用于去除粒状材料的设备和方法

技术领域

本发明涉及从粒状材料堆中去除粒状材料。具体地，本发明涉及一种用于去除粒状材料的吸头、设备和方法。

背景技术

在各种环境中可能需要从粒状材料堆中去除粒状材料。例如，用于商业航运的水路可能需要定期疏浚以防止粒状材料(诸如沙或其他沉积物)的不希望的堆积，从而阻碍海上交通。在陆地上和海底两者的开采可能需要挖掘粒状材料来回收所希望的材料。易被破坏的海岸线的加强和/或人造半岛或人造岛的建造需要通常从离岸较远的位置挖掘大量粒状材料。在陆地上和海上锚定装备或铺设线缆可能需要在沉积层中挖孔或挖沟。对于工业盆池，可能需要从工业过程期间粒状材料堆积在其中的容器或船只中，或从人造坝的后面去除堆积的粒状材料。最后，可能需要疏浚大体积的粒状材料以在浅水中释放接地的或搁浅的船只。在每种情况下，粒状材料堆可以浸没或部分浸没于流体下方。可替代地，粒状材料堆可以是非浸没的。粒状材料可以包括粘土、淤泥、砂、砾石或它们的组合。另外或可替代地，粒状材料可以包括金属、塑料、生物质、陶瓷、混凝土、玻璃、矿物、复合材料、或它们的组合。

用于有效地去除粒状材料的优选方法利用由吸头局部地施加至粒状材料堆的抽吸。吸头通常包括可在粒状材料之上移动的圆顶形、管形或铃形元件。粒状材料和流体的混合物被抽吸到吸头中。混合物从吸头被泵送经由管道并沉积在别处。为了增加粒状材料去除的有效性，抽吸可以与粒状材料的局部流化相结合。局部流化破坏或部分破坏粒状材料堆内的颗粒之间的内聚力，从而使所得流化的粒状材料通过经由吸头施加的抽吸而被容易地去除。为了实现局部流化，可以提供机械装置，诸如叶片、钉齿辊或钻头等。这类机械装置使粒状材料堆松散并且促进流体侵入其中。另外或可替代地，流体可以被喷射到浸没的粒状材料堆中以实现流化。可替代地，对于在颗粒之间具有低内聚力的粒状材料，所施加的抽吸可以足以实现局部流化。

利用抽吸的设备的问题在于，所施加的抽吸可导致吸头被向下抽吸和/或抽吸到粒状材料堆中。因此，吸头可以部分地或完全地被固定在粒状材料中。因此，吸头的移动性和从粒状材料堆中去除粒状材料的能力都受到不利影响。当设备必须移动以覆盖大面积时或者当设备必须围绕物体(诸如搁浅的船只或固定结构)移动时，吸头的这种固定是特别不利的。在后一种情况下，重要的是，吸头可围绕船只的壳体或结构自由地移动，以实现粒状材料的精确且均匀的去除。

因此，显然需要一种用于去除粒状材料的改善的设备，其中，避免了吸头通过被抽吸到粒状材料堆中而部分或完全固定的风险。

还存在一个从海床向上搅动物质的大风险，这些物质移动到水体中并且不被抽吸到吸头中。如果海床含有污染、有毒物质等，这是一个显著的缺点。当在具有水流的区域中工作时，将固体搅动至水体中也是缺点，因为固体将被夹带在水中并且将被沉积在别处。这对于河流和在具有潮流的区域中是典型的。

