二氧化碳射流制造温差效应的富钴结壳开采系统及方法

1.本发明涉及深海海底富钴结壳开采技术领域，具体涉及一种二氧化碳射流制造温差效应的富钴结壳开采系统及方法。


背景技术：

2.富钴结壳富含钴、镍、锌、铅、铈、铂等金属，其钴含量能到到陆地原生钴矿的几十倍，铂的平均含量也是陆地矿的80倍，具有极高的开采价值。富钴结壳主要赋存于水深800～3000m的海山、岛屿斜坡上，环境水深约为8～30mpa，以最有开采前景的结壳富集区域中西太平洋海山区(包括麦哲伦海山区、马库斯海脊、威克海山、马绍尔海山链和恩莱海山链)的矿点普查资料海山上矿体上部边界贯穿有孔虫发育场，下部边界由黏土和粉沙发育场，结壳基岩50％～65％为玄武岩、火山碎屑岩和石灰岩，少部分为角砾岩黏土与粉沙。由此可知，富钴结壳开采需要面临将富钴结壳从更硬或者更软的基岩上剥离，同时尽量不损伤基岩的难题。
3.目前有关海底富钴结壳开采方面的研究报道主要有：
4.cn103551231b公开了一种脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法，脉冲破碎机构包括安装盘以及安装在安装盘上的多组成对安装的脉冲电极；每组脉冲电极包括一个正电极和一个接地电极；脉冲电极通过电缆与脉冲电源相连；脉冲电极包括电极本体和包裹住该电极本体的绝缘体，且电极本体的尖端部分从绝缘体的底部伸出；绝缘体的中段设有法兰，脉冲电极置于安装盘内带有限位台阶的安装孔中；安装孔的上端设有螺纹透盖，在螺纹透盖与法兰之间设有弹簧。
5.cn214062951u公开了一种海底结壳矿体破碎装备，包括切割装置、液压冲击装置、行走装置及海底中继器；行走装置能在海底进行行走，切割装置和液压冲击装置分别安装在行走装置的前端和后端；切割装置和液压冲击装置分别用于对矿体切割分区和冲击破碎，所述的行走装置通过供电和通讯缆与海底中继器连接，海底中继器设有供缆绞车，供电和通讯缆绕在供缆绞车上。
6.cn110454166a公开了一种海底矿产资源富钴结壳的采矿头，用于切削并收集深海中的富钴结壳薄层矿。该采掘头主要由水力式采集机构、安装盘、液压减震器、刀盘、刀盘安装轴颈和轴承系统组成。该采掘头安装在海底作业车上，作业车带动采掘头移动。液压马达驱动安装盘绕其中心轴转动，三个旋转刀盘绕自身中心轴转动，利用高速的转速切削结壳使得结壳与基岩分离，三个刀盘配合旋转将剥离下的结壳块集中于采掘头的中心部位；水力式采集机构产生负压，将结壳块随水流吸入水力式采集机构的料仓中，具有集矿效率高、微地形敏感等特点。
7.上述现有技术中，cn103551231b公开的一种脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法中，主要是利用了电磁脉冲技术的破岩方法，这种方法涉及复杂电路，这些电气设备在深海环境中，有很高的耐压及密封性要求，而且因为需要进行充放电，不能实现连续破岩，影响效率，且充放电设备的寿命问题难以解决；cn214062951u公开的一种海底结壳
矿体破碎装备中，主要是利用机械切割与液压冲击破岩采集的方法，其具有技术成熟结构简单的优点，但是在深海高盐环境下，金属零部件极易腐蚀，耐久度差，且切割过程中会产生大量的微米级微尘颗粒、噪音，形成羽状流扩散，影响海底生态环境；cn110454166a公开的一种海底矿产资源富钴结壳的采矿头中，主要是采用了机械切削与水力采集技术结合的方法，该方法在一定程度上减少了金属零部件的使用，利用水力代替金属部件，但同样存在着机械部容易被海底异物卡住造成故障的问题，同时其水力采集在深海高压浸没环境下冲击力大大降低。
8.综上所述，上述现有技术中的方法都难以高效地解决从基岩上破碎、剥离、采集富钴结壳的问题。


