基于超临界二氧化碳的多金属结核破碎装置和方法

1.本发明涉及海洋装备技术领域，具体涉及一种基于超临界二氧化碳的多金属结核破碎装置和方法。


背景技术：

2.近年来，深海采矿系统因开发丰富的海洋矿产资源而备受关注。深海中的矿产资源多以结核形式存在，富含锰、镍、钴、铜等多种元素，极具商业开采价值。深海采矿系统由一个从深海海底收集多金属结核的试点采矿机、一个母站和采矿机与母站之间的运输系统组成。先导采矿机同时采集锰结核，并在松软的地面上行走。然后，运输系统将收集到的锰结核从矿工处运往母站。在这台采矿机中收集的结核然后通过柔性管道输送到缓冲区。缓冲器中临时储存的结核通过提升泵和管道提升至母站。
3.多金属结核赋存于水深4000～6000m海底稀软沉积物表层，往往处于半埋藏状态，多为球形，粒径范围为2～20cm不等。当多金属结核的块度或粒度大于40～50mm时，就可能影响输送系统的正常工作，增加功率消耗，甚至出现输送管道堵塞使整个深海采矿作业无法进行。因此需要将体积过大的多金属结核进行破碎及减轻自身重量以满足输送管道的要求，同时避免过度粉碎形成矿泥，造成资源浪费。
4.目前工业上主要利用机械力来破碎矿石，大体可分为压碎、劈碎、磨碎和冲击破碎。压碎是利用工作面对物料进行挤压，使物料破碎；劈碎是利用尖齿楔入物料的劈力，使物料破碎；磨碎是让物料在工作面上相对移动，而产生对物料的剪切力；冲击破碎是让冲击力瞬间作用在物料上进行破碎。这些破碎方式都具有结构简单、工作可靠、故障率低等优点，但是对于多金属结核这种硬度较低且大小不均匀的矿石来说，会导致劈碎和冲击破碎等方法破碎效率极低，而压碎及磨碎等方法则过度粉碎。因此，亟需设计一种过粉碎现象少，工作可靠，构造简单的多金属结核破碎装置。
5.中国专利cn112058370a公开了一种矿石破碎机，其结构包括进料口、破碎腔、间隔板、集中腔，进料口设于破碎腔顶部，并与破碎腔内相通，破碎腔和集中腔通过间隔板相互配合，集中腔固定于间隔板底部，为防止石灰石中黏结成团的泥土和粉状料黏结在破碎辊上，影响后续破碎物料过程，其两侧的刮除装置的刮刀为爪形结构，在连接座的倾斜安装下，其爪尖可以更好的贴合破碎辊外部形状，该发明在破碎辊工作由于外部原因产生转速差，导致刮除装置发生顿挫及弹跳现象无法贴合辊面时，利用下压板的角度倾斜作用于刃板，形成一个倒扣斗状结构，重心在朝下，使得其在运行时，稳定贴合于辊面。但由于多金属结核大小极度不均匀，导致破碎机不能平稳运转，极易损坏破碎机辊子两端轴承，影响正常工作。
6.中国专利cn112892709a公开了一种矿石破碎装置。该矿石破碎装置包括装置主体，所述装置主体底部固定安装有支撑座，后侧设置有驱动装置，顶部固定安装有进料通道，所述进料通道底部与装置主体内部连通，所述装置主体内部设置有两个破碎辊，两个破碎辊对称设置在装置主体内部。该矿石破碎装置在对矿石破碎过程中，破碎辊上的破碎块
会通过驱动机构使得筛选机构对破碎后的矿石进行筛选，小块矿石从出料口二排出，大块矿石从出料口一排出，进而对破碎后的矿石进行自动筛选处理，无需后续人工分拣，并且在驱动机构和破碎辊的作用下，筛选机构始终处于振动状态，从而可以提高筛选机构对矿石的筛选效果。但是由于筛选机构的长时间使用，可能存在筛选机构上部分区域损坏，严重影响结核的破碎效率。
7.以上两种专利都是利用机械力来破碎矿石，但存在破碎效率不高，内部结构相对复杂，易发生故障，且无法适应深海高压、低温环境等技术问题。因此，现有技术亟待进一步改进和提高。


技术实现要素：