如果海洋生物被来自海床的已经在粒状材料的去除过程中与周围水混合的材料(诸如淤泥、砂和泥)覆盖，也可能是缺点。

因此，能够从海床去除固体而不将固体或其他不希望的物质搅动到周围水中是相当大的优点。

发明内容

本发明涉及根据权利要求1所述的用于通过抽吸去除粒状材料的设备以及根据权利要求19所述的用于通过抽吸从粒状材料堆中去除粒状材料的方法。

本发明的目的是提供一种用于去除粒状材料的设备和方法，该用于去除粒状材料的设备和方法是有效的，并且提供了对没有被抽吸到设备中的粒状材料的低扰动。

根据本发明，这是用以下附图实现的。

附图说明

图1A示意性地示出了根据本发明的包括第一配置的吸头的侧视图。

图1B示意性地示出了根据本发明的包括第一配置的吸头的仰视图。

图1C示意性地示出了根据本发明的包括替代性出口配置的吸头的侧视图。

图1D示意性地示出了根据本发明的包括另一个替代性出口配置的吸头的侧视图。

图1E示意性地示出了根据本发明的吸头内的和围绕吸头的螺旋流的侧视图。

图1F示意性地示出了根据本发明的吸头内的抽吸驱动流和围绕吸头的螺旋流的侧视图。

图2A示出了根据本发明的根据第二配置的吸头的仰视图。

图2B示出了根据本发明的根据第三配置的吸头的仰视图。

图2C示出了根据本发明的根据第四配置的吸头的仰视图。

图2D示出了根据本发明的根据第五配置的吸头的仰视图。

图2E示出了根据本发明的根据第六配置的吸头的仰视图。

图3A示意性地示出了根据本发明的包括第一侧向剪切元件的吸头。

图3B示意性地示出了根据本发明的包括第二侧向剪切元件的吸头。

图4A示意性地示出了根据本发明的包括具有多个吸头的第一配置的设备。

图4B示意性地示出了根据本发明的包括具有多个吸头的第二配置的设备。

图5A示意性地示出了根据本发明的包括第一流程线配置的设备。

图5B示意性地示出了根据本发明的包括第二流程线配置的设备。

图5C示意性地示出了根据本发明的包括第三流程线配置的设备。

图5D示意性地示出了根据本发明的包括第四流程线配置的设备。

具体实施方式

在图1A的侧视图中以及在图1B的仰视图中示意性地示出了根据本发明的用于去除粒状材料的设备。在图1A和图1B中以及在所有其他附图中，相同的附图标记表示相同的特征。可以用吸头去除的示例性粒状材料包括砾石、砂、淤泥、粘土、金属、塑料、生物质、木材、食物材料、陶瓷、混凝土、玻璃、矿物、晶体材料、复合材料、废弃物、或它们的组合。粒状材料可以部分地或完全地浸没于流体下方。流体可以包括液体、气体、或它们的组合。流体可以例如包括海水、淡水、工业废水、液态或气态烃类、工艺流体、传输流体、或它们的任何组合。

设备包括吸头1。吸头1包括下端1a(图1A中的黑色虚线)和出口1b。经由出口1b将抽吸施加至吸头1。吸头1进一步包括从下端1a延伸至出口1b的侧壁1c。优选地，侧壁1c从下端1a的周界延伸至出口1b。下端la、出口1b和侧壁1c一起界定吸头1的内部或内部空间。吸头1的中心轴线x-x’在图1A中用点划线表示。下端1a可以定中心于中心轴线x-x’上。优选地，下端1a垂直于中心轴线x-x’。在操作中，吸头1优选地被定位成使得下端1a面向粒状材料。

吸头进一步包括一个或更多个侧入口1d，用于使粒状材料流入到吸头1中。一个或更多个侧入口1d位于侧壁1c中(在图1A的侧视图中示意性地示出)。在操作中，将抽吸施加至出口1b，经由一个或更多个侧入口1d将粒状材料抽吸到吸头1中并且经由出口1b从吸头1中去除粒状材料。有利地，通过经由吸头的侧面施加侧向抽吸，防止吸头通过向下抽吸而被固定在粒状材料堆中。组合的一个或更多个侧入口1d在下端1a的至少2％的周界上延伸。可替代地，组合的一个或更多个侧入口1d在下端1a的2％-98％、优选地5％-70％、更优选地15％-60％、最优选地20％-50％的周界上延伸。组合的一个或更多个侧入口1d占用于使流化的粒状材料流入吸头1中的总面积的至少2％、优选地至少10％、更优选地至少30％、最优选地至少40％。对于具有多个入口1d的吸头1，每个侧入口1d可以在相同百分比或不同百分比的周界上延伸。每个侧入口1d可以进一步从吸头1的下端1a延伸直至吸头1的高度的至少10％、优选地至少20％、更优选地至少30％、最优选地至少40％。对于具有多个入口1d的吸头1，每个侧入口1d可延伸至相同的高度、或者延伸至不同的高度。

