基于超临界CO2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置和方法

技术特征：
1.基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置，其特征在于，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；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；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；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。2.根据权利要求1所述基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置，其特征在于，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；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。3.根据权利要求2所述基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置，其特征在于，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；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。4.根据权利要求1所述基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置，其特征在于，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；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。5.根据权利要求1所述基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置，其特征在于，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。6.根据权利要求5所述基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置，其特征在于，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。7.根据权利要求5所述基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置，其特征在于，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；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。8.基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任意一项所述的集矿装置，包括如下步骤：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；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；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；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；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；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；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。9.根据权利要求1所述基于超临界co2射流压裂效应的富钴结壳集矿装置，其特征在于，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；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。

技术总结
本发明公开了基于超临界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，矿石暂存箱设于履带车上。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。金属铲的前侧及左右两侧均设有一组高压喷头，每组高压喷头包括多个高压喷头。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。本发明还公开一种富钴结壳集矿方法。本发明采用超临界二氧化碳射流实现其在富钴结壳内部及富钴结壳-基岩分界面扩散，进而实现富钴结壳的精准剥离，有效降低矿物贫化率。率。率。


技术研发人员：马宁 陈旭光 刘学麟 张弦 张凤鹏
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：2022.11.22
技术公布日：2023/3/10