一种基于絮凝旋洒的深海羽流治理装置与方法

技术领域

本发明涉及海底环境治理技术领域，具体涉及一种基于絮凝旋洒的深海羽流治理装置与方法。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，海洋中蕴藏着丰富得到矿产资源，已探明的深海多金属矿产高达3万亿吨，包含众多陆地所稀缺的金属元素，诸如钴、锰、镍、钛等。由于深海低温高压特点，其多金属结核以浑圆状为主，直径以2cm～8cm为主。水力式集矿是最具有商业前景的深海多金属结核开采方式。但由于深海多金属结核开采中，水力集矿头喷射高速水流冲击多金属结核与海床，会剧烈扰动深海沉积物，使沉积物再次悬浮形成羽状流，破坏海底环境影响生物丰度，这也成为制约深海矿产开采的主要因素之一，且目前全球各国并没有有效手段来抑制羽状流的产生、扩散。

实验结果表明，将絮凝剂预先溶解于水中形成絮凝浆液，再将絮凝浆体通过射流喷头进行高速喷射，在其冲击深海原位土激起羽状流的同时，伴随发生凝聚吸附和沉淀等物理化学过程，使沉积物颗粒迅速凝聚成团加快沉降。其中，絮凝剂常用于饮用水、工业用水和污水处理的高效无机絮凝剂，具有较大的市场规模及较低的使用成本。因此，现有技术亟待进一步改进和提升。

发明内容

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絮凝旋洒的深海羽流治理装置，解决深海采矿车采集头周围产生的羽流浓度高，扩散速度快、范围广，长时间难以沉降，对海底生态造成的破坏修复难度大。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于絮凝旋洒的深海羽流治理装置，包括絮凝液喷洒单元、絮凝液输送单元、絮凝液制备单元和控制系统，所述絮凝液喷洒单元包括螺旋桨、空心轴电机及设置于矿车采集头外围的U形安装架，U形安装架水平布置、开口侧朝后。

所述螺旋桨有三组，其中两组螺旋桨对称布置在U形安装架的左右两侧，另一组螺旋桨布置在U形安装架的前侧，每组螺旋桨均包括至少两个螺旋桨，每个螺旋桨的桨叶上均设有喷洒孔，空心轴电机能够螺旋桨转动。

絮凝液制备单元包括絮凝剂溶解箱和絮凝液暂存箱，絮凝剂溶解箱的顶部设有输入管，输入管能够与水面母船的絮凝剂存储装置相连，絮凝剂溶解箱通过电磁泵与絮凝液暂存箱的进口端管路相连。

絮凝剂溶解箱和絮凝液暂存箱的内部均设有搅拌机构，絮凝液暂存箱的出口端通过絮凝液输送单元与各空心轴的另一端相连相通。

进一步地，U形安装架后端的左右两侧对称设有两个支撑臂，支撑臂的下端与U形安装架固定相连成一体，上端能够与采矿车前侧固定相连。

进一步地，同组的螺旋桨在U形安装架的外侧呈线性依次间隔布置，每个螺旋桨均配置有一个空心轴电机，空心轴电机固定安装在U形安装架内侧。

螺旋桨固定密封套设在空心轴电机的空心轴一端，每个桨叶上均设有多个喷洒孔，同一桨叶的各喷洒孔沿螺旋桨的法线方向依次间隔排布在该桨叶的背水面，且均与对应空心轴的内部相通。