此外，下端1a可以包括用于使粒状材料流入的底部入口(在图1B的仰视图中示意性地示出)。底部入口可以包括一个或更多个开口。底部入口可遍及整个下端1a。可替代地，底部入口可仅遍及下端1a的一部分。底部入口和一个或更多个侧入口1d可以优选地形成一个连接入口，如图1B中示意性地示出的。可替代地，下端1a可以是封闭的。当下端1a封闭时，仅经由一个或更多个侧入口1d发生流化的粒状材料流入到吸头1中。当必须从给定层并且优选地不从下面的任何层去除粒状材料时，这种配置可能是有利的。

吸头1可以具有铃形、圆顶形(在图1A中示出)、圆柱形、螺旋形、立方体形、矩形、金字塔形、半球形、圆锥形或任何其他合适的形状。吸头1的垂直于中心轴线x-x’的宽度(图1A中，左至右)以及吸头1沿着中心轴线x-x’的高度(图1A中，底部至顶部)可适于预期应用。例如，对于海底开采操作，宽的、圆柱形的或矩形的吸头可能是优选的，而对于围绕物体挖掘，窄的、半球形的吸头可能是优选的。吸头1可包括金属材料(诸如铝或不锈钢等)、聚合物材料(诸如聚丙烯或高密度聚乙烯等)、或复合材料(诸如纤维增强聚合物等)。可选地，吸头1可涂覆有合适的涂层，诸如耐磨涂层、弹性涂层、抗静电涂层、抗菌涂层、抗真菌涂层、抗磁性涂层或发泡涂层。吸头1可设置有亮色，以改善其可视性。

出口1b可以定中心于吸头1的中心轴线x-x’上。可替代地，出口1b可以取向成相对于中心轴线x-x’成一定角度。优选地，出口1b被布置成与下端1a相对(图1A)。可替代地，出口可以布置在吸头1的一侧上。出口1b的表面积优选地等于或小于下端1b的表面积。出口1b优选地耦接至管(图1A、图1C至图1F、图3A和图3B中的虚线)，如下文详述。可选地，出口1b可包括用于过滤进入出口1b的粒状材料的过滤器2。过滤器2可被配置成阻止大颗粒、颗粒聚集物和/或污染物体进入出口和/或管。进一步可选地，过滤器可设置在一个或更多个侧入口1d和/或底部入口处。有利地，由此可以避免出口和/或管的可能的阻塞，并且可以保护下游元件，诸如泵和控制阀等。此外，可以从粒状材料中过滤高于一定粒径的颗粒。当需要给定最大粒度的粒状材料时，这种过滤可能是有利的。

出口1b的端部区段1b’可以延伸至吸头1中，参见图1C和图1D。端部区段1b’可以用作抽吸到吸头中的流化的粒状材料的漏斗。有利地，由此可以避免流化的粒状材料从出口回流到吸头中。出口端部区段1b’可以包括圆柱形形状，参见图1C。可替代地，出口端部区段1b’可以包括漏斗形状(如图1D中示意性地示出)、或圆锥形状、半球形状、金字塔形状、矩形形状、或任何其他适合的形状。

吸头1进一步包括一个或更多个喷嘴，喷嘴被配置成喷射加压流体。在操作中，加压流体使吸头1下方和周围的粒状材料流化。然后，经由吸头1施加的抽吸可以更容易地去除流化的粒状材料。一个或更多个喷嘴可包括安装在吸头1的内部上的一个或更多个内部喷嘴3(在图1A中为条纹)。内部喷嘴3优选地被配置成在吸头1内产生内部螺旋流。有利地，内部螺旋流使粒状材料堆经受旋转剪切，从而有效地流化粒状材料。更有利地，当出口的表面积等于或优选地小于下端的表面积时，可以获得强的内部螺旋流。内部喷嘴3可沿着吸头1的一条或更多条内部轮廓线1e(图1B中的虚线)围绕出口1b周向布置。一条或更多条内部轮廓线1e可以优选地是平行的内部轮廓线。可替代地，一条或更多条内部轮廓线可以是不平行的或可以彼此交叉。内部喷嘴3可沿着一条或更多条内部轮廓线1e对称地分布。有利地，内部喷嘴的对称分布导致吸头内的强且规则的螺旋流。可替代地，内部喷嘴3可沿着一条或更多条内部轮廓线1e非对称地分布。有利地，由此驱动加压流体从内部喷嘴排放的动力可集中在特定区域上。