技术实现要素：

9.本发明的目的之一在于提供一种二氧化碳射流制造温差效应的富钴结壳开采系统，其利用岩石温度效应原理，通过不同状态的二氧化碳射流，实现海底富钴结壳高效绿色的剥离破碎采集。
10.为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
11.一种二氧化碳射流制造温差效应的富钴结壳开采系统，包括气源提供系统、运输系统和位于深海海底的富钴结壳采集系统，所述的气源提供系统与所述的运输系统连接；
12.所述的富钴结壳采集系统包括行走器、中继装置、加热流体制备装置、冷却流体制备装置、二氧化碳流体制备装置以及采集头射流采集装置，所述的中继装置安装在所述的行走器上，所述的中继装置与所述的运输系统连接，通过所述的运输系统将二氧化碳运送并临时储存在所述的中继装置中，所述的中继装置的二氧化碳的压力≧7.3mpa；
13.所述的中继装置分别与所述的加热流体制备装置、冷却流体制备装置、二氧化碳流体制备装置连接；所述的采集头射流采集装置包括第一射流头、第二射流头、混合室以及吸力管，所述的第一射流头和第二射流头分别位于采集头射流采集装置的一端，且第一射流头在第二射流头前排，所述的混合室位于所述的第二射流头的后端；
14.所述的加热流体制备装置用于将中继装置提供的二氧化碳进行加热，使其达到超临界二氧化碳形成的条件，然后继续对其进行加热，将加热温度下的高温超临界二氧化碳送入所述的第一射流头内，从所述的第一射流头喷出；
15.所述的冷却流体制备装置用于将高硬度砂与中继装置提供的二氧化碳混合，通过冷凝至-56.6℃以下形成固态干冰，并将固态干冰破碎成颗粒后送入所述的混合室；
16.所述的二氧化碳流体制备装置用于将中继装置提供的二氧化碳进行增压，加压至7.37mpa以上形成高密度液态二氧化碳，并送入所述的混合室；
17.位于混合室内的低温流体和高压射流流体经过混合后，快速送入所述的第二射流头内，从所述的第二射流头喷出；
18.所述的吸力管用于对经过破碎后的富钴结壳进行采集。
19.上述技术方案直接带来的有益技术效果为：
20.上述的富钴结壳采集系统，其通过安装在行走器上的中继装置、加热流体制备装置、冷却流体制备装置、二氧化碳流体制备装置和采集头射流采集装置，共同配合，可以实现对海底富钴结壳的高效绿色采集。具体的：通过采集头射流采集装置的第一射流头喷出
经过加热流体制备装置得到的高压高温的超临界二氧化碳，这种状态的二氧化碳由于黏性极小，具有极强的渗透性，在压力的作用下，可以均匀地渗入富钴结壳这类具有明显孔隙发育的多孔介质岩体，令其受热产生膨胀；通过采集头射流采集装置的第二射流头喷射带有高硬度砂与干冰碎屑的高压低温液态二氧化碳，随着行走器前进，富钴结壳受热冷交替，内部产生温度应力，萌生破坏裂隙，在裹挟着高硬度砂磨料的高压液态二氧化碳的高压冲击下，富钴结壳即可被剥离破碎，破碎后的矿石随着中部吸力管被吸走，完成富钴结壳的剥离破碎与采集。
21.总言之，上述技术方案，主要是利用了超临界二氧化碳的高温性、高渗透性，干冰的低温性，以及富钴结壳和基岩具有不同的热胀冷缩特性，首先通过第一射流头对富钴结壳采用热胀冷缩致裂，然后再通过第二射流头辅以磨料冲击，达到了准确剥离的效果，适用于深海环境。
22.作为本发明的一个优选方案，所述的中继装置包括中继存储罐和加压机构，所述的加压机构用于对运输系统输送来的二氧化碳进行加压。
23.上述技术方案中，由于通过运输系统运输到达位于深海的中继装置时，气态二氧化碳已转变为液态二氧化碳，因此通过设置加压机构对其进行加压并确保二氧化碳压力≧7.3mpa，之后通过中继装置对达到压力条件的二氧化碳进行临时储存备用。
