一种海底集矿系统的矿物海泥分离装置及其方法与流程

本发明涉及一种海底集矿系统，具体涉及一种海底集矿系统的矿物海泥分离装置及其方法。

背景技术：

海洋矿产已经成为国家能源战略重点关注的重要资源。目前的深海采矿装置大多采矿效率低，可靠性差；且现有的集矿水箱存在排出污水流速大水中浑浊度高，对海底环境破坏严重。

现有的海底集矿装置一般只配置简单设计的水箱，从吸头进来的矿粒伴随着大量海底海泥直接进入水箱中；海泥在箱体内的堆积会使水箱集矿量减小，箱体内流速降低，从而极大减小采矿效率；由于矿粒需要通过管道输送到中继仓，如果矿粒太大，则会导致管道阻塞；另外，由于海底生态环境很脆弱，从水箱排出的海泥会大量扩散，对周围的生态环境造成极大破坏。同时，对于现有的海底集矿装置，一般都是由人工进行清洗、集矿等操作，考虑到深海的环境，这一过程的人力成本巨大。

综上，现有技术的缺点和不足：

1)水箱无法实现矿粒、海泥、水的分离。

2)水箱不能在完成采矿的情况下保证水流过水箱的流速均匀且相对快速，影响了采矿效率。

3)现有水箱设计没有很好地实现矿粒和海泥的分离，更没有考虑到海底生态环境的脆弱性，未将被搅动起来的海泥收集，而是直接排放，造成对环境的极大破坏。

4)矿粒颗粒太大导致连接中继仓的管道阻塞。

5)水箱控制系统都没有设置智能反馈，无法进行智能控制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种海底集矿系统的矿物海泥分离装置及其方法，实现矿粒，海泥，水的分离；水箱可以收集采集过程中吸入的海泥，使用可降解集装袋聚集海泥之后进行沉降，再慢慢排到海床，从而减小对海底环境的破坏；水箱设置有激光传感器构成的传感器系统，检测水箱内收集物的高度，描绘水箱内集矿程度，同时使用通信模块向中继仓服务器传输信号，控制抽取矿粒的水泵工作，抽吸管道中的矿粒进入中继仓；智能的传输海底矿物，也可检测沉积于箱体底部的海泥高度与厚度，完成自动排出海泥等控制行为；水箱经过特殊的结构设计：水箱外部框架耐高压环境，适应海底的环境，内部结构设计采用流线型形状，同时使用流体力学软件的分析，保证箱体内流速达到最大，避免箱体内水体流动时产生漩涡，造成不必要的能量损失，提高采矿效率；与海泥分离的矿粒进入粉碎装置粉碎，防止矿粒在管道中传输时堵住管道。

本发明采取以下技术方案：

一种海底集矿系统的矿物海泥分离装置，包括：过滤箱外壳1，所述外壳前端设有进水口5，后端设有出水口6，出水口6外接水泵；进水口5下方设有带有第一门板的矿粒出口3；矿粒出口3下方设有带有第二门板的海泥出口4；与矿粒出口3下缘平齐的第一过滤网20，对出水口6进行阻隔的第二过滤网21；与第一门板对应的由外力驱动的第一推板7，与第二门板对应的由外力驱动的第二推板8；在第一过滤网20上方设定距离设置的与第一推板7信号连接的第一激光传感器23，在第一过滤网20下方设定距离设置的与第二推板8信号连接的第二激光传感器24；与矿粒出口3连接的矿粒粉碎机。

进一步的，所述矿粒粉碎机外接集矿箱；所述第一推板7、第二推板8由液压缸装置通过推杆驱动。

进一步的，所述第二门板与外壳前端转动连接，第二门板可沿外壳前端向上翻转，第二门板最前端设有用于翻转时，将海泥集装袋展开的外侧钩子33。

进一步的，所述矿粒粉碎机顶部具有粉碎机颗粒入口，下部侧面具有粉碎机颗粒出口，内部设有齿轮29，齿轮一侧具有滑板30，滑板30上设有与齿轮29啮合的凸起31，齿轮另一侧具有挡矿板32。

