【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及深海结壳型矿石开采，尤其涉及一种水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统及方法。
技术介绍
1、深海具有丰富的矿产资源，如多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物等，其中富集钴、铜、镍等金属的结壳型矿石能够为未来新能源产业发展提供大量原材料，极具战略意义。现阶段针对多金属结核的开采技术研发较多、发展较快，而结壳型矿石具有金属的厚壳状沉积物，其与周围土体粘结得更紧密，附着更牢固，开采难度更大。
2、目前，深海锰结核的开采技术相对更可靠，主要涉及到机械式、水力式和水力机械式三种集矿技术，但这三种技术目前尚无法直接应用到结壳型矿石的开采，以解决结壳的剥离破碎问题。水射流法在深海矿产开采中应用较广，但其采集效率低，且产生羽状流对环境污染大。在此基础上，有学者提出了超临界二氧化碳射流集矿法，其具有更高的射流速度、更好的射流效果等优势，但超临界二氧化碳对温度和压强要求较高，直接应用于深海存在较多的技术难题。因此，亟需提出剥离效果更强、适用性更好且不损伤基岩的射流开采技术，以适用于结壳型矿石。
3、中国专利文件cn214062951u公开了一种海底结壳矿体破碎装备，包括切割装置、液压冲击装置、行走装置和海底中继器，行走装置在海底行走，海底中继器负责供电和通讯，切割与液压冲击装置将矿石切割分区和冲击破碎相结合，以实现硬质矿体破碎。但仍存在以下问题：1)较多的金属零件在深海下易腐蚀生锈，且无法规避机械部件被较大物体(如矿石等)卡住而造成故障影响使用的问题；2)该专利文件使用机械冲击和液压破岩的方法，在陆地上具有较
4、中国专利文件cn115822604a公开了一种二氧化碳射流制造温差效应的富钴结壳开采系统及方法，包括气源提供系统、运输系统、富钴结壳采集系统，通过第一射流头射出高温超临界二氧化碳使矿石受热膨胀，通过第二射流头喷射携带高硬度砂的低温液态二氧化碳，由于温度变化引起热应力有助于剥离和破碎矿石。但是，仍然存在两个问题：1)破碎后采集的颗粒大小不一，分散集中不均匀，若直接通过泵抽吸，易出现颗粒堆积和堵塞的问题；2)从海面向深海远距离持续输送超临界二氧化碳会出现二氧化碳内力耗散问题，受能量传递机制、温度、压强变化影响较大，且制备、输送成本较高。
技术实现思路
1、针对上述在对结壳型矿石开采时，容易损伤基岩，污染环境，并且由于破碎后的颗粒大小不均匀，输送难度大，容易出现堆积和堵塞的问题，本专利技术提供了一种水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统及方法。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
3、水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，包括采矿车、控制系统、射流系统、超声波发射系统以及集矿分矿系统，所述控制系统、射流系统、超声波发射系统以及集矿分矿系统设置在所述采矿车上，所述控制系统分别与所述射流系统、超声波发射系统以及集矿分矿系统控制连接；所述射流系统包括水射流装置和二氧化碳射流装置，所述水射流装置、二氧化碳射流装置通过射流管与喷射装置连接，所述喷射装置设置在所述采矿车的一侧；所述超声波发射系统包括探测超声波发射器、剥离超声波发射器以及筛分超声波发射器，所述剥离超声波发射器邻近所述喷射装置；所述集矿分矿系统包括矿石铲、运矿皮带、分矿平台以及输送装置，所述矿石铲位于所述喷射装置的下方，并与所述运矿皮带的一端连接，所述运矿皮带的另一端与所述分矿平台连接，所述输送装置通过若干输送管与所述分矿平台连接。
4、进一步地，所述采矿车的前侧连接有半封闭导流罩，所述半封闭导流罩的底部悬空，所述喷射装置、矿石铲以及运矿皮带位于所述半封闭导流罩内的底部，所述半封闭导流罩的底部还固定有摄像装置。
5、进一步地，所述水射流装置包括海水循环箱，所述二氧化碳射流装置包括二氧化碳储存罐与加热箱，所述射流管呈y型，包括第一输入口、第二输入口以及输出口，所述第一输入口通过第一连接管与所述海水循环箱连通，所述第二输入口通过第二连接管与所述加热箱、二氧化碳储罐连通，所述输出口通过高压泵与所述喷射装置连接。
6、进一步地，所述第一连接管呈l型，倒置于所述海水循环箱内，所述第一连接管与第一输入口之间配置有第一电磁阀，所述海水循环箱的一侧连接有输水管，底部连接有u型消能管，所述海水循环箱通过所述输水管、u型消能管与外界海水相连通，所述输水管位于所述u型消能管的上方。
