一种利用二氧化碳抑制羽状流的深海矿车采集装置

1.本发明涉及海洋采矿装备技术领域，具体涉及一种利用二氧化碳抑制羽状流的深海矿车采集装置。


背景技术：

2.随着全球人口的增长和能源的持续消耗，实现深海固体矿产资源开采已经成为世界各国的重要战略目标。深海固体矿产资源主要包括：多金属结核、多金属硫化物和富钴结壳，多金属结核赋存于4000～6000米深海底，半埋或浅埋于海底沉积物中，由于富含锰、钴、镍、铜等重要金属元素而吸引诸多关注。深海多金属结核开采系统包括海底自行式集矿车、提升管道和水面支持母船，由集矿车收集矿石后通过提升管道运输至水面，完成采集作业。
3.近年来，深海环境问题受到广泛关注，深海采矿对环境的负面影响也成为采矿商业化的阻碍，尤其是集矿车射流和行走过程中产生的羽状流，羽状流又称为羽流，一经产生扩散时间长达20年，影响海水体积可达十几万立方米，对海洋环境带来灾难性的巨大影响，羽状流的大面积扩散可导致后续深海采矿作业无法进行。在深海低温(2～4℃)、高压(40～60mpa)环境下，二氧化碳呈液态，密度大于海水，易与水结合生成固态水合物，且可胶结羽状流颗粒沉淀至海床，这为解决羽状流问题提供了有效思路。因此，现有技术需要进一步改进和提高。


