深海采礦船脫水裝置設(shè)計

饒順華

(福建省馬尾造船股份有限公司， 福建 福州 350501)

0 引 言

海洋中蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源[1]，其種類之多、范圍之廣、儲量之大遠超陸地礦產(chǎn)資源。其中最具商業(yè)開發(fā)價值的有多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和熱液硫化物等，主要分布在太平洋、大西洋和印度洋的國際海底區(qū)域。

國際海底區(qū)域內(nèi)的資源是人類共同財產(chǎn)，遵循“誰有能力誰先開發(fā)”的原則。隨著各種金屬資源需求的不斷增加和陸地礦產(chǎn)資源的不斷枯竭, 世界各國都加大了對海底礦產(chǎn)開采的力度, 截至2016年4月，國際海底管理局已核準包括中國、法國、日本、俄羅斯、英國、德國、韓國、印度等國的國際海底礦區(qū)勘探申請總計27份。自1994年國際海洋法公約生效后，對專屬經(jīng)濟區(qū)以外深海大洋的國際競爭日趨劇烈，大力發(fā)展與儲備深海礦產(chǎn)勘探與開發(fā)技術(shù)已成為各國從事國際海底區(qū)域活動的基本戰(zhàn)略。

深海采礦船作為采礦作業(yè)的生產(chǎn)支持和存儲母船，是采礦系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，兼具航行、居住、采礦作業(yè)和保障等4大功能，其配套裝備復雜、系統(tǒng)集成度高，對水下作業(yè)裝備布放回收系統(tǒng)、礦物脫水系統(tǒng)、礦物存儲與轉(zhuǎn)運系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的安裝提出了比其他常規(guī)海洋工程船更多、更高的技術(shù)要求。

從海里采集到的是礦、水混合物，為便于存儲、轉(zhuǎn)運，必須進行脫水處理。陸地上礦物脫水系統(tǒng)正向大型化、可靠性佳、精度高、脫水效果佳、維護方便、易損件少、使用周期長等方向發(fā)展，但船舶卻不能簡單地把陸用的脫水設(shè)備安裝到船上就可以正常運行了。船舶的甲板面積小、空間小以及設(shè)備裝船的規(guī)范和標準等因素，使船用脫水系統(tǒng)需對陸地上的處理系統(tǒng)重新進行設(shè)備選擇和布置以及流程設(shè)計，才能讓船用脫水設(shè)備在惡劣的海況下也能正常、高效、穩(wěn)定地工作。

船舶脫水裝置實船安裝很少。本文以某采礦船建造為例，進行脫水裝置的裝船模塊設(shè)計，供今后同類船脫水裝置設(shè)計時參考。

1 采礦船情況簡介

深海采礦船作為采礦作業(yè)的生產(chǎn)支持和礦物存儲母船，如圖1所示，是整套采礦作業(yè)系統(tǒng)的中樞環(huán)節(jié)，不僅為采礦/集礦系統(tǒng)、揚礦系統(tǒng)和礦物存儲轉(zhuǎn)運系統(tǒng)提供動力保障，也為各采礦系統(tǒng)的正常作業(yè)提供推進器定位、實時監(jiān)測和智能遙控等輔助支持，同時還對采集到的礦物進行脫水處理，有效提供礦物存儲空間并能適時地將礦物轉(zhuǎn)運至貨船以便運輸至陸地。

圖1 深海采礦船

該采礦船船型為全球首制，總長227 m，船寬40 m，型深18.2 m，吃水13.2 m，配置6 600 V中壓配電系統(tǒng)，總裝機動力約31 000 kW，采用先進的電力推進系統(tǒng)，由6臺單機5 238 kW的柴油發(fā)電機組為7臺推進器(艏部安裝2臺2 000 kW的首側(cè)推和2臺3 500 kW的可伸縮全回轉(zhuǎn)推進器，艉部安裝3臺3 000 kW的固定全回轉(zhuǎn)推進器)、船用設(shè)備及海底采礦設(shè)備提供電力。該船配置有199人高舒適度居住艙室；配置有完整的深海礦物采/集系統(tǒng)、礦物提升系統(tǒng)、礦物脫水系統(tǒng)和礦物儲存轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，以及水下機器人、大型甲板吊車、直升機平臺等，具備于2 500 m深海區(qū)域采礦作業(yè)能力，可以裝載脫水后的礦貨39 000 t[2]。