进一步地，所述U形安装架的内侧固定安装有与其相对布置的U形管体，U形管体的外侧壁上具有与空心轴电机的数量相同且位置一一对应的连接管。

所述U形管体的两端均通过絮凝液输送单元与絮凝液暂存箱管路相连，各连接管分别通过一个旋转接头与对应空心轴的另一端转动密封相连。

进一步地，絮凝剂溶解箱和絮凝液暂存箱均为密封的方形箱体，输入管下端与絮凝剂溶解箱顶部相连，上端设有星型卸料阀。

所述絮凝剂溶解箱的外壁上设有进水管一，进水管一上安装有电磁阀一，进水管一能够通过过滤装置与外部海水相通，电磁阀一和星型卸料阀的信号端分别与控制系统通讯相连。

进一步地，絮凝剂溶解箱内部具有一个所述搅拌机构，絮凝液暂存箱内设有一上一下布置的两个所述搅拌机构。

所述搅拌机构包括方形框架和伺服电机，方形框架左右两侧的中部均与箱体的侧壁转动相连，伺服电机设置在箱体外壁上，驱动方形框架转动。

方形框架的前后两侧分别设置有一组搅拌叶片，每组搅拌叶片包括横向依次间隔布置的多个搅拌叶片。

进一步地，絮凝液暂存箱有两个，左右并列安装在絮凝剂溶解箱的前侧，两个絮凝液暂存箱的进口端分别与絮凝剂溶解箱的出口端管路相连。

絮凝液暂存箱外壁设有进水管二，进水管二上安装有电磁阀二，进水管二能够通过同样的过滤装置与外部海水相通。

所述絮凝液暂存箱内设有两个水位传感器，两个水位传感器分别设置在絮凝液暂存箱侧壁的上部和下部，水位传感器和电磁阀二的信号端分别与控制系统通讯相连。

进一步地，絮凝液输送单元包括高压泵和流量分配器，所述高压泵的进口端与絮凝液暂存箱出口端管路相连。

流量分配器具有一个进口端和三个出口端，其进口端与高压泵的出口端管路相连。

所述U形管体的两端分别通过一个第一泵输管体与流量分配器的两个出口端相连。

进一步地，所述流量分配器的另一个出口端设置有第二泵输管体，第二泵输管体的前端与采矿车的射流管体相连相通，所述第二泵输管体上配置有增压泵，所述增压泵的信号端与控制系统通讯相连。

本发明的另一个目的在于提出一种深海采矿羽状流治理方法。

一种深海羽流治理方法，采用上述的基于絮凝旋洒的深海羽流治理装置，包括如下步骤：

S1，外部海水经过过滤后进入絮凝剂溶解箱，水面母船将固体絮凝剂经过输入管定量输送至絮凝剂溶解箱，固体絮凝剂与过滤后的水充分混合，溶解形成高浓度絮凝剂溶液。

S2，经过滤后的海水进入絮凝液暂存箱，高浓度絮凝剂溶液泵送进入絮凝液暂存箱，进一步与海水充分混合，在絮凝液暂存箱内稀释成设定浓度值的絮凝剂溶液。

S3，絮凝液暂存箱内的絮凝剂溶液泵送至流量分配器，一部分絮凝剂溶液经过流量分配器的两个出口端进入U形管体，U形管体内的絮凝剂溶液通过连接管送入空心轴电机的空心管内部。

空心轴电机启动，带动螺旋桨转动使采集头外围的羽流向U形安装架内侧流动，空心管内的絮凝剂溶液在经过位于桨叶内部的通道到达其表面的喷洒孔，在压力作用下，絮凝剂溶液经过喷洒孔向外螺旋喷洒。

同时，另一部分絮凝剂溶液经过流量分配器的另一个出口端经过加压后，输送至采矿车的射流管体内部，通过射流喷头向采集罩的内部喷射絮凝剂溶液，射流喷头喷射出的絮凝剂溶液对矿石进行冲射，使其离开海床处于悬浮状态，经抽吸管道收集进入矿石暂存箱。

S4，经喷洒孔喷出的絮凝剂溶液与羽流充分混合形成絮凝体，其中一部分絮凝体随水流进入采集头，剩余的絮凝体在水中沉降至海床表面。

经过射流喷头向采集罩内部喷射的絮凝剂溶液与采集罩内的羽流充分混合形成絮凝体，随矿石抽送至矿石暂存箱，经过处理后排出并沉降至海床表面。

通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：本发明针对深海采矿车集矿头周围羽状流浓度高、散播速度快的特点，一方面通过在矿车采集头周围喷洒絮凝剂，生成絮状结构物胶结沉积物颗粒，加速沉降。另一方面通过螺旋压差作用，使集矿头周围起动的羽流聚集，减少沉积物扩散，叶片转动过程中通过壁面喷洒絮凝剂，在螺旋搅拌作用下使絮凝剂与羽流充分混合，加速颗粒絮凝成团实现深海采矿的羽状流治理。