每个内部喷嘴3可以包括一个或更多个喷嘴开口。每个内部喷嘴3的一个或更多个喷嘴开口可沿相同方向或不同方向定向。可替代地，一个或更多个内部喷嘴3可包括一个或更多个狭缝。有利地，由此可以实现从一个或更多个内部喷嘴的流出流的均匀分布。更有利地，可以经由形成为狭缝的内部喷嘴泵送更多的流体，从而实现更强大的内部螺旋流。此外，可以沿着一个或更多个侧入口1d(图1B中的深灰色)布置一个或更多个次级内部喷嘴3a。有利地，由此改善粒状材料经由开口侧的流化和抽吸。

在仰视图中，一个或更多个内部喷嘴3的流出方向可以被定向为朝向吸头的中心、与吸头的侧面相切、或从吸头的中心向外(在图1B的仰视图中示意性地示出)。在图1B中用条纹箭头示意性地指示所选择的内部喷嘴的流出方向。在侧视图中，一个或更多个内部喷嘴的流出方向和中心轴线x-x’(参见图1A)的范围可从0°至180°。在0°，流出方向指向下端1a。在180°，流出方向指向背离下端1a。优选地，该角度的范围是从0°至90°，更优选地从15°至75°，最优选地从30°至60°。一个或更多个内部喷嘴的流出方向可以是固定的。可替代地，一个或更多个内部喷嘴3的流出方向可以是通过调节机构可调节的。调节机构可以包括用于重新定向来自每个内部喷嘴的流出流的元件，或者可以包括用于重新调节每个内部喷嘴的取向的装置。优选地，沿着一个或更多个侧入口1d布置的一个或更多个次级内部喷嘴3a被定向为从吸头1向外。有利地，在开口侧前方的粒状材料的流化可避免吸头被固定在粒状材料堆中。可选地，一个或更多个内部剪切喷嘴可以定位在一个或更多个侧入口1d的边缘处。一个或更多个内部剪切喷嘴可以被定向为朝向下端1a。一个或更多个内部剪切喷嘴的流出方向与中心轴线x-x’之间的角度的范围可以是从0°至90°、优选地从0°至75°、更优选地从0°至45°。有利地，一个或更多个内部剪切喷嘴直接指向粒状材料堆中并且对其施加剪切。

一个或更多个喷嘴可以进一步包括安装到吸头1的外部的一个或更多个外部喷嘴4(参见图1A)。一个或更多个外部喷嘴4优选地被配置成产生围绕吸头1的外部螺旋流。有利地，外部螺旋流使粒状材料堆围绕吸头呈递在一个方向上，从而使粒状材料松散和流化。外部螺旋流具有与内部螺旋流相同的总体流动方向。可替代地，与内部螺旋流相比，外部螺旋流可具有不同的流动方向，只要总螺旋流在外侧和内侧上处于相同的总体方向上。一个或更多个外部喷嘴4优选地沿着吸头1的一条或更多条外部轮廓线安装。一条或更多条外部轮廓线可以优选地是平行的外部轮廓线。可替代地，一条或更多条外部轮廓线可以是不平行的或可以彼此交叉。一个或更多个外部喷嘴4可沿着吸头1的一条或更多条外部轮廓线对称地分布。有利地，外部喷嘴的对称分布导致围绕吸头的强螺旋流。可替代地，一个或更多个外部喷嘴4可沿着吸头1的一条或更多条外部轮廓线非对称地分布。有利地，由此在需要时使用用于驱动加压流体从外部喷嘴排放的动力。

一个或更多个外部喷嘴4可以各自包括一个或更多个喷嘴开口。每个外部喷嘴4的一个或更多个喷嘴开口可沿相同方向或不同方向定向。可替代地，一个或更多个外部喷嘴4可包括一个或更多个狭缝。有利地，由此可以实现从一个或更多个外部喷嘴流出流的均匀分布。更有利地，经由形成为狭缝的外部喷嘴可以泵送更多流体，从而实现围绕吸头的流的更好分布。此外，可以沿着一个或更多个侧入口1d布置一个或更多个外部喷嘴4(参见图1A)。

