积较小并且中间平滑过渡的直立圆台体或者上端、下端截面形状与面积相等的直立圆柱体。在分离器存在锥角，并且锥角由0°不断增大直至180°的实际试验结果表明，其适于处理浓度高、矿物比重大，溢流细度要求-200目60％以下的场合。这种结构的旋流器具有溢流粒度均匀、溢流产品过磨现象轻、底流产率可大幅调整而不影响旋流器的正常工作等一系列优点，所以圆锥分离器效果更好，但是从制造简单与可靠性的角度出发，本实用新型具体实施例中采用圆柱形状的分离器。

悬浊液在经由管道进入旋流分离器后受内部漩涡影响，从而产生速度非常快的漩涡，进行旋流运动。悬浊液当中的不同质量的物体受到大小不同的离心力从而产生由中心向外的固体质量梯度。大质量的物体将沿径向向外运动直至碰到侧壁，小质量固体向分离器径向中心运动。大质量固体在旋转运动的同时还会受到重力的作用，而发生沉降现象。从而大的固体在旋转的同时，还伴有由中心沿径向向外以及从上到下的运动趋势，最终在分离器下部最外圈运动，并由下部固体出口(5)进入矿物收集箱。但是这种分离现象对固体颗粒物的质量范围有比较大的要求。质量较小的淤泥受到的重力作用小于水流向上运动对其产生的升力，无法产生沉降，这部分淤泥将会随水流向上运动。

需说明的是，本实用新型具体实施例中为只有初级旋流分离器的基础型采矿选矿一体式装置，这种装置已经可以应用于一般的情况，但是限于固体的质量差异以及淤泥的情况，可以根据实际情况增加分离级数。多增加的分离级数的布置情况可以进行如下安排：

初级旋流分离器与二级旋流分离器之间需要由管道连接。初级至二级旋流分离器通道是一个光滑连接初级旋流分离器与二级旋流分离器的通道，两端与初级旋流分离器与二级旋流分离器光滑平顺连接，以减少对悬浊液分离运动的影响，同时还要综合考虑到水声噪音等其他工程实际因素。大质量固体颗粒物已经沉降被消除，从而包含小质量固体颗粒物和淤泥的悬浊液经由该通道从初级旋流分离器顶部中心区域进入二级旋流分离器。该通道数量视二级旋流分离器数量而定，同时该通道进入二级旋流分离器的端口应位于二级旋流分离器上端，并且端口方向视旋流需要方向而定。

浊液经初级至二级旋流分离器通道后进入二级旋流分离器，进行进一步分离。二级旋流分离器的侧壁形状、入口形状和位置以及固体与液体的出口形状和位置与初级旋流分离器大体相似。二级旋流分离器的主体形状为上端大、下端小的圆台以达到最优效果，空间位置可以略有倾斜。二级旋流分离器的数量可以不止一个，但是其应尽量对称布置，减少震动对整体采矿、选矿装置的影响。并且由于二级分离器的体积较小，要保证足够的旋流沉淀时间，并且内部上升水流流速要足够小，所以二级旋流分离器的数量应尽可能多。综合考虑二级旋流分离器的尺寸与布置要求，经过详细的计算，二级旋流分离器的数量应为5-10个之间，以达到最好的分离效果。入口位于上端，颗粒物出口位于下端，淤泥出口位于上端。二级旋流分离器的形状非常适合旋流运动的产生。小质量固体颗粒物经由二级旋流分离器进行分离，并从下部端口落入矿物收集箱(即矿物收集装置)。分离之后的液体从上部端口排出，返回到海洋环境当中。经初级旋流分离器与二级旋流分离器的分离作用，固体颗粒矿物进入矿物收集箱，液体在海底直接排回海底环境。

分析结果表明，本实用新型之螺旋流吸矿选矿装置可以达到非常好的分离效果，对矿物、矿物以及淤泥均可进行分离。根据不同的物料特性，不同的生产安装环境，采用不同的结构设计，具有压降低，处理量大、脱水效率高的优点。应用于某尾矿再选制浆脱水作业中，在给矿浓度5-12％，-200目含量75％的情况下，旋流器的溢流平均浓度控制在1.5％以下，在达到了有效脱水目的的情况下，避免了有用矿物的流失。在某硅砂的脱水作业应用中，脱水旋流器的溢流浓度达到了0.5％以下，并且溢流脱出的几乎是不合格的细泥，达到脱水和脱泥的双重效果。

本实用新型的装置主要用于移动采矿车的采矿与选矿一体式装置，所以主要应用于水下作业环境，并且体积较小，分离效率较高。但是本实用新型对于其他用于海底采矿作业的在深海环境内直接进行的矿物与泥浆分离的固定多级分离装置，旋流吸矿头以及其组合装置同样适用。