2 脫水原理及流程

礦物脫水方法和設(shè)備很多, 主要分為以下幾種：

(1) 重力脫水。是指依靠重力而實現(xiàn)的脫水, 主要應(yīng)用于粗顆粒礦物的脫水, 能脫去自由水分。主要包括自然重力脫水(脫水斗子和脫水倉)和重力濃縮脫水(濃縮機和沉淀池) 設(shè)備。

(2) 機械力脫水。是指靠機械力而實現(xiàn)的水和物料的分離, 能脫去自由水分。主要包括篩分脫水(振動篩)、離心脫水(過濾式離心脫水機和沉降式離心脫水機)和過濾脫水(真空脫水機、板框壓濾機和加壓過濾機)設(shè)備。

(3) 熱能干燥。是指利用熱能使礦物中的水汽化而蒸發(fā)的脫水[3], 能去除礦物中的毛細水、化合水和結(jié)合水。主要方法包括熱力干燥和日光暴曬。

根據(jù)本采礦船的礦物特點，從海底提升上來的礦為50 mm以下顆粒，固體的體積分數(shù)約12%，本船的脫水系統(tǒng)采用機械力脫水，用于脫水的主要設(shè)備有振動篩、離心脫水機、水力旋流器和壓濾機。

脫水的流程如下，如圖2所示。

(1) 將礦物和海水的混合礦漿從提升管抽出后，送入雙層振動篩，最上層篩面的10～50 mm礦物顆粒被分離出來，進入輸送帶輸送到貨艙。

(2) 雙層振動篩篩底的0.5～10.0 mm礦物顆粒，進入離心分離機分離后，也是通過輸送帶至貨艙。

(3) 0.5 mm以下礦物顆粒和海水混合物直接經(jīng)過振動篩后，進入到初級旋流器，初級旋流器分離出0.15～0.5 mm礦物顆粒輸送到離心分離機后，礦物經(jīng)輸送帶到貨艙。

(4) 離心分離機的剩余產(chǎn)物也是含有用礦物的，本裝置沒有將其浪費掉，而是經(jīng)過收集箱重新回到雙層振動篩，再次分離。

(5) 經(jīng)過初級旋流器分離后的剩余產(chǎn)物為0.15 mm以下礦物粉末和海水混合物，這些混合物進入二級旋流器，經(jīng)過二級旋流器，海水被分離出，回到礦物提升系統(tǒng)，這也是整個系統(tǒng)唯一的海水出口。

(6) 經(jīng)過二級旋流器濾出海水的濃縮礦漿進入壓濾機，壓濾機的產(chǎn)物即為最后分離出來的有用礦物，即0.008～0.150 mm的超細礦粉。壓濾機的濾出物主要為海水，這里的海水沒有離開脫水系統(tǒng)， 海水中也含有礦粉， 海水會再次被送回至二級旋流器進行分離和提取礦物。