在仰视图中，一个或更多个外部喷嘴4的流出方向可以被定向为朝向侧壁1c、与侧壁1c相切、或背离侧壁1c(图1B)。在侧视图中，一个或更多个外部喷嘴4的流出方向和中心轴线x-x’(参见图1A)的范围可以从0°至180°。在0°，流出方向指向下端。在180°，流出方向指向背离下端。优选地，该角度的范围是从0°至90°，更优选地从15°至75°，最优选地从30°至60°。可选地，每个外部喷嘴4的流出方向可以是通过调节机构可调节的。调节机构可以包括用于重新定向从每个外部喷嘴4的流出流的元件，或者可以包括用于重新调节每个外部喷嘴4的取向的装置。有利地，从外部喷嘴喷射的流体使围绕吸头的粒状材料流化，从而避免吸头由于被抽吸到粒状材料堆中而被固定。

优选地，一个或更多个次级外部喷嘴4a沿着一个或更多个侧入口1d布置。一个或更多个次级外部喷嘴4a优选地被定向为从吸头1向外。有利地，由此可以实现直接靠近开口侧的粒状材料的流化，从而改善经由开口侧的粒状材料的去除，并且避免吸头被固定在粒状材料堆中。可选地，一个或更多个外部剪切喷嘴可以定位在一个或更多个侧入口1d的边缘处。一个或更多个外部剪切喷嘴的流出方向可以与中心轴线x-x’成0°-90°、优选地0°-75°、更优选地0°-45°的角度。有利地，一个或更多个外部剪切喷嘴直接指向粒状材料堆中并且对其施加剪切。

图1E和图1F中示意性地示出了吸头1内的和/或围绕吸头1的螺旋流。在操作中，加压流体从内部喷嘴3的流出优选地在吸头1内产生内部螺旋流(图1E中的黑色虚线箭头)。加压流体从外部喷嘴4的流出产生围绕吸头1的外部螺旋流(图1E和图1F中的灰色虚线箭头)。内部螺旋流和外部螺旋流产生旋转剪切，从而有效地松散和流化粒状材料。将流化的粒状材料抽吸到吸头1中且抽吸到出口1b中由抽吸装置驱动并且经由吸头1施加。在图1F中，抽吸由灰色箭头示意性地示出，其中，为了清楚起见，省略了内部螺旋流。经由一个或更多个侧入口1d并且可选地经由底部入口发生流化的粒状材料的抽吸。有利地，内部螺旋流和/或外部螺旋流导致粒状材料的改善的流化和抽吸，从而改善粒状材料去除的效率。更有利地，在具有一个开口侧(图1A，1B)的配置中，流化和抽吸集中在有限的区域。因此，流化和抽吸被集中，从而允许粘结的粒状材料被有效地去除。

吸头1可以进一步包括一个或更多个剪切元件5，在图1C和图1D中示意性地示出。剪切元件可被定位成围绕下端1a、在侧壁1c上和/或围绕出口1b。有利地，剪切元件可松散粒状材料堆，由此改善粒状材料的流化。一个或更多个剪切元件5可包括无源剪切元件，诸如齿、叶片或刀等。可替代地或另外地，一个或更多个剪切元件5可包括有源剪切元件，诸如旋转叶片、振动元件、钉齿辊或用于喷射高压流体射流的喷嘴等。有源剪切元件可被配置成以振动、脉动和/或旋转运动的方式被驱动。一个或更多个剪切元件5可以是可伸缩的，诸如可伸缩的叶片。有利地，可伸缩剪切元件可以在需要时被展开并且在其它情况下缩回。

在图2A至图2E中以仰视图示意性地示出吸头1的进一步配置。在每个进一步配置中，侧入口1d可以部分地由内部轮廓1e形成(如图2A至图2D中的实线所示)。根据一个进一步配置，参见图2A，侧入口1d由从下端1a到内部轮廓1e的切口形成。因此，内部轮廓1e的一部分可形成突出部分。突出部分在侧入口1d上延伸。沿着侧入口1d布置的次级内部喷嘴3a可布置在突出部分处。有利地，粒状材料在开口侧处的流化由此可以从上方和从侧面两者发生。在这个配置中，切口与内部轮廓1e成角度α地局部地形成，其中该角度α可以大于90°。有利地，流化由此可以在更大的区域上发生，使得可以立即去除更大体积的粒状材料。可替代地，在吸头1的另一进一步配置中，切口可与内部轮廓1e成角度α地局部地形成，该角度α等于或小于图2B的90°。因此，流化和抽吸可以集中在更小的区域上，使得粘结的或压实的粒状材料、或粗粒状材料(诸如砾石)可以被有效地去除。

