技术领域
[0001] 本发明涉及深海采矿技术领域，具体涉及一种基于多级射流破涡的深海高效采矿系统。
相关背景技术
[0002] 海底矿产储量巨大、品位高，深海采矿具有巨大潜力。深海采矿融合了海底作业、水下输送、动力输配、中央控制、水面支持等作业系统，被视为主要国家科技竞争的前沿领域。深海矿产开采系统是深海采矿的关键技术装备，主要包括拖斗式采矿系统、连续线斗式采矿系统、海洋梭式采矿系统和管道提升式采矿系统4种主要技术形式。其中，拖斗式采矿系统存在操作难度大、采矿效率低的问题。连续线斗式采矿系统因经常发生矿斗缠绕事故而影响正常生产。海洋梭式采矿系统制造成本及电池成本较高。而管道提升式采矿系统具有可连续作业、成本相对较低、采矿效率高等优势，成为最有前途的商业化深海矿产开采系统。
[0003] 管道提升式采矿系统主要由采矿子系统、提升子系统、水面支持子系统(母船)、深排子系统组成。包括深海采矿船、举升泵、海底采矿车等关键核心装备。目前，各国采用不同系统方案经过多次模拟实验和试采，已将“海底集矿车—提升泵—提升硬管—水面支持系统”方案作为当前主流的采矿方法。
[0004] 目前，在管道提升式采矿系统操作中，射流技术是一种核心方法，用于从海底悬浮和提取矿物资源，如多金属结核。然而，现有的双排射流采集系统在实际操作中经常会引发强烈的涡旋现象，这些涡旋会显著影响结核颗粒的上升速度和效率，从而降低整体的采矿效率。涡旋可以改变流体中颗粒的运动状态，在涡旋的作用下，本应随流体被抽吸上升的矿物颗粒可能因为涡旋产生的局部逆流而被驱使向下移动，从而阻碍颗粒上升。
[0005] 因此，现在亟需对现有的采矿系统进行改进，以解决涡旋对整体采矿效率产生的负面影响。
具体实施方式
[0028] 为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
[0029] 如图1～3所示，本发明提供了一种基于多级射流破涡的深海高效采矿系统。包括采矿车9，所述采矿车9的前端设置有水力采集机构。所述水力采集机构包括采集罩1和设置于采集罩1内的双排射流组件、破涡辅助射流组件、泵吸管道7和冲采抽吸腔5。
[0030] 所述采集罩1为底部开放结构，其横向布置并通过机械臂安装在采矿车9的前侧。所述采集罩1的下端与海床面具有一定距离，保证其行进过程中多金属结核能够进入到采集罩1的正下方。采集罩1的顶部设有与冲采抽吸腔5对应的泵吸管道7，所述泵吸管道7与冲采抽吸腔5内部相通。所述采矿车9内还设置有矿石处理箱10，所述泵吸管道7的输出端与矿石处理箱10连接。
[0031] 双排射流组件射流头2设置在采集罩1的前端，通过位于采矿车9上的高压供水设备提供高压水。所述破涡辅助射流组件包括辅助射流头3，与辅助射流头3连接的辅助高压射流管8，所述辅助射流头3的射流方向为贴采集罩1的内壁倾斜向上。具体的，所述破涡辅助射流组件对向设置有两组，两组所述破涡辅助射流组件独立控制。靠近采集罩1右侧的辅助射流头3为附壁射流。辅助射流头3的设计为对准涡旋形成区，利用对向或旁向射流干扰原有涡旋的流动模式和降低上升流和两侧的压差，降低漩涡的发生可能性，增加流动的复杂性和降低压强差来削弱涡旋的强度。
[0032] 工作过程中，双排射流组件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7对冲采抽吸腔5内部抽吸，形成负压，冲采抽吸腔5内侧的多金属结核通过泵吸管道7被抽入矿石处理箱10内。
[0033] 所述采矿车9上设置有减阻剂混合箱14和减阻剂智能注入系统15，所述减阻剂智能注入系统15的输出端与减阻剂混合箱14连接，所述减阻剂混合箱14与辅助高压射流管8连接。
