基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置及方法

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2024-05-21 09:14:49

权利要求书： 1.基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，其特征在于，包括二氧化碳存储单元、乳化单元、乳液喷射单元及电控单元，所述二氧化碳存储单元包括设在采矿车上的中继仓和脐带管线，所述中继仓通过所述脐带管线能够与水面支持母船上的二氧化成制备单元相连；

乳化单元包括增压机构、海水供入机构、活性剂供入机构和乳化容器，乳化容器内部设有搅拌机构，中继仓的出口端通过所述增压机构与乳化容器的内部相连相通；

海水供入机构位于乳化容器的一侧，其一端与外界相连，另一端与乳化容器的内部相连，能够将过滤后的海水送至乳化容器内；

活性剂供入机构与乳化容器相连相通，将表面活性剂供入至乳化容器内；

乳液喷射单元包括乳液输送管和三组乳液喷嘴，乳液输送管与乳化容器相连，包裹于矿石暂存箱的外侧，其左右两侧向外横向延伸形成延伸部分；

两组乳液喷嘴对称设置在乳液输送管的左右两侧，另外一组乳液喷嘴设置在乳液输送管的后侧，工作状态下，由乳化容器制备得到的二氧化碳包水型乳液经过乳液喷嘴向采矿车周边喷洒。

2.根据权利要求1所述基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，其特征在于，所述中继仓固定安装在矿石暂存箱内部，脐带管线的一端与中继仓的顶部相连，另一端连接水面支持母船上的二氧化成制备单元，中继仓通过脐带管线接收并存储来自水面支持母船的二氧化碳。

3.根据权利要求1所述基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，其特征在于，增压机构包括增压泵和高压罐体，所述高压罐体设置在矿石暂存箱内部，通过第一管路与中继仓的出口端相连相通；

增压泵设置在第一管路上，其信号端与电控单元通讯相连；

高压罐体与乳化容器管路相连，所述高压罐体和乳化容器之间设有流量阀一，流量阀一的信号端与电控单元通讯相连。

4.根据权利要求1所述基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，其特征在于，活性剂供入机构包括活性剂储存罐和星型送料阀，所述活性剂储存罐的入口与水面支持母船相连，其出口通过所述星型送料阀与乳化容器相连；

星型送料阀配置有伺服电机，所述伺服电机的信号端与电控单元通讯相连。

5.根据权利要求1所述基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，其特征在于，海水供入机构包括输入管、抽吸泵及海水过滤器，输入管的一端与外界海水相通，另一端通过所述海水过滤器与乳化容器的中部相连；

所述抽吸泵设置在输入管上，抽吸泵的信号端与电控单元通讯相连。

6.根据权利要求1所述基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，其特征在于，乳液输送管的主体部分为水平布置的U形结构，固定套设在矿石暂存箱外侧壁上，位于两侧的延伸部分别与主体部分前端左右两侧相连成一体结构；

每组乳液喷嘴均包括呈线性依次间隔排布的多个乳液喷嘴，各乳液喷嘴的前端与乳液输送管的后侧壁相连相通，其后端为线形开口的鸭嘴型结构。

7.根据权利要求6所述基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，其特征在于，乳液输送管两侧的延伸部分左右对称分布，通过支架与采矿车固定相连，每侧的延伸部分均由水平段和倾斜段相连构成；

各乳液喷嘴线形开口的长度延伸方向，均与其连接处的乳液输送管的轴线方向一致。

8.一种深海采矿羽流抑制方法，其特征在于，采用如权利要求至7任意一项所述的基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，包括如下步骤：步骤一，水面支持母船将表面活性剂通过脐带管线泵送活性剂供入机构内部储存，同时二氧化成制备单元将制得的气态二氧化碳通过脐带管线连续泵送至中继仓内，并在中继仓内部收集、暂存；