24.作为本发明的另一个优选方案，所述的加热流体制备装置包括输送管道一、单向控制阀一、加热室和单向控制阀二，所述的输送管道一的一端连接在所述的中继存储罐的出口一，另一端连接在所述的第一射流头上，所述的单向控制阀一和单向控制阀二分别设置在靠近中继存储罐和第一射流头一侧的输送管道一上，所述的加热室位于所述的单向控制阀一和单向控制阀二之间，所述的加热室加热至温度为31.1℃时形成超临界二氧化碳形成的条件，之后继续对其进行加热至温度为65～75℃。
25.上述技术方案中，加热流体制备装置的目的是获得高温超临界二氧化碳，当温度高于31.1摄氏度，压力高于7.3mpa时，二氧化碳便进入到了超临界状态，通过加热室对中继装置中储存的压力大于7.3mpa的二氧化碳进行加热，达到超临界状态后，继续加热，加热至温度为65～75℃，以形成高温超临界二氧化碳。
26.进一步的，所述的冷却流体制备装置包括输送管道二、单向控制阀三、高硬度砂混合室、降温凝固室以及破碎室，所述的输送管道二的一端连接在所述的中继存储罐的出口二，另一端连接在所述的混合室，所述的单向控制阀三设置在靠近中继存储罐一侧的输送管道二上，所述的高硬度砂混合室、降温凝固室和破碎室依次并排设置，所述的高硬度砂混合室在靠近单向控制阀三的一侧，所述的破碎室在靠近混合室的一侧。
27.进一步的，所述的二氧化碳流体制备装置包括输送管道三、单向控制阀四、二氧化碳增压室以及单向控制阀五，所述的输送管道三的一端连接在所述的中继存储罐的出口三，另一端连接在所述的混合室，所述的单向控制阀四和单向控制阀五连接在输送管道三上，所述的二氧化碳增压室设置在单向控制阀四和单向控制阀五之间。
28.进一步的，所述的吸力管还连接有吸力泵，通过所述的吸力泵产生的吸力对破碎后的富钴结壳进行采集。
29.进一步的，所述的运输系统包括运输管道，所述的运输管道包括管道本体，在所述的管道本体内穿插有脐带缆，所述的脐带缆通过阻尼固定装置固定在所述的管道本体的中
心位置；所述的管道本体由抗拉伸材料制成。
30.进一步的，所述的高硬度砂的莫氏硬度大于7，所述的高硬度砂选用粒度为60～150目的二氧化硅、氧化铝或石榴石。
31.进一步的，所述行走器为海底矿车，所述的中继装置安装在海底矿车的尾部；所述的第一射流头和第二射流头交错设置，二者的射流目标不同靶。
32.本发明的另一目的在于提供一种二氧化碳射流制造温差效应的富钴结壳开采方法，依次包括以下步骤：
33.s1、气源提供系统通过所述的运输系统向中继装置提供二氧化碳，当气源提供系统提供的气态二氧化碳到达位于深海的中继装置时，其转变为液态二氧化碳，对其进行加压并确保二氧化碳压力≧7.3mpa；通过中继装置对达到压力条件的二氧化碳进行临时储存；
34.s2、中继装置中储存的二氧化碳进入加热流体制备装置中，对其进一步加热，在达到超临界二氧化碳的形成条件大于31℃后继续加热一段时间达到65～75℃，形成高温超临界二氧化碳，将高温超临界二氧化碳送入所述的第一射流头内，所述的第一射流头喷出，对富钴结壳进行加热；
35.s3、中继装置中储存的二氧化碳进入冷却流体制备装置中，降温后与硬质砂磨料混合后，冷凝至-56.6℃以下制成掺有硬质砂的干冰，之后将掺有硬质砂的干冰搅碎成颗粒状，将其送入混合室中；
36.s4、中继装置中储存的二氧化碳进入到二氧化碳流体制备装置中，加压至7.37mpa以上形成高密度液态二氧化碳，并送入所述的混合室；与步骤s3中掺有硬质砂的干冰混合；
37.s5、混合室中得到的带有硬质砂与干冰颗粒的高压低温液态二氧化碳从第二射流头喷出，随着行走器前进，富钴结壳受热冷交替，内部产生温度应力，萌生破坏裂隙，在裹挟着硬质砂磨料的高压液态二氧化碳的高压冲击下，富钴结壳即可被剥离破碎，破碎后的富钴结壳从吸力管被吸走，完成富钴结壳的剥离破碎与采集。
