深海采礦礦物處理技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)研究

謝夢(mèng)琪 陳丹東 余 倩 李文豪 薛永昌 李 源

（1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心；2.武漢船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司）

隨著陸地上礦產(chǎn)資源開(kāi)采技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)存可采礦產(chǎn)已不能滿足人類(lèi)的需求。人類(lèi)將目光聚集到目前尚未完全開(kāi)發(fā)的海洋領(lǐng)域，海洋蘊(yùn)含著豐富的礦產(chǎn)資源，其種類(lèi)繁多、范圍廣闊、儲(chǔ)存量巨大等特點(diǎn)是陸地礦產(chǎn)難以企及的［1］。目前，國(guó)內(nèi)外高度關(guān)注海洋礦產(chǎn)資源地開(kāi)發(fā)利用，并大力開(kāi)展海洋礦產(chǎn)資源技術(shù)的研發(fā)［2］，為海洋礦產(chǎn)資源商業(yè)化開(kāi)采進(jìn)行了積極地探索和技術(shù)儲(chǔ)備。

深海采礦試驗(yàn)平臺(tái)作為采礦作業(yè)中采集、轉(zhuǎn)運(yùn)及存儲(chǔ)等多功能集成一體的機(jī)構(gòu)，由于其配套裝備復(fù)雜、系統(tǒng)集成性高，相對(duì)于其他常規(guī)海洋工程平臺(tái)，需提出更高的技術(shù)要求。陸地采礦中的礦物處理系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)使用若干年，成熟且穩(wěn)定性高，目前正向大型化、可靠性佳、精度高、處理方便、處理效果佳、維護(hù)方便、易損件少、使用周期長(zhǎng)等方向發(fā)展［3］。但深海采礦不能簡(jiǎn)單地照搬陸用礦物處理設(shè)備，深海采礦試驗(yàn)平臺(tái)甲板面積小、空間有限，船用設(shè)備的使用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也高于陸用設(shè)備。因此，深海采礦礦物處理系統(tǒng)需重新進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)選型、甲板布置及處理流程的優(yōu)化，才能讓礦物處理系統(tǒng)在惡劣的海況下正常、高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。

為此就現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外深海采礦礦物處理技術(shù)相關(guān)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)礦物處理技術(shù)開(kāi)展深度分析，提出了深海采礦礦物處理技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

上世紀(jì)70年代以美國(guó)為主的國(guó)際財(cái)團(tuán)成功完成了多次數(shù)千米深的不同采礦系統(tǒng)技術(shù)模型的全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，并考慮了較為簡(jiǎn)易的礦物篩分脫水設(shè)備［4］。進(jìn)入21世紀(jì)后，在位于巴新專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的全球首個(gè)富含銅金的多金屬硫化礦商業(yè)深海采礦Solwara 1項(xiàng)目中，加拿大鸚鵡螺礦業(yè)公司全面完成了基于商業(yè)采礦運(yùn)作要求，并具備脫水、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)運(yùn)和船與船外輸全流程的礦物處理技術(shù)研究和配套裝備設(shè)計(jì)，具備礦物綜合處理連續(xù)作業(yè)的能力，處于世界領(lǐng)先水平［5］。加拿大鸚鵡螺商業(yè)采礦項(xiàng)目綜合性脫水系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

我國(guó)從“八五”開(kāi)始涉足深海采礦技術(shù)研究，經(jīng)過(guò)近30 a的沉淀和發(fā)展，已形成部分技術(shù)研究和裝備研制基礎(chǔ)［6］，但因我國(guó)尚未開(kāi)展和實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的海上整體聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，關(guān)于海上礦物綜合處理的技術(shù)研究和裝備研制缺少工程需求刺激，其研究基本上處于空白狀態(tài)。