步骤二，中继仓内的气态二氧化碳进入增压机构内，增压机构将气态二氧化碳加压至

10MPa以上，使其成为液态二氧化碳，并进行暂存备用；

步骤三，步骤二中的制得的液态二氧化碳进入乳化容器内，外部海水经过滤后泵送至乳化容器内；

活性剂供入机构内部储存的表面活性剂通过管路进入乳化容器内，同时，向乳化容器内加入疏水颗粒，液态二氧化碳、海水、表面活性剂和疏水颗粒按照设定比例在乳化容器内充分搅拌，得到二氧化碳包水型乳液；

步骤四，二氧化碳包水型乳液经过乳液输送管到达各乳液喷嘴，通过乳液喷嘴以面洒的方式向外部喷射，在羽流的上方形成连续的乳液覆盖层；

步骤五，在重力作用下，乳液覆盖层向下沉降，二氧化碳包水型乳液吸附羽流中的颗粒，将羽流扑盖到海底，阻止羽流扩散。

9.根据权利要求8所述的一种深海采矿羽流抑制方法，其特征在于，表面活性剂采用阳离子表面活性剂，步骤三中所述的液态二氧化碳、海水、表面活性剂和疏水颗粒按照体积配比依次为(70～90)：(30～60)：(4～9)：(1～2)加入乳化容器内；