8.针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的在于提出一种基于超临界二氧化碳的多金属结核破碎装置，解决现有的矿石破碎装置结构复杂、易发生故障，工作可靠性差，破碎效率低，无法适应深海高压、低温工作环境要求的问题。
9.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
10.一种基于超临界二氧化碳的多金属结核破碎装置，包括箱体、矿石输入管、加热喷射单元、碎矿石输出管及控制单元，所述箱体的底部具有下颚板，下颚板上设有下颚齿和透水孔。
11.矿石输入管一端与箱体的一侧中部固定相连，另一端可连接矿石暂存仓，其内部设有入口阀门。
12.碎矿石输出管一端与箱体的另一侧下部固定相连，其内部设有出口阀门和离心泵。
13.加热喷射单元位于箱体的上方，其上端设有二氧化碳入口，下端与箱体的顶部中心固定相连相通。
14.箱体的内部设有上颚板，上颚板水平布置且与箱体的侧壁滑动密封配合，将箱体内部分成上方的气压室和下方的破碎室，上颚板的底部设有上颚齿及泄压阀。
15.进一步地，所述箱体包括顶板和筒状的环形侧板，顶板位于环形侧板的上方，其边缘与环形侧板的上端面固定密封相连。
16.下颚板位于环形侧板的上方，其边缘与环形侧板的下端面固定相连成一体。
17.进一步地，所述下颚齿有多个且为锥形，所有下颚齿呈方阵的方式固定于下颚板的上表面。
18.所述透水孔有若干个，所有透水孔均与各下颚齿错位布置，破碎室可通过透水孔与箱体的外部相通。
19.进一步地，所述上颚齿有多个，也为锥形，所有上颚齿呈方阵的方式固定于上颚板的底部，所有上颚齿均与下颚齿错位布置。
20.每个上颚齿均设有至少一个所述泄压阀，泄压阀以内嵌的方式固定在下颚齿上，气压室可通过各泄压阀与破碎室相通。
21.进一步地，所述气压室内设置有多个复位弹簧，所有复位弹簧在上颚板的中心外围均匀布置，其上端与顶板的底部固定相连，下端与上颚板的顶部固定相连。
22.下颚板的边缘侧壁上镶嵌有气动型的密封圈，其通过密封圈与箱体密封配合。
23.进一步地，加热喷射单元包括加热室、螺旋加热管及单向阀，所述加热室位于箱体的上方，其下端与顶板的中心位置固定相连。
24.螺旋加热管安装于加热室的内部，二氧化碳入口位于加热室顶部的一侧，并配置有高压泵，所述二氧化碳入口可通过管路与液态二氧化碳存储罐相连。
25.单向阀设置在加热室与箱体的连接处，所述加热室可通过单向阀与气压室的内部相通。
26.进一步地，单向阀底部的出口端设置有高速喷管，上颚板顶部的中心位置固定有承冲板，所述承冲板的上表面开设有与高速喷管出口位置对应的承冲凹槽。
27.螺旋加热管是由导热材料制成的中空结构，其内部设置有电热丝，所述高速喷管的管壁上呈螺旋方式布置有同样的电热丝。
28.进一步地，所述箱体的侧壁上设有激光对射光电开关，激光对射光电开关的发射器和接收器均位于碎矿石输出管与箱体连接处的上方，且分别固定于箱体相对的两侧。
29.所述激光对射光电开关的信号端与控制单元通讯相连，入口阀门和出口阀门均采用电控阀门，且与控制单元通讯相连。
30.进一步地，所述碎矿石输出管包括细管体和粗管体，所述细管体的一端与箱体的侧壁相连，出口阀门设置在细管体与箱体的连接处，细管体的另一端通过变径管体与粗管体的一端相连，所述离心泵设置在粗管体上。
31.本发明的另一个目的在于提出一种多金属结核破碎方法。
32.一种多金属结核破碎方法，采用上述的基于超临界二氧化碳的多金属结核破碎装置，该破碎方法包括如下步骤：