附图说明

图1是本发明一种基于絮凝旋洒的深海羽流治理装置的结构示意图。

图2是图1中本发明A部分的局部放大图。

图3是本发明一种基于絮凝旋洒的深海羽流治理装置的俯视图。

图4是图1本发明某一部分的结构示意图，示出的是U形管体。

图5是本发明絮凝剂溶解箱的内部结构示意图。

图6是本发明絮凝液暂存箱的内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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机构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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1，结合图1至图6，一种基于絮凝旋洒的深海羽流治理装置，包括絮凝液喷洒单元1、絮凝液输送单元2、絮凝液制备单元3和控制系统，所述絮凝液喷洒单元1包括螺旋桨11、空心轴电机12及设置于矿车采集头外围的U形安装架13，U形安装架13水平布置、开口侧朝后。U形安装架13后端的左右两侧对称设有两个支撑臂14，支撑臂14的下端与U形安装架13固定相连成一体，上端能够与采矿车前侧固定相连。所述控制系统包括控制器，所述控制器采用现有技术已有PLC控制器，对深海羽流治理装置的各电控部件进行数据接收和信号控制，使各电控部件的执行端协同配合。

所述螺旋桨11有三组，其中两组螺旋桨11对称布置在U形安装架13的左右两侧，另一组螺旋桨11布置在U形安装架13的前侧，每组螺旋桨11均包括至少两个螺旋桨11，具体地，位于左右两侧的两组螺旋桨11分别包括纵向间隔布置的两个螺旋桨11，位于前侧的一组螺旋桨11包括横向间隔布置的五个螺旋桨11，实际应用中，每组螺旋桨11的数量根据采集头的实际尺寸确定。

每个螺旋桨11均包括多个桨叶11，每个桨叶111上均开设有多个喷洒孔112，空心轴电机12能够螺旋桨11转动。

具体地，同组的螺旋桨11在U形安装架13的外侧呈线性依次间隔布置，每个螺旋桨11均配置有一个空心轴电机12，空心轴电机12固定安装在U形安装架13内侧，空心轴电机12的空心轴穿过U形安装架13通过轴承与其转动配合。

螺旋桨11固定密封套设在空心轴电机12的空心轴一端，空心轴电机12带动螺旋桨11转动。每个桨叶111上均设有多个喷洒孔112，同一桨叶111的各喷洒孔112沿螺旋桨11的法线方向依次间隔排布在该桨叶111的背水面，各喷洒孔112通过开设在桨叶111内部的通道与对应空心轴的内部相通。

所述U形安装架13的内侧固定安装有与其相对布置的U形管体4，U形管体4的外侧壁上具有与空心轴电机12的数量相同且位置一一对应的连接管41。所述U形管体4的两端均通过絮凝液输送单元2与絮凝液暂存箱41管路相连，各连接管41分别通过一个旋转接头与对应空心轴的另一端转动密封相连。

具体地，所述旋转接头的固定部分与连接管41固定密封相连，其转动部分与空心轴的另一端固定密封相连，各空心轴电机12的空心轴内部与U形管体4的内部相通。

絮凝液制备单元3包括絮凝剂溶解箱31和絮凝液暂存箱41，絮凝剂溶解箱31和絮凝液暂存箱41均为密封的方形箱体。

絮凝剂溶解箱31设置在采矿车的后端，絮凝液暂存箱41有两个，两个絮凝液暂存箱41左右并列安装在絮凝剂溶解箱31的前侧，絮凝剂溶解箱31和絮凝液暂存箱41的底部均与采矿车的车架固定相连。絮凝剂溶解箱31的顶部设有输入管32，输入管32下端与絮凝剂溶解箱31顶部相连，上端设有星型卸料阀，星型卸料阀带有电机，所述电机的信号端与所述控制器通讯相连，电机带动星型卸料阀壳体内部的转子叶轮转动。