38.与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
39.(1)本发明利用富钴结壳与基岩具有不同的孔隙率以及不同的热膨胀率的特点，对富钴结壳进行破碎与剥离，这种剥离方法对基岩的损伤小，也不必设置切割高度控制系统。
40.(2)通过冷热交替使得富钴结壳内部产生裂隙，再加上磨料流体冲击的剥离破碎方式，结核破碎块径较大，磨料粒径重量大容易沉降，在破碎过程中不会产生细微粒径颗粒，不会形成羽状流对海底环境造成污染。
41.(3)脐带缆包裹在二氧化碳输送管道中，二氧化碳为惰性气体，可以对脐带缆起到保护作用，减少海水对脐带缆的腐蚀，降低脐带缆断裂或者漏电的风险，同时还可以对脐带缆起到降温的作用。
42.(4)硬质砂作为磨料与二氧化碳混合后再制成干冰，硬质砂可以作为凝结核，降低二氧化碳凝固温度，比纯二氧化碳制成干冰更节省能源。
43.(5)射流介质采用二氧化碳，充分利用不同状态二氧化碳的特点：超临界二氧化碳高温、低粘度、高渗透性的特性，可以更好地对富含孔隙的富钴结壳进行加热；高密度二氧化碳比水密度大，提供更大的冲击力以及干冰低温的特性，大部分会通过形成碳湖、水合物
的形式留存在海底，实现二氧化碳的封存。
44.(6)对于一些密度低孔隙发育的岩石，70℃的温差即可产生明显裂纹破坏，不同的岩石具有不同的热胀系数，其温差效应也不同。本发明利用这一特点，形成大于70℃的温差，可以对富钴结壳进行破裂剥离。
45.综上所述，本发明利用岩石温度效应原理，通过不同状态的二氧化碳射流，可实现对海底富钴结壳高效绿色的剥离破碎采集。本发明开采系统能够主动适应结壳厚度变化，减少对基岩的损坏与碎屑扬尘的环境影响，并将二氧化碳尾气直接封存在深海，实现碳封存，具有高效环保的特点。
附图说明
46.下面结合附图对本发明做进一步说明：
47.图1为本发明富钴结壳开采方法流程图；
48.图2为本发明二氧化碳射流制造温差效应的富钴结壳开采系统整体结构示意图；
49.图3为本发明运输系统中运输管道的剖面结构示意图；
50.图4为本发明二氧化碳射流制造温差效应的富钴结壳开采系统局部结构示意图；
51.图5为采用本发明开采系统对结壳破碎剥离示意图；
52.图中：
53.1、运输系统，11、气源提供系统，12、运输管道，121、管道本体，122、脐带缆，123、阻尼固定装置，13、中继装置，131、加压机构，132、中继存储罐，2、加热流体制备装置，21、输送管道一，22、单向控制阀一，23、加热室，24、单向控制阀二，3、冷却流体制备装置，31、输送管道二，32、单向控制阀三，33、高硬度砂混合室，34、降温凝固室，35、破碎室，4、二氧化碳流体制备装置，41、输送管道三，42、单向控制阀四，43、二氧化碳增压室，44、单向控制阀五，5、采集头射流采集装置，51、第一射流头，52、混合室，53、吸力管，531、吸力泵。
具体实施方式
54.本发明提出了一种二氧化碳射流制造温差效应的富钴结壳开采系统及方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
55.本发明中所述及的“高温超临界二氧化碳”是指温度为65～75℃的超临界二氧化碳。
[0056]“高硬度砂”是指：莫氏硬度大于7，如选用粒度为60～150目的二氧化硅、氧化铝或石榴石。
[0057]“高压射流流体”是指通过增压装置增压形成高密度液态二氧化碳，压力是指7.37mpa以上。
[0058]“低温流体”是指温度在-30～-50℃的流体，是利用高压高密度二氧化碳流体利用压力裹挟固态干冰、砂颗粒形成的混合流体。
[0059]