搅拌机构采用螺旋搅拌桨，螺旋搅拌桨的转速为800rpm～1500rpm。

说明书：基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及海洋环境治理技术领域，具体涉及基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置及方法。背景技术[0002] 深海多金属结核是锰、钴、镍、锂等战略金属的重要来源，赋存于4000～6000米水深的海底表层沉积物中。多金属结核状如土豆，呈现面式分布规律，赋存地形为较平坦的海底平原或盆地，海底履带车是目前最具商业化前景的集矿装备。履带式集矿车作业过程中，水射流冲采矿石和车辆行走都会扰动海底稀软底质，使得沉积颗粒上浮扩散形成羽流。羽流一经形成，可扩散几千公里距离，羽流中携带的细小颗粒将导致海底生物窒息和大规模死亡，严重破坏生态系统。[0003] 针对深海采矿羽流问题，中国专利CN215977448U公开了一种深海矿车扰动羽流抑制装置，包含颗粒物分离器、大吸力深海高压泵、羽状流抽吸口、管路，高压泵产生吸力将羽流吸入抽吸口，在颗粒物分离器内分离压实颗粒物后排放到海底。中国专利CN115653608B公开了一种基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置及方法，包括羽流收集单元、泵吸管组、分离沉降单元及固化排放单元，工作时将羽流吸入固化沉淀仓，使用液态二氧化碳固化后排放至海底。现有的两项专利都采用抽吸方法将羽流引导至车体内部作进一步处理，但抽吸过程本身会引起海底流场改变，羽流影响范围可能会进一步扩大。因此，现有羽流抑制技术亟待进一步改进。发明内容[0004] 针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的在于提出基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，解决集矿车在射流采集和行走过程中产生的羽状流，对海洋环境造成严重破坏，以及导致后续深海采矿作业无法进行的问题。[0005] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：[0006] 基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，包括二氧化碳存储单元、乳化单元、乳液喷射单元及电控单元，所述二氧化碳存储单元包括设在采矿车上的中继仓和脐带管线，所述中继仓通过所述脐带管线能够与水面支持母船上的二氧化成制备单元相连。[0007] 乳化单元包括增压机构、海水供入机构、活性剂供入机构和乳化容器，乳化容器内部设有搅拌机构，中继仓的出口端通过所述增压机构与乳化容器的内部相连相通。[0008] 海水供入机构位于乳化容器的一侧，其一端与外界相连，另一端与乳化容器的内部相连，能够将过滤后的海水送至乳化容器内。[0009] 活性剂供入机构与乳化容器相连相通，将表面活性剂供入至乳化容器内。[0010] 乳液喷射单元包括乳液输送管和三组乳液喷嘴，乳液输送管与乳化容器相连，包裹于矿石暂存箱的外侧，其左右两侧向外横向延伸形成延伸部分。[0011] 两组乳液喷嘴对称设置在乳液输送管的左右两侧，另外一组乳液喷嘴设置在乳液输送管的后侧，工作状态下，由乳化容器制备得到的二氧化碳包水型乳液经过乳液喷嘴向采矿车周边喷洒。[0012] 进一步地，所述中继仓固定安装在矿石暂存箱内部，脐带管线的一端与中继仓的顶部相连，另一端连接水面支持母船上的二氧化成制备单元，中继仓通过脐带管线接收并存储来自水面支持母船的二氧化碳。[0013] 进一步地，增压机构包括增压泵和高压罐体，所述高压罐体设置在矿石暂存箱内部，通过第一管路与中继仓的出口端相连相通。[0014] 增压泵设置在第一管路上，其信号端与电控单元通讯相连。[0015] 高压罐体与乳化容器管路相连，所述高压罐体和乳化容器之间设有流量阀一，流量阀一的信号端与电控单元通讯相连。[0016] 进一步地，活性剂供入机构包括活性剂储存罐和星型送料阀，所述活性剂储存罐的入口与水面支持母船相连，其出口通过所述星型送料阀与乳化容器相连。[0017] 星型送料阀配置有伺服电机，所述伺服电机的信号端与电控单元通讯相连。[0018] 进一步地，海水供入机构包括输入管、抽吸泵及海水过滤器，输入管的一端与外界海水相通，另一端通过所述海水过滤器与乳化容器的中部相连。[0019] 所述抽吸泵设置在输入管上，抽吸泵的信号端与电控单元通讯相连。[0020] 进一步地，乳液输送管的主体部分为水平布置的U形结构，固定套设在矿石暂存箱外侧壁上，位于两侧的延伸部分别与主体部分前端左右两侧相连成一体结构。[0021] 每组乳液喷嘴均包括呈线性依次间隔排布的多个乳液喷嘴，各乳液喷嘴的前端与乳液输送管的后侧壁相连相通，其后端为线形开口的鸭嘴型结构。[0022] 进一步地，乳液输送管两侧的延伸部分左右对称分布，通过支架与采矿车固定相连，每侧的延伸部分均由水平段和倾斜段相连构成。[0023] 各乳液喷嘴线形开口的长度延伸方向，均与其连接处的乳液输送管的轴线方向一致。[0024] 本发明的另一个目的在于提出一种深海采矿羽流抑制方法。一种深海采矿羽流抑制方法，采用上述的基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，包括如下步骤：[0025] 步骤一，水面支持母船将表面活性剂通过脐带管线泵送活性剂供入机构内部储存，同时二氧化成制备单元将制得的气态二氧化碳通过脐带管线连续泵送至中继仓内，并在中继仓内部收集、暂存。[0026] 步骤二，中继仓内的气态二氧化碳进入增压机构内，增压机构将气态二氧化碳加压至10MPa以上，使其成为液态二氧化碳，并进行暂存备用。[0027] 步骤三，步骤二中的制得的液态二氧化碳进入乳化容器内，外部海水经过滤后泵送至乳化容器内。[0028] 活性剂供入机构内部储存的表面活性剂通过管路进入乳化容器内，同时，向乳化容器内加入疏水颗粒，液态二氧化碳、海水、表面活性剂和疏水颗粒按照设定比例在乳化容器内充分搅拌，得到二氧化碳包水型乳液。[0029] 步骤四，二氧化碳包水型乳液经过乳液输送管到达各乳液喷嘴，通过乳液喷嘴以面洒的方式向外部喷射，在羽流的上方形成连续的乳液覆盖层。[0030] 步骤五，在重力作用下，乳液覆盖层向下沉降，二氧化碳包水型乳液吸附羽流中的颗粒，将羽流扑盖到海底，阻止羽流扩散。[0031] 进一步地，表面活性剂采用阳离子表面活性剂，步骤三中所述的液态二氧化碳、海水、表面活性剂和疏水颗粒按照体积配比依次为(70～90)：(30～60)：(4～9)：(1～2)加入乳化容器内。搅拌机构采用螺旋搅拌桨，螺旋搅拌桨的转速为800rpm～1500rpm。[0032] 通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：[0033] 1、本发明使用二氧化碳包水型乳液形成覆盖层，密度较高的乳液覆盖层下压迫使羽流快速沉降，可有效抑制羽流外溢和扩散。[0034] 2、本发明采用阳离子型二氧化碳乳液，可吸附阴离子浓度较高的羽流颗粒，少部分逃逸羽流颗粒也将被电荷吸引，附着于乳液盖层表面并伴随乳液沉降。[0035] 3、本发明在利用二氧化碳乳液抑制羽流后，二氧化碳乳液将沉降至深海海底，在海水的长期溶解作用下，二氧化碳将与沉积物孔隙中的水结合发生化学反应，生成水合物后长期留置在海底，实现深海碳封存。附图说明[0036] 图1是本发明基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置的示意图。[0037] 图2是本发明基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置的内部结构示意图。[0038] 图3是图1本发明某一部分的结构示意图，示出的是乳液喷嘴。[0039] 图4是本发明一种深海采矿羽流抑制方法的流程图。具体实施方式[0040] 下面结合附图对本发明进行详细说明：[0041] 实施例1，结合图1至图3，基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，包括二氧化碳存储单元、乳化单元、乳液喷射单元及电控单元，所述二氧化碳存储单元包括设在采矿车上的中继仓11和脐带管线12，所述中继仓11固定安装在矿石暂存箱101内部，所述中继仓11通过所述脐带管线12能够与水面支持母船上的二氧化成制备单元相连。采矿车的前端设置有采集头103，其左右两侧具有对称布置的两个履带行走单元102，羽流来自于采矿车行走过程中，两个履带行走单元102激起的并向外部扩散，以及采集头103射流造成的。