输入管32通过其上端的星型卸料阀与水面母船的絮凝剂存储装置相连，星型卸料阀定量控制进入絮凝剂溶解箱31的固体絮凝剂的量。所述絮凝剂溶解箱31的外壁上设有进水管一，进水管一上安装有电磁阀一，进水管一能够通过过滤装置与外部海水相通，电磁阀一和星型卸料阀的信号端分别与控制器通讯相连。过滤装置采用现有技术已有的过滤装置，将海水中的泥沙过滤掉，得到清洁的海水用于溶解固体絮凝剂，电磁阀一定量控制进水量，得到浓度值确定的絮凝剂溶液。

絮凝剂溶解箱31通过电磁泵与絮凝液暂存箱41的进口端管路相连，具体地，两个絮凝液暂存箱41的进口端分别与絮凝剂溶解箱31的出口端管路相连，絮凝剂溶解箱31内部制得的高浓度絮凝剂溶液分别泵送至两个絮凝液暂存箱41。絮凝液暂存箱41的外壁上设有进水管二，进水管二上安装有电磁阀二，进水管二能够通过同样的过滤装置与外部海水相通，外部海水经过过滤后，在压力作用下定量进入絮凝液暂存箱41，对高浓度絮凝剂溶液进行稀释并得到设定值浓度的絮凝液。

所述絮凝液暂存箱41内设有两个水位传感器42，两个水位传感器42分别设置在絮凝液暂存箱41侧壁的上部和下部，水位传感器42和电磁阀二的信号端分别与控制系统通讯相连。水位传感器42将采集到的信息输送至控制器，由控制器通过指令控制絮凝液暂存箱41内的高浓度絮凝剂溶液加入量及过滤后进入絮凝液暂存箱41的海水量。

絮凝剂溶解箱31和絮凝液暂存箱41的内部均设有搅拌机构5，具体地，絮凝剂溶解箱31内部具有一个所述搅拌机构5，絮凝液暂存箱41内设有一上一下布置的两个所述搅拌机构5。所述搅拌机构5包括方形框架51和伺服电机52，方形框架51左右两侧的中部均与箱体的侧壁转动相连，伺服电机52设置在箱体外壁上，驱动方形框架51转动。

方形框架51的前后两侧分别设置有一组搅拌叶片53，每组搅拌叶片53包括横向依次间隔布置的多个搅拌叶片53。伺服电机52的输出端驱动方形框架51绕其中轴线转动，带动位于方形框架51上的搅拌叶片53转动，对箱体内的海水进行搅动与絮凝剂充分混合，得到浓度均匀的絮凝液。当水位到达上部水位传感器42的位置时停止进入，絮凝液暂存箱41内的搅拌机构5开始工作，当水位到达下部水位传感器42的位置时开始进入，以保证絮凝液暂存箱41连续输出絮凝液。

絮凝液暂存箱41的出口端通过絮凝液输送单元2与各空心轴的另一端相连相通。絮凝液输送单元2包括高压泵21和流量分配器22，所述高压泵21的进口端与絮凝液暂存箱41出口端管路相连。

具体地，流量分配器22具有一个进口端和三个出口端，其进口端与高压泵21的出口端管路相连。所述U形管体4的两端分别通过一个第一泵输管体23与流量分配器22的两个出口端相连，工作时，絮凝液暂存箱41内的絮凝剂溶液经过高压泵21、流量分配器22和第一泵输管体23进入U形管体4，再通过各螺旋桨11向外部连续旋洒，絮凝剂溶液与羽流混合并随水流向U形安装架13的内侧移动，一部分进入采集罩内，另一部分在外部形成絮团并沉降。

