基于超临界CO2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置和方法

基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置和方法
技术领域
1.本发明涉及海洋装备技术领域，具体涉及一种基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置和方法。


背景技术：

2.深海富钴结壳是深海战略矿产资源之一。富钴结壳中不仅蕴含锰、铁、镍、铜等金属元素，还富含钴、铂等珍贵金属元素，其中钴的含量是多金属结核中含量的4倍左右，比陆地原生钴矿石高出10倍，铂的平均含量高于陆上铂矿床80倍。富钴结壳有着巨大的潜在经济价值和良好的开发前景，对于古海洋和古气候以及海洋学的研究也有着重要意义。
3.富钴结壳通常以“壳状”形态覆盖在400～5000米水深的海底山岭、山脊和高原上，厚度为20～200毫米，呈黑色，质轻性脆，构造松散，外表皮常布满花蕾似的瘤状体。富钴结壳对其下层的岩石(主要指玄武岩、火山碎屑岩、火山砾石碎块等)有很强的粘附性，很难将它们彻底分离。为实现富钴结壳开采，国内提出了机械式(如申请号202110952116.5)和水力射流式(如申请号cn202220844431.6)集矿技术，但上述技术仍不能有效解决富钴结壳的精准剥离问题。
4.以上两种专利都是利用机械力来破碎矿石，但存在破碎效率不高，内部结构相对复杂，易发生故障，且无法适应深海高压、低温环境等技术问题。因此，现有技术亟待进一步改进和提高。