礦物處理是海底提升礦漿到海面的重要處理環(huán)節(jié)，在深海采礦領(lǐng)域國(guó)內(nèi)曾開(kāi)展過(guò)淺海鋯鈦采礦脫水系統(tǒng)和1 000 m級(jí)礦漿脫水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及裝備研制（圖2）?！笆濉逼陂g，我國(guó)首次開(kāi)展過(guò)滿足短期數(shù)小時(shí)試驗(yàn)要求的小規(guī)模船載礦物脫水系統(tǒng)，其物料最小顆粒度為0.1 mm，功能相對(duì)單一，沒(méi)有礦物進(jìn)出艙和外輸?shù)绕渌K功能?？傮w上，目前我國(guó)海上礦物處理能力有限，僅能適應(yīng)短期小規(guī)模的礦物處理。

2 礦物處理技術(shù)分析

礦物處理作為深海采礦系統(tǒng)的重要組成部分，主要對(duì)提升輸送到海面的低濃度固體含量的礦漿進(jìn)行高效環(huán)保地快速分離，降低采礦平臺(tái)的無(wú)效載荷，實(shí)現(xiàn)有價(jià)礦物的收集、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)運(yùn)和尾水綠色無(wú)污染排放，滿足深海采礦關(guān)于環(huán)保方面的相關(guān)排放要求。礦物處理是深海采礦工程實(shí)施的重要工藝環(huán)節(jié)，也是提高深海采礦工程礦物生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。礦物處理從技術(shù)和裝備體系上主要包括礦物脫水、礦物轉(zhuǎn)運(yùn)以及尾水處理三大子系統(tǒng)。

2.1 礦物脫水

礦物脫水是以固液分離和按粒度分級(jí)為基礎(chǔ)的工程應(yīng)用，根據(jù)深海采礦系統(tǒng)作業(yè)特點(diǎn)、礦物特性和處理后綜合含水率要求，為確保具有較高的脫水效率，脫水系統(tǒng)擬采用以篩分、濃縮和過(guò)濾相結(jié)合的機(jī)械力脫水方式并進(jìn)行有機(jī)組合［7］，設(shè)計(jì)合理高效的礦物脫水工藝流程，以實(shí)現(xiàn)不同粗細(xì)顆粒物料地有效分離和多級(jí)回收，提高海底礦物資源的綜合利用率。

礦物脫水系統(tǒng)主要包括篩分脫水（如圓筒回轉(zhuǎn)篩等）、濃縮脫水（如多級(jí)旋流器）和壓濾脫水（如加壓過(guò)濾機(jī)等）等設(shè)備。各階段分離出來(lái)的礦物通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)送到采礦平臺(tái)礦艙進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)或及時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)到駁船進(jìn)行海上轉(zhuǎn)運(yùn)，經(jīng)過(guò)多級(jí)脫水過(guò)濾后的尾水將進(jìn)入尾水深度處理系統(tǒng)進(jìn)行深度綠色排放。礦物脫水子系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

2.2 礦物存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)

將脫水后的礦物短期存儲(chǔ)及順利轉(zhuǎn)運(yùn)到水面運(yùn)輸船上，建立礦物脫水系統(tǒng)和水面運(yùn)輸船重要連接，其存儲(chǔ)效率和轉(zhuǎn)運(yùn)效率是決定整個(gè)深海采礦系統(tǒng)連續(xù)海底礦物開(kāi)采的重要指標(biāo)。

礦物存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)子系統(tǒng)（圖4）根據(jù)功能可分為分艙模塊、布礦模塊、回收模塊、提升模塊和外輸模塊5個(gè)模塊。分艙模塊是將脫水后的礦石經(jīng)皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸至各指定艙；布礦模塊主要保證礦石布艙合理、減少空艙率，該系統(tǒng)包括投料機(jī)以及相對(duì)應(yīng)的電控系統(tǒng)；回收模塊是將散落在艙內(nèi)各處的礦石收集起來(lái)；提升模塊具有將礦石從艙內(nèi)提升到可以向船舷外輸送高度的功能；外輸模塊是將提升到一定高度的礦物通過(guò)伸縮式裝船機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到駁運(yùn)船。