33.步骤一，入口阀门保持开启状态，多金属结核经由矿石输入管连续进入箱体，落至箱体的底部并在其内部收集，箱体内部的多金属结核累积到设定高度后，入口阀门关闭，同时，出口阀门保持关闭状态。
34.步骤二，液态二氧化碳入通过二氧化碳入口进入加热喷射单元，液态二氧化碳在加热喷射单元内部受热形成超临界二氧化碳，体积急速膨胀产生高压冲击波，进入气压室并驱动上颚板快速向下运动，与下颚板相配合对多金属结核进行第一次破碎。
35.步骤三，由加热喷射单元制备的超临界二氧化碳连续进入气压室，气压室内的压力增大至设定值后，泄压阀打开，气压室内的超临界二氧化碳进入破碎室，将多金属结核疏松孔及破碎室内的海水驱替，通过上颚板上透水孔排至箱体外部。
36.步骤四，超临界二氧化碳充满多金属结核疏松孔，气压室与破碎室之间的压力差驱动上颚板继续向下运动，上颚板对多金属结核进行第二次破碎。
37.步骤五，二氧化碳入口关闭，气压室与破碎室的气压平衡后，上颚板在弹簧力的作用下回到初始位置，入口阀门和出口阀门均打开。
38.离心泵开始工作，将破碎后的多金属结核抽入碎矿石输出管内，再由输送设备送至水面支持母船上。
39.步骤六，破碎室内的多金属结核排出后，出口阀门关闭，按照步骤一至五的方式进行下一个工作循环。
40.通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：本发明利用了液态二氧化碳受热膨胀成为超临界二氧化碳，气体压力驱动颚板运动对多金属结核进行一次压裂，超临
界二氧化碳高温、低粘性的特点驱替多金属结核疏松孔及裂隙中的海水后，对其进一步压裂，破碎后的颗粒均匀。本发明结构更简单，机械故障率低，自动化程度高，粉碎现象少，工作可靠且效率高。
附图说明
41.图1是本发明基于超临界二氧化碳的多金属结核破碎装置的结构示意图。
42.图2是图1中某一部分的俯视结构图，示出的是上颚板、承冲板及相关部分。
43.图3是图1中另一部分的放大图，示出的是加热喷射单元和上颚板的组合结构。
44.图4是本发明上颚齿和泄压阀的组合结构示意图。
45.图5是本发明对多金属结核完成第一次破碎后的使用状态图。
46.图6是本发明对多金属结核完成第二次破碎后的使用状态图。
具体实施方式
47.下面结合附图对本发明进行详细说明：
48.实施例1，结合图1至图4，一种基于超临界二氧化碳的多金属结核破碎装置，包括箱体1、矿石输入管2、加热喷射单元3、碎矿石输出管4及控制单元，所述箱体1的底部具有下颚板5，下颚板5上设有下颚齿51和透水孔52。所述箱体1包括顶板11和筒状的环形侧板12，环形侧板12是由前侧板、后侧板、左侧板和右侧板相连构成的方形管体结构，顶板11位于环形侧板12的上方，其边缘与环形侧板12的上端面固定密封相连。下颚板5位于环形侧板12的上方，其边缘与环形侧板12的下端面固定相连成一体。
49.矿石输入管2一端与箱体1的左侧中部固定相连，矿石输入管2与箱体1的内部相通，另一端可连接矿石暂存仓，其内部设有入口阀门21。工作状态下，多金属结核经由矿石输入管2进入箱体1内部。
50.碎矿石输出管4一端与箱体1的另一侧下部固定相连，其内部设有出口阀门41和离心泵42。所述碎矿石输出管4包括细管体43和粗管体44，所述细管体43的一端与箱体1的侧壁相连，细管体43与箱体1的连接处相邻位于下颚板5的上侧，以保证破碎后的多金属结核尽可能全部通过细管体43排出。出口阀门41设置在细管体43与箱体1的连接处，细管体43的另一端通过变径管体与粗管体44的一端相连，所述离心泵42设置在粗管体44上。