技术实现要素：

5.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基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置，解决现有的矿石破碎装置结构复杂、易发生故障，工作可靠性差，破碎效率低，无法适应深海高压、低温工作环境要求的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
7.一种基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置，包括履带车、矿石暂存箱、矿石处理箱、中继加压仓、相变输送管、高压喷头、金属铲、矿石输送机构及控制单元，所述矿石暂存箱设于履带车上。
8.矿石输送机构与矿石暂存箱的前侧相邻布置，金属铲相邻设置在矿石输送机构的前侧。
9.金属铲的前侧及左右两侧均设有一组所述高压喷头，每组高压喷头包括依次间隔布置的多个高压喷头。
10.中继加压仓设履带车上，所有高压喷头均设置在将液态co2加热转变成超临界co2的相变输送管上，相变输送管的两端均与中继加压仓相连。
11.进一步地，所述矿石暂存箱的前侧上部开设有收集口，矿石处理箱连接于矿石暂存箱的底部，所述矿石处理箱的顶部设有矿石输出管，其后侧设有尾流管。
12.所述矿石输送机构通过安装架与履带车相连，所述金属铲横向布置，其两端均与
安装架固定相连。
13.进一步地，所述矿石输送机构包括主动辊、从动辊和输送带，所述主动辊相连布置在收集口的下侧，从动辊相邻布置在金属铲的后侧，通过所述输送带与主动辊相连。
14.主动辊和从动辊之间设有支撑辊，主动辊、从动辊和支撑辊均与安装架转动配合，所述输送带向下倾斜布置，其外表面固定有沿其输送方向依次间隔分布的挡板。
15.进一步地，所述中继加压仓的顶部设有液态co2输入管，液态co2输入管与设置在海面支撑母船的co2制备装置相连。
16.中继加压仓内设有高压泵及两个调压出口，两个调压出口并联设置在高压泵的出口端，所述相变输送管的两端分别与两个调压出口相连相通，中继加压仓内的液态co2经过加压后，被送至相变输送管内。
17.进一步地，所述相变输送管包括一个横向管体和两个纵向管体，两个纵向管体对称设置在矿石输送机构左右两侧，横向管体的两端分别与两个纵向管体的前端固定相连成一体。
18.进一步地，位于金属铲前侧的一组高压喷头设置在横向管体的底部，其余的两组高压喷头分别设置在两个纵向管体的前段底部，所有高压喷头的出口端均垂直朝下。
19.进一步地，纵向管体中后段的管壁内具有环形空腔，环形空腔的内部具有沿纵向管体的轴向螺旋布置的电加热丝，电加热丝可对进入相变输送管内的液态co2持续加热。
20.所述相变输送管的圆周外壁上设置有保温层，使相变输送管内的超临界co2由高压喷头射出后仍保持超临界态。
21.本发明的另一个目的在于提出一种基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿方法。
22.一种基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿方法，采用上述的富钴结壳集矿装置，包括如下步骤：
23.步骤一，水面支持母船将制备好的气态co2通过管道输送至中继加压仓内，气态co2到达位于深海的中继加压仓时，其转变为液态二氧化碳，将液态二氧化碳储存于中继加压仓内。
24.步骤二，履带车在海底行走到达采空作业区后，中继加压仓内的液态co2加压后进入相变输送管，经过加热、增压得到超临界co2，相变输送管内部充满高温高压的超临界co2。
25.步骤三，步骤二中制得的超临界co2在相变输送管内部压强作用下，由三组所述高压喷头向下高速喷射至富钴结壳表面，富钴结壳在与各高压喷头对用的位置形成喷射孔，喷射孔的底部位于富钴结壳及基岩的结合处。
26.步骤四，履带车沿设定路线向前行走过程中，各高压喷头向下持续喷射超临界co2，各喷射孔沿履带车的行走方向延伸成连续的切割槽，并在富钴结壳与基岩的结合处形成横向延伸的裂隙。
27.持续向切割槽内喷射超临界co2，具有强扩散性的超临界co2向裂隙内扩散，在深海天然温度下逐渐转为液态co2并沿裂隙流动，裂隙在射流压力和液态co2的填充下扩张，富钴结壳表现为膨胀隆起，与基岩剥离。
28.步骤五，随着履带车的继续行进，金属铲将剥离后的富钴结壳铲至其表面，经过矿石输送机构送至矿石暂存箱的内部进行收集。
29.步骤六，步骤五中收集富钴结壳进入矿石处理箱破碎成粒径大小均匀的碎矿石，经由矿石处理箱顶部矿石输出管抽送至水面支持母船，矿石处理箱内的尾流经由其后侧的尾流管排出。
30.进一步地，步骤四中超临界co2对富钴结壳冲射、剥离及步骤五中履带车对富钴结壳的收集均连续进行。
31.步骤四中，超临界co2降温后形成的液态co2在海底沉积、包裹海床，捕捉悬浮在海水中的微颗粒，滞留于海底，实现co2深海封存。
32.通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：
33.1、超临界二氧化碳扩散性强，向富钴结壳射流形成射孔后，将沿着结壳内部裂隙扩散，导致结壳裂隙进一步发育，结壳下附基岩孔隙率低，二氧化碳难以渗入，因此二氧化碳将沿结壳内部及结壳-基岩分界面扩散，进而实现富钴结壳的精准剥离，破碎效率高，故障率低，富钴结壳集矿装置工作稳定、可靠，有效降低矿物贫化率。
34.2、超临界二氧化碳完成射流后进入深海环境，从超临界态转变为液态滞留于海底，实现二氧化碳深海封存，有益于解决全球气候变暖问题。
附图说明
35.图1是本发明基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置的结构示意图。
36.图2是图1中某一部分的示意图，示出的是相变输送管及相关部分。
37.图3是本发明基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置的左视图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明进行详细说明：
39.实施例1，结合图1至图3，一种基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置，包括履带车1、矿石暂存箱2、矿石处理箱3、中继加压仓4、相变输送管5、高压喷头51、金属铲6、矿石输送机构及控制单元，所述矿石暂存箱2固定安装在履带车1的车架上，所述矿石暂存箱2为耐腐蚀的钢板制成的箱体，其前侧上部开设有收集口21。控制单元采用现有技术，对本发明的电控部件进行自动控制。