(7) 各個階段分離出來的礦物， 排放到脫水裝置下邊的輸送帶上，通過輸送帶和裝卸貨系統(tǒng)自動運送到各貨艙內(nèi)。

圖2 脫水系統(tǒng)流程圖

3 脫水系統(tǒng)模塊劃分

根據(jù)船舶主甲板面的布置情況和脫水功能需求，對該船所有脫水裝置進行配備，主要設(shè)備可劃分為3個模塊(見圖3)：篩分模塊、艙柜模塊和過濾模塊，用于將揚礦系統(tǒng)提升至海面的原礦漿脫水至適合運輸?shù)暮繕藴剩⒈M量減少礦物損失。該裝置3個模塊使用型鋼做框架，分層布置，各個設(shè)備布置在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)形成模塊，3個模塊總重約2 000 t，上連揚礦系統(tǒng)管道，下連礦物轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的皮帶輸送機，通過7個出口將預(yù)處理后的礦物輸送到裝卸貨系統(tǒng)的皮帶機上，然后輸送至貨艙或駁運至其他運輸船上，系統(tǒng)脫出的海水回收至海水提升系統(tǒng)的海水收集艙。

圖3 脫水裝置主要設(shè)備組成圖

3.1 篩分模塊

篩分模塊(見圖4)需布置在礦物提升系統(tǒng)的塔架邊上，從塔架海水提升管出來的礦物和海水的混合物可以方便地接入至篩分模塊進行處理，礦漿處理能力是約865 m3/h 固體的體積含量約為12%，篩分模塊可處理顆粒大小為0.15～50.00 mm。

篩分模塊主要設(shè)備有：4臺離心分離機；4臺彈性泵；2臺攪拌器；6臺供給泵；4臺初級旋流器；2臺濾器供給柜轉(zhuǎn)向器；2臺振動篩；2臺燭式過濾器；2臺溢流收集泵。

圖4 篩分模塊

3.2 艙柜模塊

艙柜模塊(見圖5)是整個脫水系統(tǒng)的第2個模塊，接收顆粒為0.15 mm以下的礦漿，其主要功能是通過二級旋流器分離0.008 mm以上顆粒的礦漿，輸送礦漿到第3個模塊，分離出來的海水排回到海水提升系統(tǒng)的海水收集艙。這也是脫水系統(tǒng)非常重要的一個作用，深海提升上來的海水會含有微生物，若把海水隨意排放，可能會破壞海面的生態(tài)環(huán)境，而脫水裝置把海水收集起來，排放到海水收集艙，然后通過提升系統(tǒng)泵重新把海水收集艙的海水打入海底，這樣就不會破壞生態(tài)環(huán)境了。

圖5 艙柜模塊

艙柜模塊主要設(shè)備有：3臺溢流收集泵；4臺濾器供給泵；1臺濾器供給柜攪拌器；2臺二級旋流器。

3.3 過濾模塊

過濾模塊(見圖6)是整個脫水系統(tǒng)的最后一個模塊，通過壓濾器濾出0.008～0.150 mm的礦砂，濾出礦砂后的海水回到艙柜模塊的二級旋流器，通過二級旋流器回海水收集艙。

圖6 過濾模塊

過濾模塊主要設(shè)備有：4臺壓濾器，是最貴的設(shè)備；4臺卸料罐；4臺脫水罐收集；1臺濾器液壓單元；3臺空氣瓶；4臺石灰柜；1臺行車。

4 結(jié) 語

船用脫水設(shè)備的選用應(yīng)根據(jù)礦物所含水分的類型、礦物特性、礦物顆粒大小、經(jīng)濟性、存貯運輸?shù)囊蟆⒋系牟贾靡蟮戎T多因素進行綜合考慮。雖然中國船用脫水設(shè)備在一定程度上與國外同類產(chǎn)品還有差距，甚至是空缺的，但應(yīng)抓住機遇和挑戰(zhàn)，在市場經(jīng)濟和經(jīng)濟全球化的條件下,加快研究發(fā)展的步伐, 充分吸收和借鑒國外設(shè)計制造的先進經(jīng)驗, 研制出適合船用的脫水設(shè)備, 最終趕上和達到世界先進水平，為未來自主建造采礦船提供有力支撐，從而推動中國國際海底礦產(chǎn)資源商業(yè)化開發(fā)進程，維護中國在國際海底區(qū)域礦產(chǎn)資源的開采權(quán)益。