一种螺旋流吸矿选矿装置及其进行海水与矿物分离的方法
【技术领域】
[0001]本发明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及其进行海水与矿物分离的方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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，通过栗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栗进行提升，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。
【发明内容】
[0005]为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种螺旋流吸矿选矿装置及其进行海水与矿物分离的方法，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。
[0006]本发明之另一目的在于提供一种螺旋流吸矿选矿装置及其进行海水与矿物分离的方法，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。
[0007]为达上述及其它目的，本发明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:
[0008]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；
[0009]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。
[0010]进一步地，所述新型螺旋吸矿装置包括普通吸矿头(I)和螺旋导流板(2)，所述普通吸矿头(I)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。
[0011]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，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)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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]进一步地，所述淤泥出口(4)为4个。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]进一步地，该二级旋流分离器数量为5-10个，且对称布置。
[0018]为达到上述目的，本发明还提供一种利用所述的螺旋流吸矿选矿装置进行海水与矿物分离的方法，包括如下步骤:
[0019]步骤一，前端新型螺旋吸矿装置通过螺旋导流板诱导漩涡，然后经过较短的管道后进入后续的旋流分离装置准备进行分离工作。
[0020]步骤二，在旋流分离装置当中，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，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。
[0021]与现有技术相比，本发明一种螺旋流吸矿选矿装置及其进行海水与矿物分离的方法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；同时本发明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】
[0022]图1为本发明一种螺旋流吸矿选矿装置的俯视图；
[0023]图2为本发明一种螺旋流吸矿选矿装置的侧视图；
[0024]图3为本发明一种螺旋流吸矿选矿装置的正视图；
[0025]图4为本发明一种螺旋流吸矿选矿装置的总体简图；
[0026]图5为本发明一种螺旋流吸矿选矿装置的分离装置诱导旋流原理图；
[0027]图6为本发明一种利用上述螺旋流吸矿选矿装置进行海水与矿物分离的方法的步骤流程图。
【具体实施方式】
[0028]以下通过特定的具体实例并结合【附图说明】本发明的实施方式，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发明的其它优点与功效。本发明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，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0029]如图1-图5所示，本发明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(I)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(I)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，