所述采矿车的采集头位于车体的前侧，包括采集罩和两排射流喷头，采集罩为底部敞口的壳体结构，其顶部通过抽吸管道与设置在矿石暂存箱内的抽吸泵相连相通，两排射流喷头相对布置在采集罩底部敞口的前后两侧，每排射流喷头均包括横向依次间隔布置的多个射流喷头，每个射流喷头均通过射流管体与第二泵输管体24的前端相连，第二泵输管体24内的絮凝剂溶液经过增压泵25加压后，通过射流喷头向上采集罩的内侧下方喷射絮凝剂溶液，一方面用于冲射矿石，另一方面沉降位于采集罩内侧及开口边缘处的羽流。

所述流量分配器22的另一个出口端设置有第二泵输管体24，第二泵输管体24的前端与采矿车的射流管体相连相通，所述第二泵输管体24上配置有增压泵25，所述增压泵25的信号端与控制系统通讯相连。工作时，絮凝液暂存箱41内的絮凝剂溶液经过高压泵21、流量分配器22和第二泵输管体24进入射流管体内部，与射流管体内的高压水经过射流喷头对矿石进行冲射，进入采集罩的内部与其内部的羽流混合，被抽吸进入矿石暂存箱，经过分离后的絮团排至外部沉降。

实施例2，结合图1至图6，一种深海羽流治理方法，采用上述的基于絮凝旋洒的深海羽流治理装置，包括如下步骤：

S1，外部海水经过过滤后进入絮凝剂溶解箱31，水面母船将固体絮凝剂经过输入管32定量输送至絮凝剂溶解箱31，固体PAC絮凝剂与过滤后的水充分混合，溶解形成高浓度的PAC絮凝剂溶液。

S2，经过滤后的海水进入絮凝液暂存箱41，高浓度的PAC絮凝剂溶液泵送进入絮凝液暂存箱41，进一步与海水充分混合，在絮凝液暂存箱41内稀释成设定浓度值的PAC絮凝剂溶液。

S3，絮凝液暂存箱41内的PAC絮凝剂溶液泵送至流量分配器22，絮凝液经过流量分配器22的两个出口端进入U形管体4，U形管体4内的PAC絮凝剂溶液通过连接管41送入空心轴电机12的空心管内部。

空心轴电机12启动，带动螺旋桨11转动使采集头外围的羽流向U形安装架13内侧流动，空心管内的PAC絮凝剂溶液在经过位于桨叶111内部的通道到达其表面的喷洒孔112，在压力作用下，PAC絮凝剂溶液经过喷洒孔112向外螺旋喷洒。

同时，PAC絮凝剂溶液经过流量分配器22的另一个出口端经过加压后，输送至采矿车的射流管体内部，通过射流喷头向采集罩的内部喷射PAC絮凝剂溶液。射流喷头喷射出的絮凝剂溶液有两方面的作用，一方面对位于采集罩内侧的矿石进行冲射，使其离开海床处于悬浮状态，经抽吸管道收集进入矿石暂存箱，另一方面与采集罩内侧的羽流充分混合并与羽流中含有的颗粒物结合形成絮团、沉降。

S4，经喷洒孔112喷出的PAC絮凝剂溶液与羽流充分混合形成絮凝体，其中一部分絮凝体随水流进入采集头，剩余的絮凝体在水中沉降至海床表面。

经过射流喷头向采集罩内部喷射的絮凝剂溶液与采集罩内的羽流充分混合形成絮凝体，随矿石抽送至矿石暂存箱，经过处理后排出并沉降至海床表面。

根据西太平洋菲律宾盆地深海原位土絮凝沉淀实验发现，在NPAM、CPAM、APAM和PAC这四种絮凝剂中，PAC絮凝剂对深海原位土模拟的不同浓度羽流浊液絮凝效果最好。当PAC海水溶液为0.75g/L时，絮凝效果最佳，仅3min左右便基本实现颗粒物沉降，沉降率高达96％。且再次经过扰动后，絮状物结构稳定，沉降迅速。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

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。