40.矿石处理箱3固定连接于矿石暂存箱2的底部，矿石处理箱3的顶部与矿石暂存箱2的底部相通，矿石暂存箱2内收集的富钴结壳可进入矿石处理箱3内破碎成粒径一致的碎矿石，所述矿石处理箱3的顶部设有矿石输出管31，矿石输出管31可通过管道与水面支持母船相连，将碎矿石收送至水面支持母船。所述矿石处理箱3的后侧固定连接有尾流管32，尾流管32的一端与矿石处理箱3的内部相通，矿石处理箱3内的羽状流可通过尾流管32进入后续处理装置。
41.矿石输送机构与矿石暂存箱2的前侧相邻布置，金属铲6相邻设置在矿石输送机构的前侧。所述矿石输送机构通过安装架11与履带车1相连，所述金属铲6横向布置，其两端均与安装架11固定相连。金属铲6长方形的弧状板体，其厚度由后往前依次减小，金属铲6可将与基岩剥离后的富钴结壳铲至其上表面，随着履带车继续前进及富钴结壳在金属铲6上的累积，金属铲6上的富钴结壳到达矿石输送机构的前部。
42.所述矿石输送机构包括主动辊61、从动辊62和输送带63，所述主动辊61相连布置
在收集口的下侧，从动辊62相邻布置在金属铲6的后侧，通过所述输送带63与主动辊61相连。主动辊61和主动辊61之间设有支撑辊64，主动辊61、主动辊61和支撑辊64均与安装架11转动配合，所述输送带63向下倾斜布置，其外表面固定有沿其输送方向依次间隔分布的挡板65。输送带63将位于其前端上表面的富钴结壳向后输送，挡板65可阻挡位于输送带63上的富钴结壳向下滚落，保证输送带63将富钴结壳连续送入收集口21。
43.金属铲6的前侧及左右两侧均设有一组所述高压喷头51，每组高压喷头51包括依次间隔布置的多个高压喷头51。所有高压喷头51均设置在将液态co2加热转变成超临界co2的相变输送管5上，相变输送管5的两端均与中继加压仓4相连。
44.中继加压仓4设履带车1上，所述中继加压仓4的顶部设有液态co2输入管41，液态co2输入管41与设置在海面支撑母船的co2制备装置相连。海面支撑母船制备出的co2通过管道连续输送至履带车1的中继加压仓4内进行储存，由于深海的温度较低，co2到达中继加压仓4顶部的液态co2输入管41使，转变成液态co2暂存于中继加压仓4，以备后续使用。
45.中继加压仓4内设有高压泵及两个调压出口，两个调压出口并联设置在高压泵的出口端，所述相变输送管5的两端分别与两个调压出口相连相通，中继加压仓4内的液态co2经过加压后，被送至相变输送管5内。高压泵将中继加压仓4内液态co2加压后分别通过两个调压出口连续送入相变输送管5内。
46.具体地，所述相变输送管5包括一个横向管体53和两个纵向管体52，两个纵向管体52对称设置在矿石输送机构左右两侧，横向管体53的两端分别与两个纵向管体52的前端固定相连成一体。位于金属铲6前侧的一组高压喷头51设置在横向管体53的底部，其余的两组高压喷头51分别设置在两个纵向管体52的前段底部，所有高压喷头51的出口端均垂直朝下。
47.纵向管体52中后段的管壁内具有环形空腔521，环形空腔521的内部具有沿纵向管体52的轴向螺旋布置的电加热丝522，电加热丝522可对进入相变输送管5内的液态co2持续加热。所述相变输送管5的圆周外壁上设置有保温层54，使相变输送管5内的超临界co2由高压喷头51射出后仍保持超临界态。
48.液态co2通过调压出口进入两个纵向管体52的后部，电加热丝522对纵向管体52内的液态co2加热，液态co2受热体积膨胀相变成超临界态，超临界co2通过高压喷头51向下高速射流，在富钴结壳表面及内部形成竖向的喷射孔，由于富钴结壳的表面及内部分布有舒松孔，超临界co2可轻松穿透富钴结壳，由于富钴结壳下方的基岩硬度较高超临界co2无法穿透基岩，在富钴结壳断面的下部形成裂隙，超临界co2的强扩散性将使其向裂隙内扩散，液态co2在深海天然温度下逐渐转为液态并沿裂隙流动，裂隙在射流压力和液态co2的填充下扩张，结壳表现为膨胀隆起，与基岩剥离。
49.实施例2，结合图1至图3，一种基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿方法，采用上述的富钴结壳集矿装置，包括如下步骤：
50.步骤一，水面支持母船将制备好的气态co2通过管道输送至中继加压仓4内，气态co2到达位于深海的中继加压仓4时，其转变为液态二氧化碳，将液态二氧化碳储存于中继加压仓4内。
51.步骤二，履带车1在海底行走到达采空作业区后，中继加压仓4内的液态co2加压后进入相变输送管5，经过加热、增压得到超临界co2，相变输送管5的内部充满高温高压的超
临界co2。
52.步骤三，步骤二中制得的超临界co2在相变输送管5内部压强作用下，由三组所述高压喷头51向下高速喷射至富钴结壳表面，富钴结壳在与各高压喷头51对用的位置形成喷射孔，喷射孔的底部位于富钴结壳及基岩的结合处。
53.步骤四，履带车1沿设定路线向前行走过程中，各高压喷头51向下持续喷射超临界co2，各喷射孔沿履带车的行走方向延伸成连续的切割槽，并在富钴结壳与基岩的结合处形成横向延伸的裂隙。
54.持续向切割槽内喷射超临界co2，具有强扩散性的超临界co2向裂隙内扩散，在深海天然温度下逐渐转为液态co2并沿裂隙流动，裂隙在射流压力和液态co2的填充下扩张，富钴结壳表现为膨胀隆起，与基岩剥离。超临界co2对富钴结壳冲射、剥离连续进行。
55.超临界co2降温后形成的液态co2在海底沉积、包裹海床，捕捉悬浮在海水中的微颗粒，滞留于海底，实现co2深海封存。
56.步骤五，随着履带车1的继续行进，金属铲6将剥离后的富钴结壳铲至其表面，经过矿石输送机构送至矿石暂存箱2的内部进行收集，履带车1对富钴结壳的收集连续进行。
57.步骤六，步骤五中收集富钴结壳进入矿石处理箱3破碎成粒径大小均匀的碎矿石，经由矿石处理箱3顶部的矿石输出管31抽送至水面支持母船，矿石处理箱3内的尾流经由其后侧的尾流管32排出。
58.本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
59.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。
60.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。
61.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。