51.所述箱体1的侧壁上设有激光对射光电开关，激光对射光电开关的发射器71和接收器72均位于碎矿石输出管4与箱体1连接处的上方，且分别固定于箱体1相对的两侧。所述激光对射光电开关的信号端与控制单元通讯相连，入口阀门21和出口阀门41均采用电控阀门，且与控制单元通讯相连。
52.利用接收器72是否接收到光线信息来控制入口阀门21和出口阀门41的状态；一种是打开状态，即光线传播无阻碍，接收器可以接收到发射器发出的光线；另一种状态是关闭状态，即多金属结核不断由碎矿石输出管4进入箱体1，箱体1内的多金属结核累积到一定高度后，会阻断光线的传播，使接收器72无法接收到发射器71发出的光线。
53.所述下颚齿51有多个且为锥形，所有下颚齿51呈方阵的方式固定于下颚板5的上表面，下颚齿51的尖头端朝上。所述透水孔52有若干个，所有透水孔52均与各下颚齿51错位布置，破碎室102可通过透水孔52与箱体1的外部相通，工作状态下，箱体1内部及多金属结
核疏松孔内得海水可通过透水孔52排至箱体1外部。
54.箱体1的内部设有上颚板6，上颚板6水平布置且与箱体1的侧壁滑动密封配合，将箱体1内部分成上方的气压室101和下方的破碎室102。具体地，所述下颚板5的边缘侧壁上镶嵌有气动型的密封圈，其通过密封圈与箱体1密封配合。所述气压室101内设置有四个复位弹簧8，所有复位弹簧8在上颚板6的中心外围均匀布置，其上端与顶板11的底部固定相连，下端与上颚板6的顶部固定相连。
55.工作状态下，气压室101内的高压超临界二氧化碳驱动上颚板6向下快速运动，与固定在箱体1底部的下颚板5相配合将位于破碎室102内的多金属结核压碎，破碎工作完成后，复位弹簧8的弹力可驱动上颚板6回到初始位置。
56.上颚板6的底部设有上颚齿61及泄压阀62，所述上颚齿61有多个，也为锥形，所有上颚齿61呈方阵的方式固定于上颚板6的底部，上颚齿61的尖头端朝下，所有上颚齿61均与下颚齿51错位布置。每个上颚齿61均设有四个所述泄压阀62，四个泄压阀62均以内嵌的方式固定在下颚齿51上，气压室101可通过各泄压阀62与破碎室102相通。
57.加热喷射单元3位于箱体1的上方，其上端设有二氧化碳入口34，下端与箱体1的顶部中心固定相连相通。
58.具体地，加热喷射单元3包括加热室31、螺旋加热管32及单向阀33，所述加热室31位于箱体1的上方，其下端与顶板11的中心位置固定相连。螺旋加热管32安装于加热室31的内部，螺旋加热管32是由导热材料制成的中空结构，其内部设置有电热丝，其作用是给进入加热室31的液态二氧化碳加热，使其相变成超临界二氧化碳。
59.二氧化碳入口34位于加热室31顶部的一侧，并配置有高压泵36，所述二氧化碳入口34可通过管路与液态二氧化碳存储罐相连。液态二氧化碳经由二氧化碳入口34进入加热室31，螺旋加热管32对其加热后成为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳为雾状的气态，液态二氧化碳经加热后在加热室31内部的体积迅速膨胀，加热室31内的压力迅速提升。
60.单向阀33设置在加热室31与箱体1的连接处，所述加热室31可通过单向阀33与气压室101的内部相通。单向阀33底部的出口端设置有高速喷管35，所述高速喷管35的管壁上呈螺旋方式布置有同样的电热丝。加热室31内的气压到达60mpa～100mpa，急剧膨胀的超临界二氧化碳产生高压冲击波，将加热室31与气压室101连接处的单向阀33打开，高压冲击波通过高速喷管35向下喷射超临界二氧化碳。