2.3 尾水處理

尾水處理系統(tǒng)（圖5）接收來(lái)自多級(jí)脫水后的出水，首先對(duì)來(lái)水進(jìn)行顆粒度監(jiān)測(cè)，滿足顆粒度后進(jìn)入深度處理單元，否則通過(guò)閥門(mén)切換至前段重復(fù)回收處理。深度處理單元配有一體化多功能處理裝置，裝置采取混凝沉淀、離子還原或生物修復(fù)等方法進(jìn)行重金屬物質(zhì)及其他污染物地去除，并配置多功能分析儀分析處理后尾水的水質(zhì)情況，具備在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及污染物超標(biāo)報(bào)警遠(yuǎn)程傳輸功能，確保尾水經(jīng)處理合格后排放［8］。

3 礦物處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

為滿足未來(lái)商業(yè)化深海采礦平臺(tái)海上礦物處理的總體要求和浮式平臺(tái)特殊作業(yè)環(huán)境，礦物處理技術(shù)逐步向安全可靠性高、結(jié)構(gòu)布置緊湊、重量輕、綠色環(huán)保、能耗低、自動(dòng)化程度高等方向發(fā)展［9］。

研制滿足海洋環(huán)保、高效脫水回收和安全可靠的設(shè)備將成為礦物脫水系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的方向。礦物脫水是以實(shí)現(xiàn)固液分離為目的的工程應(yīng)用［10］，對(duì)提到水面的海底礦物進(jìn)行充分地回收利用、降低礦物損失率和礦物綜合含水率，這是提高經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率的必然要求，也是遵守深海采礦活動(dòng)的開(kāi)發(fā)規(guī)章和踐行環(huán)境保護(hù)。保障礦物脫水系統(tǒng)海上長(zhǎng)周期安全可靠作業(yè)地進(jìn)行是海上采礦的必要要求。

自動(dòng)、高效、安全可靠是礦物存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的目標(biāo)。深海采礦工程需要同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，礦物在水面平臺(tái)需實(shí)現(xiàn)封閉輸送，實(shí)現(xiàn)全流程的監(jiān)測(cè)和控制，提高自動(dòng)化程度，保證礦物輸送的安全。礦物輸送轉(zhuǎn)運(yùn)的相關(guān)技術(shù)在陸地礦產(chǎn)開(kāi)采中有一定的基礎(chǔ)［11］，將設(shè)備移至船上，需保證進(jìn)出艙設(shè)備和轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備在采礦平臺(tái)空間的局限性及海洋特殊環(huán)境的影響下能高效工作，以提高作業(yè)的可靠性和開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性。

尾水處理在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和污染物處理技術(shù)是深海采礦領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和客觀需求。深海采礦領(lǐng)域的環(huán)境保護(hù)及治理方式是國(guó)際海底管理局對(duì)深海資源開(kāi)發(fā)規(guī)章中的重點(diǎn)考核內(nèi)容。礦物脫水是否滿足預(yù)期回收物料顆粒度的要求，脫離后的尾水是否符合或達(dá)到國(guó)際環(huán)保相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，尾水采用什么方式處理排放都是開(kāi)展深海采礦活動(dòng)不可回避的重要問(wèn)題，結(jié)合當(dāng)前船舶壓載水處理和脫硫排放等相關(guān)要求和工程處理方式［12］，可推測(cè)未來(lái)深海采礦尾水顆粒度在線監(jiān)測(cè)并具備多種污染物一體化深度處理是未來(lái)采礦的發(fā)展趨勢(shì)和必然要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于深海采礦礦物處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)出我國(guó)深海礦物處理技術(shù)現(xiàn)階段的發(fā)展暫未有效成型，在礦物處理能力方面還有一定的局限性。同時(shí)深度分析了深海礦物處理的相關(guān)技術(shù)，就礦物脫水、礦物轉(zhuǎn)運(yùn)及尾水處理3個(gè)方面開(kāi)展了詳細(xì)論述；對(duì)現(xiàn)階段深海采礦礦物處理技術(shù)狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深度剖析，以期為未來(lái)技術(shù)研發(fā)提供有力支撐。