可替代地，吸头1可以包括两个或更多个侧入口1d。两个或更多个侧入口1d可以沿着下端1a的周界对称或非对称地分布。图2C示出了吸头1的进一步配置，其中，吸头1包括至少三个对称分布的侧入口1d。有利地，吸头由此具有对称横截面并且没有优选的抽吸方向。当粒状材料必须围绕物体移动时，这种配置可能是特别有利的，其中，吸头必须沿着物体的轮廓移动。吸头1的另一个进一步配置在图2D中示出，其中，吸头1包括至少三个非对称分布的侧入口1d。一个侧入口1d可包括下端1a的周界的比其余开口侧更大的部分。例如，可以提供两个或更多个侧入口1d，其中，一个侧入口在下端1a的2％-50％的周界上延伸，并且其余的侧入口1d在下端1a的2％-25％的周界上延伸。有利地，包括周界的最大部分的开口侧可以与吸头的主要运动方向对准，其中，可以将大部分粒状材料抽吸到吸头中。同时，吸头具有经由至少一个其他侧入口1d去除粒状材料的能力，当吸头的运动方向被反转时这是有利的。

在图2A至图2D的每个替代配置中，内部喷嘴3和/或外部喷嘴4可沿着吸头1对称地分布。可替代地，内部喷嘴3和/或外部喷嘴4可沿着吸头1非对称地分布。例如，内部喷嘴3和/或外部喷嘴4可仅定位在一个或更多个侧入口1d附近，参见图2E。有利地，当开口侧面向吸头的总体运动方向时，流动和流化在运动方向上集中并且远离运动方向最小化。

参照图3A和图3B，吸头可以包括至少一个侧向剪切元件。至少一个侧向剪切元件优选地定位在一个或更多个侧入口1d的前方。有利地，至少一个侧向剪切元件由此可使至少一个开口侧前方的粒状材料堆松散，以改善粒状材料经由至少一个开口侧的流化和去除。侧向剪切元件可包括至少一个剪切喷嘴5a(在图3A中示意性地示出)，至少一个剪切喷嘴5a被配置成喷射加压流体。另外地或可替代地，侧向剪切元件可包括至少一个机械剪切元件5b，在图3B中示意性地示出。机械剪切元件5b可包括一个或更多个振动叶片、一个或更多个旋转叶片、一个或更多个钻头、一个或更多个脉动元件、一个或更多个固定元件、或它们的任何组合。机械剪切元件5b可由吸头1的运动驱动，或由单独的驱动装置(诸如单独的电动机或液压管线等)驱动。优选地，侧向剪切元件从吸头1侧向地延伸。此外，侧向剪切元件可以安装在臂5c上。臂可以是静态臂或可移动臂，诸如机械臂等。

根据本发明的设备可以包括两个或更多个吸头1，参见图4A和图4B。两个或更多个吸头1可以定位成相对于彼此成任何合适的配置(诸如交错配置、直线配置、成角度的配置、半圆配置、V形配置或W形配置等)。当设置三个或更多个吸头1时，相邻的吸头1之间的距离可以相同。可替代地，相邻的吸头之间的距离可以不同。在图4A中以仰视图示意性地示出的第一实施例中，存在三个吸头1，这三个吸头1被布置成交错配置。根据第二实施例，存在三个吸头1，这三个吸头1被布置成成角度的配置，在图4B的仰视图中示意性地示出。在图4A和图4B的每一个中，运动的总体方向是从左到右。在图4A和图4B中用实线箭头示意性地指示了围绕每个吸头1的螺旋流。相邻的吸头1的一个或更多个喷嘴可被配置成在相反方向上驱动螺旋流，图4A。有利地，因此在吸头之间发生强剪切，当去除粘结的粒状材料时，这可能是有利的。可替代地，相邻的吸头1的一个或更多个喷嘴可被配置成在相同方向上驱动螺旋流，图4B。有利地，由此粒状材料可以以均匀的模式被去除。

图5A至图5D示出了设备的若干流程线配置。设备可以包括至少一个泵6，以用于将加压流体供应到一个或更多个喷嘴。可替代地，设备可以被配置成耦接至外部加压流体源，诸如加压水供应装置或用于加压气体的供给系统。设备还包括至少一个管道7，该管道7将泵6或外部加压流体源连接至内部喷嘴3和/或外部喷嘴4。管道7可以包括控制阀7a，以控制加压流体经由管道7的流动。设备还包括管8，以用于将流化的粒状材料从吸头1运输至远程位置。管可以是柔性的。管8可以包括控制阀(未示出)以控制经由管8的流化的粒状材料的流动。设备还包括下面详述的抽吸装置，以用于经由管8对吸头1施加抽吸。