61.所述上颚板6顶部的中心位置固定有承冲板63，所述承冲板63的上表面开设有与高速喷管35出口位置对应的承冲凹槽64。超临界二氧化碳高速冲向上颚板6的承冲凹槽64，并驱动上颚板6向下快速运动，同时，超临界二氧化碳持续喷射进入气压室101，在高速喷管35的加热作用下未发生相变，气压室101压力也陡增，气压室1与破碎室102之间也产生巨大压力差，对多金属结核进行一次压裂。
62.随着加热室31内的超临界二氧化碳持续进入气压室101，气压室101内的压强持续增大，当气压室101内的压强超过30mpa时，位于上颚板6上的泄压阀62自动打开，气压室101内的超临界二氧化碳进入破碎室102，将多金属结核疏松孔及破碎室102内的海水驱替，并冲击多金属结核进行二次压裂。超临界二氧化碳具有高温、低粘性的特点，在二次压裂过程中，能够驱替多金属结核疏松孔及裂隙中的海水，使其通过透水孔52排至箱体外部。多金属结核内部的海水被超临界二氧化碳驱替后，其耐压能力降低，受压后进一步破碎。
63.上颚板6上的泄压阀62打开后还可以平衡气压室101与破碎室102之间的压力，压力平衡后，在复位弹簧8拉力的作用下上颚板6向上移动，恢复至初始位置。之后，入口阀门21和出口阀门41开启，经两次破碎后的多金属结核在离心泵18吸力的作用下进入碎矿石输出管4，被输送至水面支持母船。
64.实施例2，结合图1至图6，一种多金属结核破碎方法，采用上述的基于超临界二氧化碳的多金属结核破碎装置，该破碎方法包括如下步骤：
65.步骤一，入口阀门21保持开启状态，多金属结核经由矿石输入管2连续进入箱体1，落至箱体1的底部并在其内部收集，箱体1内部的多金属结核累积到设定高度后，入口阀门21关闭，同时，出口阀门41保持关闭状态。
66.步骤二，液态二氧化碳入通过二氧化碳入口34进入加热喷射单元3，液态二氧化碳在加热喷射单元3内部受热形成超临界二氧化碳，体积急速膨胀产生高压冲击波，进入气压室101并驱动上颚板6快速向下运动，与下颚板5相配合对多金属结核进行第一次破碎。
67.步骤三，由加热喷射单元3制备的超临界二氧化碳连续进入气压室101，气压室101内的压力增大至设定值后，泄压阀62打开，气压室101内的超临界二氧化碳进入破碎室102，将多金属结核疏松孔及破碎室102内的海水驱替，通过上颚板6上透水孔52排至箱体1外部。
68.步骤四，超临界二氧化碳充满多金属结核疏松孔，气压室101与破碎室102之间的压力差驱动上颚板6继续向下运动，上颚板6对多金属结核进行第二次破碎。
69.步骤五，二氧化碳入口34关闭，气压室101与破碎室102的气压平衡后，上颚板6在弹簧力的作用下回到初始位置，入口阀门21和出口阀门41均打开。
70.离心泵42开始工作，将破碎后的多金属结核抽入碎矿石输出管4内，再由输送设备送至水面支持母船上。
71.步骤六，破碎室102内的多金属结核排出后，出口阀门41关闭，按照步骤一至五的方式进行下一个工作循环。
72.本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
73.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
74.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
75.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。