本文中所述及的中继装置的二氧化碳的压力≧7.3mpa，是指绝对压力。
[0060]
本发明主要是利用岩石温度效应原理，通过不同状态的二氧化碳射流，可实现对海底富钴结壳高效绿色的剥离破碎采集，需要强调的是，上述技术方案的应用场景是深海环境中，由于超临界二氧化碳比水介质要轻，所以不适宜单纯用二氧化碳冲击，这样会产生
极大地能量消耗，达不到本技术所要解决的技术问题。
[0061]
结合图2至图4所示，本发明一种二氧化碳射流制造温差效应的富钴结壳开采系统，包括气源提供系统11、运输系统1和位于深海海底的富钴结壳采集系统。
[0062]
其中：气源提供系统11与运输系统连接，气源提供系统11如采用位于海面的气源提供设备，该气源提供设备以释放储存或直接从陆地输运的形式提供二氧化碳气源。
[0063]
运输系统1，主要作用是将气源提供系统提供的气态二氧化碳输送至位于深海海底的富钴结壳采集系统，运输系统1包括运输管道12，如图3所示，运输管道包括管道本体121，管道本体121由较强抗拉伸材料制作而成，在管道本体121中间穿插有脐带缆122，脐带缆122通过阻尼固定装置123固定在管道本体的中心位置，避免由于运输管道运动造成两者摩擦。
[0064]
富钴结壳采集系统包括行走器、中继装置13、加热流体制备装置2、冷却流体制备装置3、二氧化碳流体制备装置4以及采集头射流采集装置5。
[0065]
行走器即为可移动的海底矿车，将中继装置13、加热流体制备装置2、冷却流体制备装置3、二氧化碳流体制备装置4以及采集头射流采集装置5均安装在该海底矿车上，以实现对海底矿物的开采，海底矿车的结构，借鉴现有技术即可实现。
[0066]
中继装置13安装在海底矿车的尾端，中继装置与运输系统连接，通过运输系统将二氧化碳运送并临时储存在中继装置中，中继装置的二氧化碳的压力≧7.3mpa。
[0067]
如图4所示，中继装置包括加压机构131和中继存储罐132，当二氧化碳到达深海时，由于深海压强及温度，已经成为液态，加压机构131用于对运输系统输送来的二氧化碳进行加压，通过加压确保其压力达到7.3mpa以上，通过中继存储罐132为来临时储存二氧化碳。中继存储罐132设置三个出口，分别为出口一、出口二、出口三，三个出口分别连接三条平行的输送管道一21、输送管道二31和输送管道三41，输送管道一21的一端连接在中继存储罐的出口一，输送管道一的另一端连接在第一射流头51上，输送管道一上分别设置有单向控制阀一22、加热室23和单向控制阀二24，单向控制阀一和单向控制阀二分别设置在靠近中继存储罐和第一射流头一侧的输送管道一上，加热室位于单向控制阀一和单向控制阀二之间，加热室加热至温度为31℃时形成超临界二氧化碳形成的条件，之后继续对其进行加热至温度为65～75℃，以形成高温超临界二氧化碳。
[0068]
上述的输送管道一21、单向控制阀一22、加热室23和单向控制阀二24共同构成加热流体制备装置，通过加热室加热形成高温超临界二氧化碳，高温超临界二氧化碳通过单向控制阀二24流向第一射流头51。
[0069]
所述的冷却流体制备装置用于将高硬度砂与中继装置提供的二氧化碳混合，通过冷凝至-56.6℃以下形成固态干冰，并将固态干冰破碎成颗粒后送入所述的混合室；冷却流体制备装置包括输送管道二31、单向控制阀三32、高硬度砂混合室33、降温凝固室34以及破碎室35，输送管道二的一端连接在中继存储罐的出口二，另一端连接在所述的混合室，单向控制阀三设置在靠近中继存储罐一侧的输送管道二上，所述的高硬度砂混合室、降温凝固室和破碎室依次并排设置，所述的高硬度砂混合室在靠近单向控制阀三的一侧，破碎室在靠近混合室的一侧。
[0070]