技术实现要素：

4.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利用二氧化碳抑制羽状流的深海矿车采集装置，解决集矿车在射流采集和行走过程中产生的羽状流，对海洋环境造成严重破坏，以及导致后续深海采矿作业无法进行的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
6.一种利用二氧化碳抑制羽状流的深海矿车采集装置，包括采矿车、水力采集机构、中继加压仓及侧边喷射装置，所述采矿车上设置有矿石存储仓，水力采集机构设在采矿车行走方向的前侧。
7.水力采集机构包括采集罩壳和射流喷头，采集罩壳的底部开放，其内侧对称设有两个导流板，两个导流板将采集罩壳的内部分成位于中间的冲采抽吸腔及冲采抽吸腔前后两侧的固化沉淀腔。
8.采集罩壳的顶部设有与冲采抽吸腔对应的泵吸管道，射流喷头有两组，相对布置在两个导流板的下端。
9.各所述固化沉淀腔的内壁上设有第一喷管，第一喷管与所述中继加压仓相连相通。
10.侧边喷射装置有两个，对称设置在采矿车左右两侧的履带上方，各侧边喷射装置均与中继加压仓相连相通。
11.进一步地，所述采集罩壳为长方形的箱体结构，且横向水平布置。
12.两个导流板相对倾斜布置，与采集罩壳的内壁配合形成上窄下宽的喇叭口状。
13.泵吸管道的一端固定连接于采集罩壳的顶板，且与冲采抽吸腔内部相通，另一端伸至矿石存储仓内并配置有抽吸泵。
14.进一步地，每组射流喷头均包括横向依次间隔布置的多个射流喷头，各射流喷头均以向内倾斜的方式固定于导流板下端，并由采矿车上的高压供水装置为其供入高压水。
15.同组的所有射流喷头均通过高压射流管与设置在采矿车上的高压水泵相连，高压射流管固定于导流板的外壁上。
16.进一步地，固化沉淀腔的顶壁及与导流板相对一侧的内壁上均设置有至少两组第一喷管，每组第一喷管均包括横向依次间隔布置的多个第一喷管。
17.同侧各第一喷管均与采集罩壳内部的第一流道相通，第一流道通过位于采集罩壳上方的第一高压导流管与中继加压仓相连通。
18.进一步地，位于采集罩壳顶部的各第一喷管的开口均朝下，位于采集罩壳侧壁上的各第一喷管的开口均向内倾斜布置。
19.进一步地，各所述射流喷头的下端均高于采集罩壳的底面。
20.进一步地，中继加压仓包括圆柱形的罐体，所述罐体固定安装在矿石存储仓的内侧顶部，其上端口可通过二氧化碳输入管道与水面支持母船相连。
21.罐体内部设置有加压泵，所述加压泵有两个调压出口，通过两个调压出口分别向第一喷管和侧边喷射装置泵送高压液态二氧化碳。
22.进一步地，所述侧边喷射装置包括挡流板和第二喷管，所述挡流板的一侧与采矿车的车体固定相连，另一侧及尾部均为倾斜向下的折边部。
23.所述第二喷管竖向设置在挡流板的底部，且与中继加压仓管路连接。
24.进一步地，所述第二喷管具有多组，且纵向依次间隔布置，每组第二喷管均包括横向间隔排布的至少两个第二喷管。
25.各第二喷管均与其上方挡流板内部的第二流道相通，第二流道通过挡流板内部的第二高压导流管与中继加压仓相连通。
26.通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：本发明利用液态二氧化碳实现羽流在采集罩壳内快速沉降，消除羽流外溢及扩散的可能。同时，利用液态二氧化碳对采矿车行走激起的羽流进行覆盖，抑制深海羽流扩散，从根本上解决深海采矿过程中羽流扩散灾害，保护海洋生态环境，保障后续深海采矿作业的正常进行。
附图说明
27.图1是本发明一种利用二氧化碳抑制羽状流的深海矿车采集装置的结构示意图。
28.图2是本发明的水力采集机构及相关部分的剖面结构示意图。
29.图3是本发明的水力采集机构及相关部分的仰视结构示意图。
30.图4是图1中本发明某一部分的结构示意图，示出的是侧边喷射装置。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明进行详细说明：
32.实施例，结合图1至图4，一种利用二氧化碳的深海矿车羽状流抑制采集装置，包括
采矿车1、水力采集机构2、中继加压仓及侧边喷射装置3，所述采矿车1上设置有矿石存储仓11，采矿车1的左右两侧为履带式行走机构12，水力采集机构2设在采矿车1行走方向的前侧，其作用是采用冲吸的方式将位于海床面上的多金属结核采集至矿石存储仓11内。
33.水力采集机构2包括采集罩壳21和射流喷头22，采集罩壳21为底部开放的长方形箱体结构，其横向布置并通过机械臂安装在采矿车1的前侧，所述采集罩壳21的下端距离海床面7有一定高度，保证其行进过程中多金属结核能够进入到采集罩壳21的正下方。
34.采集罩壳21内侧对称设有两个导流板23，采集罩壳21和导流板23均是由高强度耐腐蚀的钢板制成的，两个导流板23相对竖向倾斜布置，两个导流板23将采集罩壳21的内部分成位于中间的冲采抽吸腔201及冲采抽吸腔201前后两侧的固化沉淀腔202。
35.具体地，两个导流板23的顶部及左右两侧均与采集罩壳21的内部固定密封焊接成一体，两个导流板23与采集罩壳21的内壁配合形成上窄下宽的喇叭口状，即为所述的冲采抽吸腔201。扩口结构的冲采抽吸腔201能够更利于位于海床面上的多金属结核进入泵吸管道4，提高冲采效率。