在使用的过程当中，为了使本装置发挥最大的效果，有一些环境与细节需要特别注意：

1、开始试车前要确保分离器机组所有连接点都已紧固，清除管道、机组箱体中的各种残留物，以免开车后有泄露及堵塞发生。确保把投入运行的旋流器阀门完全打开。

2、阀门可以完全开启(如运行分离器)或完全关闭(如备用分离器)，但绝不允许处于半开启状态(即绝不允许用阀门控制流量)。

3、设备在正常压力下平稳运行时，要检查连接点漏损量，必要时采取补救措施。

4、检查进入分离器的残渣引起的堵塞。分离器进料口堵塞会使溢流和矿物流量减少，分离器固体颗粒出口堵塞会使固体颗粒物分离速度减小甚至断流，有时还会发生剧烈震动。如发生堵塞，应及时关闭分离器给料阀门，从海底进行提升之后清除堵塞物。为防止堵塞，在海水矿物入口前端可以假装某些设施(如除屑筛)。

漩涡作用模拟验证与实验验证

首先，将输矿管截面流速作为主变参数的仿真适合于对试验模型求证。可以计算出集矿筒上端口的初始速度为3.1438(m/s)，方向向上。在吸矿筒模型上端口的平均流速为3.1438(m/s)时，下端口的面积加权平均流速是0.246(m/s)。吸矿面到底部距离为2.24cm。那么，针对平均流速为0.246(m/s)情况，物理模型数学求解出的结论是：当集矿筒底部大口距离锰结核下端的平面为2.24cm时，直径为6.4cm的锰结核会被吸起，向心旋升进入集矿筒内。结果显示，整个模型的压强变化趋势为从四周向中间，从下至上逐渐变大。那么锰结核就会在压力差的作用下向心集中并旋升进入集矿筒。Report阻力计算，绘制直径为65mm的球体置于集矿筒正下方，曲面积分得到的垂向升力大小为3.43(N)方向向上。简单计算得出重力小于浮力与提升力的和。

其次，进行以输矿管截面产生的负压值作为主要变量的建模与仿真。从结果中可观察到，锰结核表面处的平均流速在0.738m/s左右。当D为0.2m时，u_b＝0.71266m/s。速度恰好达到提取直径为20cm锰结核的临界速度，两个小锰结核在抽吸作用下向心旋升。当D为0.5m时，u_b＝1.78165m/s。速度没有达到直径为0.5米的锰结核的界速度，大锰结核在该抽吸作用下不会向心旋升。从而保证了在碟形浮式海底集矿机工作时，不会发生超大锰结核堵住输管口的危险工况。

计算结果：当碟形浮式海底集矿机在锰结核上方1m处产生一个大气压的负压时，位于吸矿面正下方边缘直径为20cm的锰结核恰好能在抽吸作用下向心旋升。根据相关结果，锰结核表面的速度矢量方向由下向上冲刷锰结核，不断给予锰结核向上运动的动量。本次建模计算取锰结核的密度为2700计算直径为20cm的锰结核重量G、浮力F，并计算得锰结核的合力向上，受到旋转流场作用后向心旋升。

实验部分：

为了进一步论证物理模型和建模仿真的计算结果，对设计主要部分进行模型试验求证。

试验结果为：在抽吸特征尺寸为6.5cm的颗粒物实际悬空高度为2.1cm,与计算悬空高度2.24cm，误差是6.25％，该试验条件下，仿真与模型试验匹配度较高。

本实用新型与现有技术相比有如下优点：

1、节能减排。通过将海水与矿物在作业位置附近直接进行分离，海水将直接回到环境当中，而矿物可以通过其他方式进行提升。这种方式可以消除由于提升海水而产生的不必要的能源浪费。现有技术为利用多个矿浆泵在提升的过程当中进行多级提升，将海水、泥浆与矿物一同提升至采矿船，然后进行分离。从功能原理的角度进行分析，由于人为提升通过机械消耗能量将海水与泥浆的位能进行了显著的提高，从而必定消耗大量的能量。另一方面，螺旋导流板产生的海底龙卷风进一步降低海水所需的动能，以进一步降低所需要的能耗。

2、本实用新型可以提高提升矿物浓度，尽可能减少对海底污泥的扰动。海底环境与海洋表层环境有很大的差别，生物种类也千差万别，在海底的淤泥当中富含大量的生物资源。但是由于海水水压的作用，这些生物无法生活在水压相对较小的海洋表层。海底生物经由矿浆泵进行提升至海面之后无法生存，从而造成海底生物的大量死亡，对海底生态系统造成巨大的破坏，对海底生物多样性必将带来毁灭性的打击。