7、进一步地，所述第二连接管连接于所述加热箱的顶部，所述加热箱内具有加热圈，所述加热箱的底部两侧各通过第三连接管与所述二氧化碳储罐连接，所述第二连接管内配置有第二电磁阀，所述第二电磁阀与所述加热箱之间还设置有若干温度传感器，各所述第三连接管内配置有第三电磁阀。
8、进一步地，所述喷射装置包括第一喷射管、第二喷射管、自动旋转接头以及若干高压喷头，所述第一喷射管呈y型，一端与所述输出口固定连接，另外两端各通过所述自动旋转接头与所述第二喷射管连接，各所述高压喷头设置在所述第二喷射管上。
9、进一步地，所述探测超声波发射器与所述剥离超声波发射器邻近所述半封闭导流罩，所述探测超声波发射器内设置有相控阵。
10、进一步地，所述运矿皮带呈倾斜状，具有若干透水滤孔，并通过斜向收集板与所述分矿平台连接，所述分矿平台呈台阶状，具有若干层阶梯，各层所述阶梯的底部具有筛网，从上到下各所述筛网的筛孔逐渐减小，各层所述阶梯内的一侧固定有所述筛分超声波发射器与超声波传感器，另一侧设置有所述输送管。
11、进一步地，所述输送装置还包括收集管，所述收集管与所述输送管连接，并配置有真空泵，各所述输送管内配置有第四电磁阀。
12、水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存方法，应用于如上述所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，包括以下步骤，
13、s1：所述控制系统通过所述探测超声波发射器向所述采矿车的周围发射超声波，探测结壳型矿石的位置、丰度，并控制所述采矿车移动；
14、s2：在所述采矿车移动至合适位置后，所述控制系统启动所述高压泵、第一电磁阀、第三电磁阀以及加热圈，所述射流管从所述海水循环箱内抽水，并通过所述喷射装置喷射至结壳型矿石，同时所述控制系统开启所述剥离超声波发射器向结壳型矿石区发射超声波；
15、s3：所述控制系统通过摄像装置检测到结壳型矿石产生裂隙的底部符合特征，并且通过所述温度传感器检测到二氧化碳的温度达到40℃以上时，开启第二电磁阀，并关闭第一电磁阀，液态二氧化碳在高温加压环境下转变为超临界二氧化碳，并通过所述喷射装置注入到裂隙中，随后超临界二氧化碳降温重新转变为液态二氧化碳，使得结壳型矿石与基岩剥离，并包裹海床持续捕获悬浮羽流颗粒，同时实现海底碳封存；
16、s4：所述采矿车移动过程中，通过所述矿石铲将剥离下的结壳型矿石铲起，并经所述运矿皮带运输至分矿平台的顶部，所述控制系统启动所述筛分本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：包括采矿车(1)、控制系统(3)、射流系统(2)、超声波发射系统(4)以及集矿分矿系统，所述控制系统(3)、射流系统(2)、超声波发射系统(4)以及集矿分矿系统设置在所述采矿车(1)上，所述控制系统(3)分别与所述射流系统(2)、超声波发射系统(4)以及集矿分矿系统控制连接；
2.根据权利要求1所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述采矿车(1)的前侧连接有半封闭导流罩(9)，所述半封闭导流罩(9)的底部悬空，所述喷射装置、矿石铲(14)以及运矿皮带(15)位于所述半封闭导流罩(9)内的底部，所述半封闭导流罩的底部还固定有摄像装置。
3.根据权利要求2所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述水射流装置包括海水循环箱(201)，所述二氧化碳射流装置包括二氧化碳储存罐与加热箱(205)，所述射流管(208)呈Y型，包括第一输入口、第二输入口以及输出口，所述第一输入口通过第一连接管(207)与所述海水循环箱(201)连通，所述第二输入口通过第二连接管与
4.根据权利要求3所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述第一连接管(207)呈L型，倒置于所述海水循环箱(201)内，所述第一连接管(207)与第一输入口之间配置有第一电磁阀(5)，所述海水循环箱(201)的一侧连接有输水管(202)，底部连接有U型消能管(203)，所述海水循环箱(201)通过所述输水管(202)、U型消能管(203)与外界海水相连通，所述输水管(202)位于所述U型消能管(203)的上方。
5.根据权利要求4所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述第二连接管连接于所述加热箱(205)的顶部，所述加热箱(205)内具有加热圈(206)，所述加热箱(205)的底部两侧各通过第三连接管与所述二氧化碳储罐(204)连接，所述第二连接管内配置有第二电磁阀(6)，所述第二电磁阀(6)与所述加热箱(205)之间还设置有若干温度传感器(8)，各所述第三连接管内配置有第三电磁阀(7)。