进一步的，第二门板8打开的过程中带动外侧钩子33，外侧钩子33使袋子的口打开；第二推板8将海泥推入袋子，当袋子中的海泥量达到一定的重量之后，在重力的作用下袋子脱落，缓慢的掉到海床上。

更进一步的，外侧钩子33在第二门板8关闭时又嵌入下一个袋子的硬质把手27；袋子的入口处设计了一个梯形台，使得装入袋子的海泥不会轻易从里面掉出来，袋子的把手是硬质的，每个最底部的袋子把手都自然垂下，以便于钩子勾取实现套装机制的连续性。

更进一步的，在过滤箱外壳1的下部伸出两根小柱子，将袋子的两个孔穿入柱子，柱子下端有用于卡住袋子的机构，使得袋子不会轻易掉下。

进一步的，第一推板7的边缘一面具有被切削结构，在第一推板7收回的过程中，如果碰到矿粒，第一推板7会因为矿粒的阻挡被推到与杆件共线的状态，避免其被颗粒物阻挡而无法收回，在回到杆件的初始位置之后，由于水流的作用或是再次工作时矿粒的作用，切削面法线方向的受力会分解为沿着削切面和垂直于削切面，两个分力会使第一推板7由与杆件共线恢复到与杆件垂直的状态。

一种上述的海底集矿系统的矿物海泥分离装置的工作方法，打开水泵，外接吸头将矿粒吸入水箱，由于重力作用，矿粒会掉在离进水口较近的位置，海泥则会掉在离进水口较远的位置，它们都掉在水平放置的第一过滤网20上，第一过滤网20的孔径较小，使得海泥能够通过第一过滤网20进入到水箱的下部，而矿粒则无法通过；当第一过滤网20上面的矿粒达到一定高度时，第一激光传感器23射出的激光受到阻挡，由第一激光传感器23控制的液压缸开始工作，液压缸使第一推板7将矿粒推向第一门板处，第一门板打开，矿粒达到出口下方的矿粒粉碎装置26中，同时第一门板关闭；矿粒粉碎装置的齿轮29，在挤压力的作用下将矿粒粉碎成为小型颗粒物；通过与矿粒粉碎装置出口相连地泵将粉碎之后的矿粒吸到中继仓中储存起来；由于矿粒颗粒物颗粒小，管道不会被阻塞；当第一过滤网20下面的海泥堆积到一定高度时，阻挡第二激光传感器24，由第二激光传感器24反馈信号并控制的液压缸开始工作，液压缸使第二推板8将海泥推向第二门板处，此时第二门板打开，外侧钩子33处于钩在袋子25的硬质把手27中，第二门板8打开的过程中带动外侧钩子33，外侧钩子33使袋子的口打开；第二推板8将海泥推入袋子，当袋子中的海泥量达到一定的重量之后，在重力的作用下袋子脱落，缓慢的掉到海床上。

本发明的应用效果在于：

1)实用高效：实现矿粒，海泥，水的分离；

2)环境友好：水箱可以收集采集过程中吸入的海泥，使用可降解集装袋聚集海泥之后进行沉降，再慢慢排到海床，从而减小对海底环境的破坏；

3)自动化控制：水箱设置有激光传感器构成的传感器系统，检测水箱内收集物的高度，描绘水箱内集矿程度，同时使用通信模块向中继仓服务器传输信号，控制抽取矿粒的水泵工作，抽吸管道中的矿粒进入中继仓；智能的传输海底矿物，也可检测沉积于箱体底部的海泥高度与厚度，完成自动排出海泥等控制行为；

4)水箱经过特殊的结构设计。水箱外部框架耐高压环境，适应海底的环境；内部结构设计采用流线型形状，同时使用流体力学软件的分析，保证箱体内流速达到最大，同时避免箱体内水体流动时产生漩涡，造成不必要的能量损失。提高了采矿效率；