在图5A中示出的第一配置中，抽吸装置包括浆料泵9，以用于从吸头1去除流化的粒状材料。浆料泵被配置成泵送流体和固体颗粒的混合物。管8将吸头1的出口1b连接至浆料泵9。当设置有内部喷嘴3时，管道7连接至内部喷嘴3。当设置有外部喷嘴4时，管道7连接至外部喷嘴4。在操作中，泵6或外部加压流体源驱动加压流体从内部喷嘴3和/或外部喷嘴4排放。由此形成内部螺旋流和/或外部螺旋流。浆料泵9将抽吸施加至吸头1，从而经由管8去除流化的粒状材料。有利地，第一配置包括几个部件，形成成本有效的设置。此外，设备可以包括增压泵，以用于对由浆料泵9施加的抽吸进行增压。例如，当粒状材料必须从大的流体深度去除时或当抽吸必须克服粒状材料中的强颗粒间内聚力时，可能需要增压泵。

在图5B的第二配置中，管道7将泵6或外部加压流体源连接至内部喷嘴3。根据该配置，设备还包括第二管道7’，第二管道7’将泵6或外部加压流体源连接至外部喷嘴4。第二管道7’还可以包括控制阀7a’，以控制加压流体经由第二管道的流动。在其他方面，第二配置与第一配置相同。有利地，在第二配置中可分别控制加压流体向内部喷嘴和向外部喷嘴的流动。

在图5C的第三配置中，抽吸装置包括喷射器10。喷射器10被配置成基于文丘里原理产生抽吸。喷射器10连接至管8。喷射器10通过喷射器管道11’进一步连接至泵6或外部加压流体源。喷射器管道11可设置有控制阀11a，以控制经由喷射器管道11的加压流体的流动。在操作中，通过喷射器10的流动由来自泵6或外部加压流体源的加压流体来驱动。在喷射器10中产生文丘里效应，从而经由管8将抽吸施加至吸头1。有利地，第三配置利用单个泵或外部加压流体源来驱动流化和抽吸，从而提供更简单、更稳固的系统。此外，喷射器不包含移动部件，使得系统不易发生故障。在第三配置中，设备可以包括一个管道7，该管道7将泵6或外部加压流体源连接至内部喷嘴3和/或外部喷嘴4。可替代地，一个管道7将泵6或外部加压流体源连接至内部喷嘴3，并且第二管道7’将泵6或外部加压流体源连接至外部喷嘴4。

在图5D的第四配置中，抽吸装置包括压缩机12。压缩机通过压缩机管道13连接至管8。压缩机管道13可以包括控制阀13a以控制经由压缩机管道13的流动。在操作中，诸如空气等的加压气体由压缩机泵送经由管8，从而通过管8的下部与管8的上部之间的增加的浮力差和压力差的作用来产生气体提升。通过气体提升将流化的粒状材料抽吸到管8中，并且流化的粒状材料与管8中的压缩气体混合。有利地，由此改善了流化的粒状材料的处理和运输。可选地，抽吸装置可以进一步包括连接至管8的另外的浆料泵9和/或增压泵。有利地，通过另外使用另外的浆料泵和/或增压泵，可以从更大的流体深度去除粒状材料。进一步有利地，由此可以实现更强的抽吸，从而允许在粒状材料堆中的颗粒之间存在强内聚力的情况下或者在粒状材料颗粒较重的情况下去除粒状材料。在第四配置中，设备可以包括一个管道7，管道7将泵6或加压系统连接至内部喷嘴3和/或外部喷嘴4。可替代地，一个管道7将泵6或加压系统连接至内部喷嘴3，并且第二管道7’将泵6或加压系统连接至外部喷嘴4。