[0042] 脐带管线12的一端与中继仓11的顶部相连，另一端连接水面支持母船上的二氧化成制备单元，中继仓11通过脐带管线12接收并存储来自水面支持母船的二氧化碳。电控单元包括控制器，控制器采用现有技术已有的PLC控制器。[0043] 乳化单元包括增压机构、海水供入机构、活性剂供入机构和乳化容器2，乳化容器2内部设有搅拌机构21，中继仓11的出口端通过所述增压机构与乳化容器2的内部相连相通。[0044] 增压机构包括增压泵32和高压罐体31，所述高压罐体31设置在矿石暂存箱101内部，通过第一管路33与中继仓11的出口端相连相通。增压泵32设置在第一管路33上，其信号端与电控单元通讯相连。高压罐体31与乳化容器2管路相连，所述高压罐体31和乳化容器2之间设有流量阀一34，流量阀一34的信号端与电控单元通讯相连。增压机构用于增加压强使二氧化碳从气态相变为液态[0045] 海水供入机构位于乳化容器2的一侧，其一端与外界相连，另一端与乳化容器2的内部相连，能够将过滤后的海水送至乳化容器2内。具体地，海水供入机构包括输入管41、抽吸泵及海水过滤器42，输入管41的一端与外界海水相通，另一端通过所述海水过滤器42与乳化容器2的中部相连。所述抽吸泵设置在输入管41上，抽吸泵的信号端与电控单元通讯相连。[0046] 活性剂供入机构与乳化容器2相连相通，将表面活性剂供入至乳化容器2内。活性剂供入机构包括活性剂储存罐51和星型送料阀52，所述活性剂储存罐51的入口与水面支持母船相连，其出口通过所述星型送料阀52与乳化容器2相连。星型送料阀52配置有伺服电机，所述伺服电机的信号端与电控单元通讯相连。[0047] 乳液喷射单元包括乳液输送管61和三组乳液喷嘴62，乳液输送管61与乳化容器2相连，包裹于矿石暂存箱101的外侧，其左右两侧向外横向延伸形成延伸部分。乳液输送管61的主体部分为水平布置的U形结构，固定套设在矿石暂存箱101外侧壁上，位于两侧的延伸部分别与主体部分前端左右两侧相连成一体结构。