进入冷却流体制备装置的二氧化碳，通过输送管道二31流经单向控制阀三32、进入二氧化碳与高硬度砂混合室33，与高硬度砂混合，然后进入降温凝固室34凝固形成固态
干冰，之后进入破碎室35破碎成颗粒后流向采集头射流采集装置5的混合室52。
[0071]
二氧化碳流体制备装置用于将中继装置提供的二氧化碳进行增压，加压至7.37mpa以上形成高密度液态二氧化碳，并送入所述的混合室；二氧化碳流体制备装置包括输送管道三41、单向控制阀四42、二氧化碳增压室43以及单向控制阀五44，输送管道三的一端连接在中继存储罐的出口三，另一端连接在混合室52，单向控制阀四和单向控制阀五连接在输送管道三上，二氧化碳增压室设置在单向控制阀四和单向控制阀五之间。进入二氧化碳流体制备装置的二氧化碳，通过输送管道三41流经单向控制阀四42进入二氧化碳增压室43，进行增压并形成高密度液态二氧化碳，流经单向控制阀五44，后流向采集头射流采集装置5的混合室52。
[0072]
采集头射流采集装置5，包括第一射流头51、混合室52、吸力管53以及吸力泵531，第一射流头51连接加热流体制备装置，喷射高温超临界二氧化碳对矿物富钴结壳进行加热，混合室52位于第二射流头后端，混合室连接冷却流体制备装置和二氧化碳流体制备装置，喷射混有干冰、高硬度砂磨料的高密度液态二氧化碳，干冰产生低温，造成富钴结壳龟裂，磨料与高密度二氧化碳的冲击力沿着破碎裂隙对富钴结壳进行进一步破碎剥离，吸力管53通过吸力泵531产生的吸力对破碎后的矿石进行采集，完成海底富钴结壳的低扰动绿色采集。
[0073]
如图1所示，下面结合上述开采系统对本发明开采方法做详细说明。
[0074]
步骤一、气源提供系统通过运输系统向中继装置提供二氧化碳，当气源提供系统提供的气态二氧化碳到达位于深海的中继装置时，其转变为液态二氧化碳，通过加压机构室对其进行加压并确保二氧化碳压力≧7.3mpa；通过中继装置对达到压力条件的二氧化碳进行临时储存；
[0075]
步骤二、中继装置中储存的二氧化碳进入加热流体制备装置中，对其进一步加热，在达到超临界二氧化碳的形成条件大于31℃后通过加热室继续加热一段时间达到65～75℃，形成高温超临界二氧化碳，将高温超临界二氧化碳送入所述的第一射流头内，所述的第一射流头喷出，喷出的高温超临界二氧化碳，这种状态的二氧化碳由于黏性极小，具有极强的渗透性，在压力的作用下，可以均匀地渗入富钴结壳这类具有明显孔隙发育的多孔介质岩体，令其受热产生膨胀；
[0076]
步骤三、中继装置中储存的二氧化碳进入冷却流体制备装置中，降温后与硬质砂磨料混合后，冷凝至-56.6℃以下制成掺有硬质砂的干冰，之后将掺有硬质砂的干冰搅碎成颗粒状，将其送入混合室中；
[0077]
步骤四、中继装置中储存的二氧化碳进入到二氧化碳流体制备装置中，加压至7.37mpa以上形成高密度液态二氧化碳，并送入所述的混合室；与步骤三中掺有硬质砂的干冰混合；
[0078]
步骤五、如图5所示，混合室中得到的带有硬质砂与干冰颗粒的高压低温液态二氧化碳从第二射流头喷出，随着行走器前进，富钴结壳受热冷交替，内部产生温度应力，萌生破坏裂隙，在裹挟着硬质砂磨料的高压液态二氧化碳的高压冲击下，富钴结壳即可被剥离破碎，破碎后的富钴结壳从吸力管被吸走，完成富钴结壳的剥离破碎与采集。
[0079]
本发明中所述及的加热室、高硬度砂混合室、降温凝固室、破碎室、二氧化碳增压室其具体的结构及工作方式借鉴现有技术即可实现，本文不再详细冗述。
[0080]
本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
[0081]
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。