设备可以进一步包括安装装置，至少一个吸头1安装在安装装置上。安装装置可包括固定框架、可移动框架、船只、浮船、陆基机器或水下机器人(诸如底部履带)或水下无人机。安装装置可以进一步包括机械臂，至少一个吸头1安装到机械臂上。可替代地，安装装置可以包括用于将至少一个吸头1牵引在粒状材料堆之上的至少一个牵引线缆。可替代地，安装装置可以进一步包括用于在船只、底部履带、水下无人机或水下机器人的后方、前方或旁边拉动、推动或拖动至少一个吸头1的装置。安装装置可以是远程控制的、半自主的或自主的。

设备还可以包括传感器装置，诸如一个或更多个相机、声纳系统、压力传感器、流量、质量压力、电导率和密度测量传感器以及控制装备、深度传感器、地形扫描仪和/或温度传感器。一个或更多个传感器装置可以布置在吸头1上或吸头1内。优选地，设备配备有定位装置，诸如GPS等。GPS可包括水下GPS。设备可进一步包括通信装置，诸如一个或更多个有线收发器和/或无线收发器等。设备还可以包括用于控制设备的控制装置，诸如CPU、存储器和监视器等。控制装置可控制吸头1的运动、泵6、浆料泵9、压缩机12、各种控制阀7a、7a’、11a、13a、内部喷嘴3和/或外部喷嘴4的流出方向、剪切元件5和/或侧向剪切元件。可选地，设备可以包括用于吸头1的远程操作和转向的转向装置，诸如操纵杆或控制杆等。有利地，利用这些吸头1可在期望粒状材料去除的位置处被精确地控制、操作和移动。可替代地或另外地，控制装置被配置成自主地或半自主地操作设备。

接下来，描述了一种用于从粒状材料堆中去除粒状材料的方法。粒状材料可以是非浸没、部分浸没或完全浸没于流体下方。该方法包括提供至少一个吸头1或根据本发明的设备。将吸头1布置在粒状材料堆上或粒状材料堆上方。吸头1优选地被定位成使得侧入口1d和/或下端1a面向粒状材料堆。然后从一个或更多个喷嘴喷射加压流体。从内部喷嘴3喷射加压流体以在吸头1内产生内部螺旋流。从外部喷嘴4喷射加压流体以产生围绕吸头1的外部螺旋流。外部螺旋流可具有与内部螺旋流相同的总体流动方向。可替代地，外部螺旋流可具有与内部螺旋流相反的总体流动方向。加压流体可包含添加剂，诸如溶解剂、清洁剂、表面活性剂、粘度调节剂、着色剂、润湿剂、填料、抗真菌剂、抗菌剂或它们的组合。有利地，溶解剂可以抵消粒状材料内的颗粒间粘附力，从而改善流化。内部螺旋流和/或外部螺旋流将粒状材料流化。经由出口1b施加抽吸以经由一个或更多个侧入口1d和可选地经由底部入口来去除流化的粒状材料。

然后通过经由出口1b和管8施加的抽吸将流化的粒状材料从吸头1去除。抽吸由浆料泵9、喷射器10或压缩机11的气体提升驱动。可选地，抽吸另外由增压泵驱动。然后可以将流化的粒状材料从管8的出口沉积到临时存储空间中(诸如船只的装载隔间)，或者在岸上或海上的不同或远程位置处。可选地，在沉积流化的粒状材料之前，流化的粒状材料可以被过滤和/或处理，例如以从流体中分离去除的粒状材料。

本发明的吸头1和/或方法可以用于开采操作，诸如海底开采，陆基开采，沿海加强操作或人工半岛或人工岛的建造，挖掘用于锚定装备的孔或挖掘用于铺设线缆的沟，用于释放搁浅船只的回收操作，在水坝后面或从人工盆池去除粒状材料，或从水路(诸如通道、河流、湖泊、港口或海上航道)去除(疏浚)粒状材料。本发明的设备和/或方法还可以用于从工业罐、船只或盆池中去除堆积的粒状材料。

附图标记列表

1 吸头

1a 下端

1b 出口

1b’出口端部区段

1c 侧壁

1d 侧入口

1e内部轮廓

2 过滤器

3 内部喷嘴

3a 次级内部喷嘴

4 外部喷嘴

4a 次级外部喷嘴

5 剪切元件

5a 剪切喷嘴

5b 机械剪切元件

5c 臂

6 泵

7 管道

7’第二管道

7a控制阀

7a’控制阀

8 管

9 浆料泵

10 喷射器

11 喷射器管道

11a 控制阀

12 压缩机

13 压缩机管道

13a 控制阀