5)与海泥分离的矿粒进入粉碎装置粉碎，防止矿粒在管道中传输时堵住管道。

附图说明

图1是本发明海底集矿系统的矿物海泥分离装置整体原理图。

图2是过滤箱的整体示意图。

图3是第一过滤网的示意图。

图4是第二过滤网的示意图。

图5是过滤箱内部结构示意图。

图6是过滤箱内部部分结构示意图。

图7是第一、第二推板的结构示意图。

图8是第一、第二推板伸出状态俯视图。

图9是第一、第二推板回收状态俯视图。

图10是过滤箱内部部分结构示意图。

图11是过滤箱剖视图。

图12是第二门板打开时，外侧钩子勾住袋子的示意图。

图13是袋子的轴测图。

图14是袋子的剖视图。

图15是矿粒粉碎示意图。

图中，1：箱子外壳，2：箱子顶部，3：矿粒出口，4：海泥出口，5：进水口，15：第二挡板，25：海泥集装袋，6：出水口，7：第一推板，8：第二推板，11：液压缸储存位置，9：与第二过滤网配合的网槽，10：与第一过滤网配合的网槽，15：角度限位小凸台，使其只能在90度范围内旋转，22：连接推板与液压缸的推杆，23：第一激光传感器，24：第二激光传感器，27：袋子的硬质把手，28：与箱子下部伸出的两根柱子配合的孔，30：滑板，31：凸起，32：挡矿板，29：齿轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参见图1-图15，分离装置包括长方体外壳，孔径均匀分布的第一过滤网20，孔径均匀分布的第二过滤网20，第一激光传感器23，第二激光传感器24，液压缸装置，外接集矿箱，第一推板7，第二推板8，第一门板，第二门板，外接水泵，可以转动的钩子，海泥集装袋，粉碎机矿粒入口，粉碎机矿粒出口，粉碎机转动齿轮29，与粉碎机转动齿轮29啮合的滑板30，滑板上的凸起31，粉碎机挡矿板32，第一推板7，第二推板8都具有单向可动性。

具体地，其工作原理是水箱的进水口5与外接的吸头相连，第一过滤网20将水箱分成上下两个部分，打开水泵，外接吸头将矿粒吸入水箱，由于重力作用，矿粒会掉在离进水口较近的位置，海泥则会掉在离进水口较远的位置，它们都掉在水平放置的第一过滤网20上，第一过滤网20的孔径较小，使得海泥能够通过第一过滤网20进入到水箱的下部，而矿粒则无法通过。水箱的另一端开有出水口6，出水口6与外接水泵连接，出水口的位置设有第二过滤网21，该第二过滤网21的作用是挡住水中没能够在重力作用下掉在第一过滤网20上的矿粒，避免其随着水进入水泵，对水泵造成破坏。当第一过滤网20上面的矿粒达到一定高度时，第一激光传感器23射出的激光受到阻挡，由第一激光传感器23控制的液压缸开始工作，液压缸使第一推板7将矿粒推向第一门板处，第一门板打开，矿粒达到出口下方的矿粒粉碎装置26中，同时第一门板关闭；矿粒粉碎装置地主要部分是一个不断转动的齿轮，可以在挤压力的作用下将矿粒粉碎成为小型颗粒物；通过与粉碎装置矿粒出口相连地泵将粉碎之后的矿粒吸到中继仓中储存起来。在这一过程中，由于矿粒颗粒物颗粒小，管道不会被阻塞。当第一过滤网20下面的海泥堆积到一定高度时，阻挡第二激光传感器24，由第二激光传感器24控制的液压缸开始工作，液压缸使第二推板8将海泥推向第二门板处。此时第二门板打开，外侧钩子33处于钩在袋子25的硬质把手27中，第二门板8打开的过程中带动外侧钩子33，外侧钩子33使袋子的口打开。第二推板8将海泥推入袋子，当袋子中的海泥量达到一定的重量之后，在重力的作用下袋子脱落，缓慢的掉到海床上，由于袋子的把手是硬质的，下一个袋子的把手自然下垂，外侧钩子33在第二门板8关闭时又嵌入下一个袋子的硬质把手27。为了顺利完成上述袋子装集海泥的过程，我们对袋子进行了特殊处理，袋子的入口处设计了一个梯形台，使得装入袋子的海泥不会轻易从里面掉出来，而袋子的把手是硬质的，每个放置于最底部的袋子把手都会由于重力作用自然下垂，以便于下一次钩子的勾取，实现了袋子的套装机制的连续性。另外，对袋子与箱子的连接处也进行特殊处理，使得袋子在收集到一定重量的海泥之后自动脱落。具体的，在箱子的下部伸出两根小柱子，将袋子的两个孔穿入柱子，柱子下端有用于卡住袋子的机构，使得袋子不会轻易掉下。这样就实现了矿粒，海泥，水的分离，也实现了可重复的海泥收集机制。考虑到矿粒可能会越过第一推板7，掉入第一推板7与液压缸之间的位置，使第一推板7无法收回，为此我们将推板设计成特殊形状，即第一推板7的边缘结构设计成特殊切削形状，即有一面被切削部分，在推板1收回的过程中，如果碰到矿粒，推板会因为矿粒的阻挡被推到与杆件共线的状态，避免其被颗粒物阻挡而无法收回，在回到杆件的初始位置之后，由于水流的作用或是再次工作时矿粒的作用，切削面法线方向的受力会分解为沿着削切面和垂直于削切面，两个分力会使第一推板7由与杆件共线恢复到与杆件垂直的状态。