6.根据权利要求5所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述喷射装置包括第一喷射管(10)、第二喷射管(11)、自动旋转接头(12)以及若干高压喷头(13)，所述第一喷射管(10)呈Y型，一端与所述输出口固定连接，另外两端各通过所述自动旋转接头(12)与所述第二喷射管(11)连接，各所述高压喷头(13)设置在所述第二喷射管(11)上。
7.根据权利要求6所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述探测超声波发射器(401)与所述剥离超声波发射器(402)邻近所述半封闭导流罩(9)，所述探测超声波发射器(401)内设置有相控阵。
8.根据权利要求7所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述运矿皮带(15)呈倾斜状，具有若干透水滤孔，并通过斜向收集板(16)与所述分矿平台连接，所述分矿平台呈台阶状，具有若干层阶梯(17)，各层所述阶梯(17)的底部具有筛网，从上到下各所述筛网的筛孔(18)逐渐减小，各层所述阶梯(17)内的一侧固定有所述筛分超声波发射器(403)与超声波传感器(19)，另一侧设置有所述输送管(22)。
9.根据权利要求8所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述输送装置还包括收集管(20)，所述收集管(20)与所述输送管(22)连接，并配置有真空泵(21)，各所述输送管(22)内配置有第四电磁阀(23)。
10.水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存方法，应用于如上述权利要求9所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：包括以下步骤，
...【技术特征摘要】
1.水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：包括采矿车(1)、控制系统(3)、射流系统(2)、超声波发射系统(4)以及集矿分矿系统，所述控制系统(3)、射流系统(2)、超声波发射系统(4)以及集矿分矿系统设置在所述采矿车(1)上，所述控制系统(3)分别与所述射流系统(2)、超声波发射系统(4)以及集矿分矿系统控制连接；
2.根据权利要求1所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述采矿车(1)的前侧连接有半封闭导流罩(9)，所述半封闭导流罩(9)的底部悬空，所述喷射装置、矿石铲(14)以及运矿皮带(15)位于所述半封闭导流罩(9)内的底部，所述半封闭导流罩的底部还固定有摄像装置。
3.根据权利要求2所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述水射流装置包括海水循环箱(201)，所述二氧化碳射流装置包括二氧化碳储存罐与加热箱(205)，所述射流管(208)呈y型，包括第一输入口、第二输入口以及输出口，所述第一输入口通过第一连接管(207)与所述海水循环箱(201)连通，所述第二输入口通过第二连接管与所述加热箱(205)、二氧化碳储罐(204)连通，所述输出口通过高压泵(209)与所述喷射装置连接。
4.根据权利要求3所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述第一连接管(207)呈l型，倒置于所述海水循环箱(201)内，所述第一连接管(207)与第一输入口之间配置有第一电磁阀(5)，所述海水循环箱(201)的一侧连接有输水管(202)，底部连接有u型消能管(203)，所述海水循环箱(201)通过所述输水管(202)、u型消能管(203)与外界海水相连通，所述输水管(202)位于所述u型消能管(203)的上方。
5.根据权利要求4所述的水、二氧化碳射流与超声波的集矿兼碳封存系统，其特征在于：所述第二连接管连接于所述加热箱(205)的顶部，所述加热箱(20...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈旭光，吴征奇，张弦，刘茜茜，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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