36.采集罩壳21的顶部设有与冲采抽吸腔201对应泵吸管道4，泵吸管道4的一端固定连接于采集罩壳21的顶板，且与冲采抽吸腔201内部相通，另一端伸至矿石存储仓11内并配置有抽吸泵。工作过程中，采集罩壳21底部与海床面之间的距离较小，采集罩壳21的内部形成相对封闭的空间，射流喷头22喷射出的高压水对多金属结核冲射，同时，抽吸泵通过泵吸管道4对冲采抽吸腔201内部抽吸，形成负压，冲采抽吸腔201内侧的多金属结核通过泵吸管道4被抽入矿石存储仓11内。
37.射流喷头22有两组，相对布置在两个导流板23的下端。每组射流喷头22均包括横向依次间隔布置的多个射流喷头22，各射流喷头22均以向内倾斜的方式固定于导流板23下端，并由采矿车1上的高压供水装置为其供入高压水。同组的所有射流喷头22均通过高压射流管24与设置在采矿车1上的高压水泵相连，高压射流管24固定于导流板23的外壁上。射流喷头22对多金属结核射流的过程中，会在采集罩壳21内侧形成羽流，并扩散至采集罩壳21的外部。
38.各所述固化沉淀腔202的内壁上设有第一喷管5，第一喷管5与所述中继加压仓相连相通。具体地，固化沉淀腔202的顶壁固定安装有两组第一喷管5，位于各固化沉淀腔202顶壁的两组第一喷管5前后间隔布置，固化沉淀腔202与导流板23相对一侧的内壁上固定安装有三组第一喷管5，位于各固化沉淀腔202侧壁的三组第一喷管5由上到下依次间隔布置，每组第一喷管5均包括横向依次间隔布置的多个第一喷管5。
39.每个固化沉淀腔202内部的第一喷管5均采用规则排布的方式，能够实现液态二氧化碳在采集罩壳21内侧均匀喷射，与采集罩壳21内侧的羽流充分且均匀混合，加速羽流尘埃沉降，有效消除羽流外溢及扩散的可能。
40.同侧各第一喷管5均与采集罩壳21内部的第一流道211相通，第一流道211通过位于采集罩壳21上方的第一高压导流管51与中继加压仓相连通。位于采集罩壳21顶部的各第一喷管5的开口均朝下，位于采集罩壳21侧壁上的各第一喷管5的开口均向内倾斜布置。各所述射流喷头22的下端均高于采集罩壳21的底面。
41.所述中继加压仓通过二氧化碳输入管道6与水面支持母船上的二氧化碳制备装置相连，通过二氧化碳输入管道6向中继加压仓内输送液态二氧化碳，中继加压仓对送液态二
氧化碳加压成形高压液态二氧化碳，通过第一高压导流管51和第一流道211向所有第一喷管5泵送高压液态二氧化碳，在采集罩壳21内侧喷射。
42.侧边喷射装置3有两个，对称设置在采矿车1左右两侧的履带上方，各侧边喷射装置3均与中继加压仓相连相通。所述侧边喷射装置3包括挡流板31和第二喷管32，所述挡流板31的一侧与采矿车1的车体固定相连，另一侧及尾部均为倾斜向下的折边部311。所述第二喷管32竖向设置在挡流板31的底部，且与中继加压仓管路连接。
43.所述第二喷管32设置有多组，且纵向依次间隔布置，每组第二喷管32均包括横向间隔排布的三个第二喷管32。各第二喷管32均与其上方挡流板31内部的第二流道312相通，第二流道312通过挡流板31内侧的第二高压导流管33与中继加压仓相连通。
44.采矿车行走过程中，在履带经过的海床位置激起羽流并扩散，采用折边结构的挡流板31能够起到抑制羽流向上扩散的作用，同时，中继加压仓将高压液态二氧化碳通过第二高压导流管33及第二流道312泵送至所有第二喷管32，通过第二喷管32喷射出的高压液态二氧化碳在羽流的上方形成覆盖层，对羽流进行扑盖并与其胶结形成固态二氧化碳水合物，快速沉降到海底，能有效解决矿车行走过程中羽流的扩散。
45.具体地，中继加压仓包括圆柱形的罐体，所述罐体固定安装在矿石存储仓11的内侧顶部，其上端口可通过二氧化碳输入管道6与水面支持母船相连。罐体内部设置有加压泵，所述加压泵有两个调压出口，通过两个调压出口分别向所有第一喷管5及所有第二喷管32泵送高压液态二氧化碳。
46.本发明一种利用二氧化碳的深海矿车羽状流抑制采集装置的大致工作过程如下：
47.采矿车1在海床面行走到达采矿作业区的过程中，所有第二喷管32连续向下喷射高压液态二氧化碳形成覆盖层，将履带行走激起的羽流进行扑盖，并与其结合形成固态二氧化碳水合物，快速沉降到海底，能有效解决矿车行走过程中羽流的扩散。
48.采矿车1到达采矿作业区后，位于导流板23下方的两组射流喷头22向海床面冲射高压水，泵吸管道4将冲射起的多金属结核抽吸至矿石存储仓11内。同时，所有第一喷管5向采集罩壳21的内侧喷射高压液态二氧化碳，高压液态二氧化碳与羽流充分混合并形成固态二氧化碳水合物，有效解决羽流外溢及扩散的可能，使羽流快速沉降，冰封于深海底底部。采矿车1连续向前推进，实现对多金属结核的采集，解决了羽流扩散对海洋生态环境的破坏，保障了后续采矿作业的正常进行。
49.本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
50.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。
51.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。
52.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。