传感器系统的具体工作原理如下：第一激光传感器23放置在进水口下端，矿粒出口的上端；激光传感器的一端发射出激光，另一端接收激光。当过滤网上的颗粒物堆积到一定高度时就会挡住激光，使接收器无法接收，此时触发液压缸工作，使第一推板7伸出，将颗粒物推出，此时，与水箱出水口连接的泵的功率被调低，不再高功率吸水，直到第一推板7将矿粒推出，与出水口连接的泵才又恢复正常功率工作。在颗粒物被推到矿粒出口时，第一门板打开，与粉碎装置矿粒出口连接的泵开始工作，将矿粒吸到中继仓储存起来；第二激光传感器24位于第一过滤网20的下面，海泥出口的上面，工作原理同第一激光传感器23，当海泥堆积到一定高度时，第二激光传感器23一端射出的激光被挡住，使得位于另一端的接收器无法接收到激光，此时液压缸开始工作，第二推板8被推出，将海泥缓慢的推到海泥出口，掉入已经打开的袋子中。

矿粒粉碎装置的工作原理如下：矿粒进入装置后沿着滑板30滑下，在遇到凸起31时接触到高速转动的齿轮29，齿轮29和凸起31挤压将矿粒粉碎。挡矿板32是防止矿粒溢出而设计的。粉碎机矿粒入口与水箱矿粒出口3之间用弯管连接。

本发明设计了一个海底集矿系统的矿物/海泥分离水箱，使其更加合理，高效，环保地处理采集的矿粒/海泥混合物。为此提出以下改进：该水箱采用特殊设计，外部结构坚固耐腐蚀，适合长期暴露在海底的环境中。内部采用符合流体力学的设计，降低流体流过阻力使得箱体内流速最大化，保证了分离效率。同时，水箱采用了有效的控制技术，使用传感器自动判断水箱填充情况，实现了自动化的控制；同时，采用了特殊的结构设计，将分离得到的海泥装入可降解的袋子中，当袋子中的海泥达到一定重量后沉入海底。这一举措可以极大地减小对海底环境的破坏。本发明相较于一般的过滤水箱，可以有效地实现矿粒、海泥、水的分离，实现自动化控制，对矿粒进行粉碎同时对海底环境友好。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。