深海采矿输送设备的选择与维护

深海采矿输送设备的选择与维护

由于陆地资源的日益匮乏，人们开始转向海洋。1872年至1876年英国发现了多金属结核。根据研究，大西洋是丰富的矿产资源基地。据美国加利福尼亚大学Mero教授估计,太平洋海底的多金属结核和多金属结壳有1.7万亿t。多金属结核和结壳中有铜、钴、镍、锰、铁、钨、金、银等70多种元素,其中铜、钴、镍、锰的储量分别为50亿t、30亿t、90亿t和2000亿t,相当于陆地储量的9倍、539倍、83倍和57倍。锰结核赋存于3000～6000m的海底淤泥上,钴结壳赋存于1500～3000m的海山上,深海采矿系统必须将矿石从海底采矿车输送到海面的采矿船上,因此,要求矿石输送设备具备扬程高、输送流量大、并能长期可靠工作。如何将矿石从6000m的海底输送到海面的采矿船上,是深海采矿的一个关键问题。美国、德国、法国、日本、韩国等都对矿石输送系统进行了理论和实验研究,而采用水力输送方法的输送系统被公认最具工业应用前景,其中美国研究的硬管采矿系统是采用沙浆接力输送,将矿石从海底输送到海面的采矿船上。1硬管输送系统硬管采矿系统由一根接近海深长度的钢管、300m左右的软管、中继仓和多台矿浆泵组成。硬管输送系统的工作原理为:首先采用矿浆泵将矿石从采矿车输送到矿石中继仓内,然后通过安装于硬管上的多台矿浆泵将矿石从中继仓接力输送到海面采矿船上(见图1)。硬管输送系统最先由美国提出,美国科罗拉多矿业大学(ColoradoSchoolofMines)的ChungJS教授对该系统进行了深入研究。1978年,国际财团海洋管理公司OMI(OceanManagementInc.)采用硬管输送系统,在太平洋5000m的海底成功采集了1000t锰结核后,因为德国KSB公司生产的两台多级矿浆泵磨损破坏而停止采矿。由于该系统成功地采集了1000t锰结核,证明了该系统在技术上可行。目前矿山普遍使用的矿浆泵,其过流部件的使用寿命为一个星期左右,挖泥船上使用的泥浆泵,其过流部件的使用寿命也很短,需要经常维修和更换。矿浆泵一般用于输送扬程较低的情况,为了降低磨损,矿浆泵的叶轮转速一般较低,泵体质量大。硬管采矿系统采用矿浆泵对矿石与海水的混合流体进行直接输送,矿浆泵同样容易磨损破坏,而对于深海工作环境,矿浆泵不能经常更换和维修。2矿渣管的输送深海采矿输送设备必须将矿石从1500～6000m的海底输送到海面,要求输送设备具备很高的输送扬程和很大的输送量;由于其特殊的工作环境,同时也要求其具备长期安全可靠工作的特点。根据多年从事深海采矿研究和矿山深井尾矿矿浆输送研究的经验,提出了一种新的矿石输送方法,其原理为采用高速多级高压水泵首先对海水加压(650m扬程的水泵已有工业产品),然后通过储料罐将矿石掺入高压水管中进行输送,理论上能将矿石直接从6000m的海底输送到海面;由于矿石不经过水泵,能保证输送设备长期可靠工作;高速多级高压水泵的扬程高且重量轻。图2是储料罐与水泵组合的水力输送设备原理图,该水力输送设备由一台高压多级清水泵、两个储料罐和七个阀组成。系统的工作原理如下:1)采矿系统工作开始前,阀3、阀6和阀7处于打开状态,其它阀门处于关闭状态,储料罐内压力与海水压力相通,水泵启动后,海水在水泵的作用下,通过输送管道输送到海面。2)采矿车开始工作后,矿石经阀3流入储料罐1内,同时,储料罐内的部分海水经阀3排出。当储料罐1装满矿石颗粒后,关闭阀3,同时打开阀1和阀2,储料罐1内的压力与输送管道压力相通,储料罐1内的矿石颗粒在重力和输送管内海水流动所产生的负压作用下流入输送管道,与管道内的海水混合形成混合流体,在水泵的作用下,输送到采矿船上。3)在关闭阀3后,矿石颗粒经阀6流入储料罐2。当储料罐1内的矿石完全输送完毕,储料罐2装满矿石后,关闭阀1、阀2和阀6,同时打开阀3、阀4和阀5,储料罐2内的矿石颗粒流入输送管道,在水泵的作用下,输送到海面的采矿船上,而矿石颗粒经阀3流入储料罐1。根据上述工作步骤,不断重复,输送设备能将采矿车采集的矿石源源不断地输送到海面的采矿船上,通过调节阀2、阀5和阀7,控制矿石输送浓度。3传输系统参数分析当深海硬管采矿系统采用水泵与储料罐组合的矿石输送方法时,需要对输送系统的参数进行计算分析,从理论上证明该种输送方法的可行性。3.1ut的基本原理输送管道的内径是一个很重要的参数,当系统的输送流量确定后,管道内径与管内流体的流速之间的关系为:式中:um为管内流体的流动速度(m·s-1)。为了保证输送系统正常工作,垂直输送管内的流体速度必须大于矿石颗粒的沉降速度。