同时，海底生物在提升到海面后直接排入海中，将对海洋表层生物多样性造成巨大的破坏。海底物种几乎不生活在海洋上层，直接将深海微生物引入浅海区域将非常有可能发生生物入侵效应，进而对浅海区域造成非常大的破坏。

正是出于环境保护的目的，现有采矿技术的应用还十分有限，开采量受到国家和世界很多组织的严格控制。但是如果将海水、泥浆与矿物在海底直接进行分离，海洋生物的分层现象将没有被打破，从而尽最大可能保护海洋各水层的生物资源与生物多样性。

3、可靠性高。现有的采矿方案经由多个矿浆泵进行多级提升，中间设计多个装置与环节。根据机械设计当中零件环节越多，可靠性越低的准则，如果应用我们设计的分离装置进行分离，中间环节与设备将大幅减少，中间的矿浆泵与提升管线均可取消。从而可靠性将大幅增加，保证海底作业的效率与质量。

4.两环节装置都可以产生旋流，并且两个部分的旋流可以相互作用。螺旋导流板产生的旋流经过管道后仍然以旋流方式进入分离装置。分离装置中四根管道产生的旋流也会通过作用放大螺旋导流板产生的旋流。两部分相互作用，扩大效果，事半功倍。

5、防止堵塞，诱导筛矿的漩涡两个作用。由于淤泥有四个出口，所以分离装置体积可以较小，从而整体体积可以得到有效控制。这样的设计不仅可以应用于固定位置的分离工作，同时还可以应用于移动的海底采矿车分离作业当中。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何本领域技术人员均可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本实用新型的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种螺旋流吸矿选矿装置，其特征在于，所述螺旋流吸矿选矿装置包括：

新型螺旋吸矿装置，通过螺旋导流板(2)诱导吸入水流产生漩涡将海底矿物吸起；

旋流分离装置，连接所述新型螺旋吸矿装置，利用旋流分离器将质量较大的固体颗粒矿物经旋流与沉降最终由矿物出口排入矿物收集装置，将淤泥和海水一同经由所述旋流分离装置的淤泥出口排出。

2.如权利要求1所述的一种螺旋流吸矿选矿装置，其特征在于：所述新型螺旋吸矿装置包括普通吸矿头(1)和螺旋导流板(2)，所述普通吸矿头(1)上口小、下口大，近似空心圆台形状，圆台上口与所述旋流分离装置经过管道连通，圆台下口为矿物进口，所述螺旋导流板(2)安装在普通吸矿头内部，通过所述螺旋导流板(2)诱导吸入水流产生漩涡，以达到产生局部龙卷风的目的。

3.如权利要求2所述的一种螺旋流吸矿选矿装置，其特征在于：所述旋流分离装置包括旋流分离器(3)、若干淤泥出口(4)、矿物出口(5)以及矿物收集装置，所述旋流分离器安装在所述新型螺旋吸矿装置的上部，各淤泥出口(4)安装在所述旋流分离器的上部四周，各淤泥出口(4)一端与所述旋流分离器(3)的内表面光滑连接，所述矿物出口(5)安装在所述旋流分离器(3)下部，并与旋流分离器(3)内表面光滑连接，所述矿物收集装置与所述矿物出口(5)相连。

4.如权利要求3所述的一种螺旋流吸矿选矿装置，其特征在于：所述旋流分离器(3)为上端面面积较大、下端面面积较小并且中间平滑过渡的直立圆台结构或者上端、下端截面形状与面积相等的直立圆柱体结构。

5.如权利要求3所述的一种螺旋流吸矿选矿装置，其特征在于：各淤泥出口(4)完全相同且均匀分布在所述旋流分离器(3)上部四周。

6.如权利要求5所述的一种螺旋流吸矿选矿装置，其特征在于：所述淤泥出口(4)为4个。

7.如权利要求6所述的一种螺旋流吸矿选矿装置，其特征在于：所述矿物出口(5)为一个。

8.如权利要求5所述的一种螺旋流吸矿选矿装置，其特征在于：所述螺旋流吸矿选矿装置还包括若干个二级旋流分离器，所述旋流分离器与所述二级旋流分离器之间通过管道连接，该管道是一个光滑连接所述旋流分离器与所述二级旋流分离器的通道，两端与所述旋流分离器与所述二级旋流分离器光滑平顺连接。

9.如权利要求8所述的一种螺旋流吸矿选矿装置，其特征在于：该通道数量由二级旋流分离器数量而定，同时该通道进入二级旋流分离器的端口位于二级旋流分离器上端，并且端口方向视旋流需要方向而定。

10.如权利要求9所述的一种螺旋流吸矿选矿装置，其特征在于：该二级旋流分离器数量为5-10个，且对称布置。