[0048] 每组乳液喷嘴62均包括呈线性依次间隔排布的多个乳液喷嘴62，各乳液喷嘴62的前端与乳液输送管61的后侧壁相连相通，其后端为线形开口的鸭嘴型结构。[0049] 两组乳液喷嘴62对称设置在乳液输送管61的左右两侧，另外一组乳液喷嘴62设置在乳液输送管61的后侧，工作状态下，由乳化容器2制备得到的二氧化碳包水型乳液经过乳液喷嘴62向采矿车周边喷洒。[0050] 乳液输送管61两侧的延伸部分左右对称分布，通过支架与采矿车固定相连，每侧的延伸部分均由水平段和倾斜段相连构成。各乳液喷嘴62线形开口的长度延伸方向，均与其连接处的乳液输送管61的轴线方向一致。[0051] 实施例2，结合图1至图4，一种深海采矿羽流抑制方法，采用上述的基于二氧化碳乳液的深海采矿羽流抑制装置，包括如下步骤：[0052] 步骤一，水面支持母船将表面活性剂通过脐带管线12泵送活性剂供入机构内部储存，同时二氧化成制备单元将制得的气态二氧化碳通过脐带管线12连续泵送至中继仓11内，并在中继仓11内部收集、暂存。[0053] 步骤二，中继仓11内的气态二氧化碳进入增压机构内，增压机构将气态二氧化碳加压至10MPa以上，使其成为液态二氧化碳，并进行暂存备用。[0054] 步骤三，步骤二中的制得的液态二氧化碳进入乳化容器2内，外部海水经过滤后泵送至乳化容器2内。[0055] 活性剂供入机构内部储存的表面活性剂通过管路进入乳化容器2内，同时，向乳化容器2内加入疏水颗粒，液态二氧化碳、海水、表面活性剂和疏水颗粒按照设定比例在乳化容器2内充分搅拌，使用搅拌桨进行搅拌加速液态二氧化碳乳化过程，得到二氧化碳包水型阳离子乳液。[0056] 具体地，表面活性剂采用阳离子表面活性剂，优选二十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵。[0057] 步骤三中所述的液态二氧化碳、海水、表面活性剂和疏水颗粒按照体积配比依次为(70～90)：(30～60)：(4～9)：(1～2)加入乳化容器2内。搅拌机构21采用螺旋搅拌桨，螺旋搅拌桨的转速为800rpm～1500rpm。[0058] 步骤四，二氧化碳包水型阳离子乳液经过乳液输送管61到达各乳液喷嘴62，通过乳液喷嘴62以面洒的方式向外部喷射，在羽流的上方形成连续的乳液覆盖层。[0059] 步骤五，在重力作用下，乳液覆盖层向下沉降，二氧化碳包水型乳液吸附羽流中的颗粒，将羽流扑盖到海底，阻止羽流扩散。利用二氧化碳阳离子乳液密度较高特性以及电荷吸附性，一方面形成连续盖层向下压迫羽流使其沉降，一方面吸附羽流颗粒抑制羽流扩散[0060] 二氧化碳乳液释放至海水中，吸附羽流颗粒沉降至海底，短暂停留在海底沉积物表面。在乳液结构中，二氧化碳包裹于水分子外层。在海水的长期溶解作用下，乳液结构逐渐被破坏，位于外层的二氧化碳分子将直接接触海底沉积物。根据二氧化碳水合物性质，二氧化碳将抢夺沉积物孔隙中的强结合水，并通过化学反应生成二氧化碳水合物。在反应过程中，二氧化碳水合物将侵蚀进入海底沉积物孔隙，取代水分子填充孔隙并胶结沉积物颗粒。[0061] 本发明中碳封存方式主要利用二氧化碳乳液密度较高特性以及二氧化碳沉积物中溶解特性。在深海4000～6000米水深环境中，液态二氧化碳及二氧化碳乳液密度比当地海水更高，在重力作用下呈现下沉趋势，碳封存泄露风险很小。所述二氧化碳乳液为二氧化碳包水型乳液，乳液沉降至海底后，停留在海水?沉积物交界面上，位于二氧化碳包水型乳液结构外层的二氧化碳会逐渐溶解，并渗入到沉积物中与沉积物颗粒稳定胶结，实现深海长期碳封存。[0062] 本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。[0063] 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。[0064] 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。[0065] 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。