根据颗粒在水中的重力、浮力与颗粒的阻力平衡,可以得出球形矿石颗粒的沉降速度ut的一般计算公式式中:ds为矿石颗粒的直径(m),ρl为海水密度(kg·m-3),ρs为矿石的密度(kg·m-3),Ψ为球形阻力系数。由固液两相流理论中的Govier理论可知,当最小水流速度大于固体颗粒沉降速度的2倍时,流体中固体颗粒随流体运动。考虑到一些不稳定因素的影响,为确保管道不被阻塞,一般取混合流体的流速um为沉降速度ut的3～5倍。输送管道在工作过程中有水平状态,流体的速度必须大于某一临界速度,矿石颗粒才不会沉淀而阻塞管道。影响临界流速的因素很多,各国的研究者从不同的观点出发,提出了大量的临界流速计算公式和方法,对颗粒较粗的矿石,如下临界流速计算公式合适式中:uk为临界流速(m·s-1),ρm为混合流体的密度(kg·m-3),ρw为水的密度(kg·m-3),fi为一定大小的固体颗粒所占的比例,当为均匀颗粒时fi=1,Ψi为与固体颗粒大小有关的系数。3.2修正系数的求解根据流体的能量方程、连续方程和动量方程可得管内两相流的伯努利(Bernoulli)方程:式中:P1、P2分别为管道截面1与2的压力,Z1、Z2分别为管道截面1与2的高度(m);um1和um2分别为管道截面1与2上混合流体的平均速度(m·s-1),Δhm为截面1到截面2的距离内混合流体的能量损失(m),αm1和αm2分别为截面1和2上动能修正系数。当所分析的系统中,动能项在总能量中所占的比例很小时,修正系数采用αm=1,对系统分析影响不大,则两相流的伯努利(Bernoulli)方程与均质流的伯努利方程一样。根据上述方程对输送系统进行分析,得到水泵扬程H的计算公式:式中:POA为输送管道出口压力,ΔPm为输送管道的压力损失。从上式分析可知,只有混合流体沿管道的摩擦阻力损失未知。对两相流的管道压力损失,一直是国内外学者研究的课题。近年来已获得了特定条件的预测摩阻损失的公式,对于矿石颗粒在30mm左右,采用Engelmann的理论来预测输送系统的压力损失ΔPm比较合适式中:λl为海水的阻力系数,λs为矿石颗粒的阻力系数,Cv为流体的矿石体积浓度,L为管道的长度。假设管内流体中矿石颗粒与海水的流速相等,即ul=us=um,对分析影响不大。Engelmann研究管道两相流体的摩擦阻力系数,得到如下经验公式:式中:ds为矿石颗粒的平均粒径(m),m′s为管内矿石颗粒的重量流速(m3·s-1),m′s=Qsρs;m′l为管内海水的重量流速(m3·s-1),m′l=Qlρl。当假设海水的密度和Rei数与淡水相同,则海水与管道内壁的阻力系数可由尼古拉兹公式计算,即式中:Δ为管道内壁的粗糙度。根据水泵的扬程H和系统流量Qm,可以求得水泵的轴功率式中:N为水泵的轴功率,即电机所需要的功率(kW);μ为水泵的效率,μ=0.8～0.85;Q为水泵的流量,水泵的流量即输送系统混合流体的流量,Q=Qm。3.3输送系统参数分析和支护工艺优化深海采矿系统的主要参数为:采矿系统湿钴结壳的生产能力为45t/h,中试作业水深为h=1000m,实际作业水深为h=5000m,矿石的密度为ρs=2040kg/m3,海水密度为ρl=1025kg/m3,水的密度为ρw=1000kg/m3,进入输送系统的矿石的颗粒平均粒径为ds=30mm。矿石的输送浓度CV对输送系统的效率有很大的影响,根据四种不同体积浓度7%、12%、10%、10%,分别设计分析四个采矿系统。根据输送系统的参数要求和两相流理论,设计分析了两个1000m的中试系统和两个5000m的深海采矿系统,输送系统工艺参数如表1。从输送系统参数的计算结果分析可知,作业水深为1000m时,水泵扬程分别为124m和172m,功率N分别为125kW和102kW;作业水深为5000m时,水泵扬程为460m和760m,功率N分别为460kW和536kW。设计和制造满足上述要求的水泵,在技术上十分成熟,不存在困难。从式(8)分析可知,管道内壁光滑,能减少摩擦阻力损失,从表1中的计算数据也可得出上述结论。从式(6)分析可知,管道压力损失与流体流速的平方成正比,与管道直径成反比,从系统3和4的参数分析可知,系统4比系统3的流体流速大0.54m/s,而压力损失多108m,因此在流体流速大于的临界流速Uk和满足矿石不沉降的条件下,应增大管道直径,减小流体流速,从而减少压力损失。从上述分析可知,采用水泵与储料罐组合的水力输送方法,能将矿石直接从海底输送到海面,由该水力输送系