[0034] 破涡辅助射流组件的作用为在采集过程中射出含有减阻剂的高压水，减阻剂具有减少湍流强度的作用，用以减少涡旋对结核上升的影响，同时辅助射流头3的方向对向斜上侧，对结核提升有着促进作用，有利于加强结核采集效率。辅助射流头3通过辅助高压射流管8连接到高压水泵。高压水泵连接减阻剂混合箱14，在减阻剂混合箱14中设置有超声波搅拌器16，并添加表面活性剂，本实施例中表面活性剂为聚乙二醇，聚乙二醇的重量百分比为0.1％‑2.0％，优选0.5w％。可以帮助保持减阻剂在流体中的均匀分散，避免在储存或喷射过程中的沉积和聚集。
[0035] 在辅助高压射流管8设置有第一温度传感器6，减阻剂混合箱14中设置有第二温度传感器18，所述第一温度传感器6和第二温度传感器18的型号为WIKAT24，监测这些位置的温度对于评估减阻剂的热效应和确保流体温度适宜非常关键。为了保持减阻剂在合适的温度下，在减阻剂混合箱14内设置加热丝17，同时在射流系统的管道中使用绝热材料包覆，保证减阻剂混合和排放时候的温度。在辅助射流头3的上方设置密度粘度传感器(Emerson Micro Motion 7826/7828Fork Density Meter)和涡旋流量计4(Yokogawa DY025DigitalYEWFLO Vortex Flow Meter)，监测改变后的流体密度和粘度和涡旋的形成和强度对于评估减阻剂的效果和确保流体性质符合操作要求至关重要。
[0036] 在采集完成后对结核进行处理，高压喷头11位于矿石处理箱10上，结核采集上来后通过传送带12进行运输，在运输过程中对结核进行减阻剂混合水的冲击和破碎，破碎后的结核进入矿石储存仓13进行暂存，接下来可以通过水力提升将矿石提升进入海面母船，在此过程中，使用减阻剂可以显著降低流体在提升管道中的摩擦阻力。对于携带固体颗粒(如多金属结核)的矿浆来说，降低流动阻力意味着可以使用较低的泵送压力，从而减少了泵送设备的能量需求。这直接降低了整个提升过程的能源消耗，提高了能效，在降低了矿浆的流动阻力后，可以在相同的能耗下实现更高的流速，从而加快矿石的提升速度，增加生产效率。流体摩擦力的降低还有助于减少管道和泵的磨损。这不仅延长了设备的使用寿命，也减少了维护成本和可能的停机时间，从而提高了整体运营效率，减阻剂可以帮助改善含有固体颗粒的矿浆的流动性，减少管道中的沉积和堵塞问题。并且可以设计使用功率较低的泵，因为需要克服的流动阻力减小了。这可以在系统设计初期带来成本节约，在运行期间减少电力消耗，减少能耗和提高效率不仅降低了操作成本，也有助于减少采矿活动的环境影响。例如，降低能耗可以减少碳足迹，而设备的长寿命减少了废物和需要处理的废旧设备。
[0037] 本实施例的减阻剂为原胶和壳聚糖混合的多组分减阻剂，所述减阻剂包括重量百分比0.2％的黄原胶和重量百分比0.3％的壳聚糖，余量为水。黄原胶是一种天然多糖，由黄原杆菌发酵产生。它在食品和医药行业中作为增稠剂和稳定剂被广泛使用，同时也被应用于石油钻探作为减阻剂。黄原胶是完全生物可降解的，对环境友好，适合用在对环境影响敏感的应用中，壳聚糖是从壳类海生动物的壳中提取的一种天然多糖。它具有良好的生物相容性和生物降解性，且在水处理和医药领域中被认为是一种有效的絮凝剂和粘合剂。壳聚糖可以改善流体的流变特性，减少流体的阻力。在的辅助高压射流管8中的第一温度传感器6，采集罩1上密度粘度传感器和涡旋流量计4对涡流混合部分进行检测。
[0038] 所述减阻剂智能注入系统包括控制单元、泵送机构和流量计，所述控制单元与泵送机构连接，控制泵送机构的工作状态，所述泵送机构通过流量计与减阻剂混合箱连接，保证减阻剂量的准确输入。具体的，减阻剂组分储存箱连接到泵送机构，通过管道传输减阻剂。泵送机构通过流量计连接到减阻剂混合箱14，确保精确控制减阻剂的释放。第一温度传感器6、第二温度传感器18、密度粘度传感器和涡旋流量计4将监测到的数据发送至控制单元，根据实时数据调整泵的工作状态。控制单元管理整个系统的操作，包括泵的启动/停止、流量控制和故障诊断。
[0039] 以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
