深海金属采矿装备与技术发展现状及分析

金属矿产资源是保障国家经济发展与建设的重要物质基础。在陆地稀有金属供应初显疲态的形势下,世界各国纷纷将资源战略瞄向稀有金属蕴藏丰富的深海。开展深海采矿装备与技术的研发攻关,是实现深海矿产资源高效开采的关键。首先,系统论述深海采矿科学技术与装备发展历程,重点分析拖斗式、连续绳斗式、自动穿梭艇式、管道提升式技术特点,总结梳理国内外深海采矿车、深海扬矿装备、深海采矿船3类装备的发展现状;然后,以当前研究与发展动态为基础,围绕采矿、输运、支撑平台3个领域,梳理采集技术、牵引驱动技术、轨迹与规划技术、羽流演变评估技术4项采矿技术上取得的成效和进展,总结气力提升技术、水力提升技术、过流部件保障技术、力学行为分析技术4项输运技术的研究动态,探讨收放技术、升沉补偿技术2项支撑平台技术的研究方向及进展;最后,鉴于经济、环境、装备与技术3个维度目前的发展形势,提出深海采矿技术科学目标由装备可控转变为绿色采矿、安全采矿,为应对未来深海采矿装备与技术发展面临的环境与安全挑战,分析提出有待于聚焦研究的关键科学与技术问题,以此凝练出绿色行进采集技术、超深安全扬矿技术、全局协同保障技术、数字环境评估技术4项亟待突破的关键技术,以期为我国深海采矿装备体系研究与建设提供参考。

深海多金属结核气-固协同还原热力学分析

深海多金属结核作为一种海底自生沉积的矿物,是提取Mn、Fe、Cu、Co、Ni等元素的重要战略资源,其矿物结构复杂,结晶度差,给选矿加工带来困难.为实现对深海多金属结核的低碳高效综合利用,提出了在气(CO+H_(2))-固(C)协同作用下还原深海多金属结核,生产Fe-Ni-Co-Cu合金和富锰渣.采用Factsage热力学计算软件中的Reaction和Equilib模块对气-固还原过程进行热力学计算.计算结果表明:通入还原性气体可降低各氧化物还原开始的温度,MnO只能用C还原,锰碳化物的生成优先于金属Mn,且锰碳化物与CO_(2)、锰氧化物反应生成金属Mn的开始温度低于C还原MnO的开始温度.在气-固协同作用下对深海多金属结核进行选择性还原可以提高还原效率,降低还原开始温度和碳的消耗,从而实现低碳冶金.

深海多金属结核采集过程对沉积物扰动试验研究

为探究深海多金属结核开采过程对海底沉积物的扰动情况,开展了不同射流速度、不同离底高度、不同行进速度条件下多金属结核采集头射流冲刷沉积物水池实验,探究了冲沟深度变化和沉积物迁移扩散规律。结果表明,多金属结核采集过程不仅冲刷沉积物颗粒,也会冲刷沉积物块,导致冲沟表面凹凸不平;沉积物被扰动后,通过上层羽状流和底层重力流形式迁移扩散。

深海金属氢致应力腐蚀断裂韧性计算方法研究

针对钛合金在深海环境下的氢致应力腐蚀开裂问题，通过应力诱导扩散方法计算氢在金属中的扩散，将氢降低金属表面能机理引入到氢致开裂过程，利用ABAQUS有限元软件结合Python二次开发实现对裂纹尖端材料脆化与裂纹扩展循环作用过程的模拟。经过既有文献试验标定，计算误差为11%，证明在每个裂纹开展循环起始时在裂纹尖端更新临界断裂表面能的方法有效，具有可行性。结果表明，氢会在裂纹尖端应力水平较高区域富集，而环境压力会加剧这一过程，某牌号钛合金在5 000 m和10 000 m海深的HISCC断裂韧性分别降低至室内条件下的31.16%和22.28%。

微生物浸出深海多金属结核中有价金属

对氧化亚铁硫杆菌浸出深海多金属结核中有价金属的可行性进行了实验，着重研究 了矿浆浓度、接种量、温度、浸出过程中ｐＨ值对结核中有价金属钴和镍浸出率的影响，同时对 氧化亚铁硫杆菌进行了驯化．实验表明：采用Ｌｅａｔｈｅｎ培养基，加入适量黄铁矿作为菌种的营养 基质和浸出过程中的还原剂，多金属结核，在常温、酸性环境下，可直接浸出金属铜、钻、镍、锰 和铁．

深海多金属硫化物集矿罩的流场分析和参数优化

在1种新的深海多金属硫化物开采设备的基础上,以双螺旋滚筒采集罩下的流体为研究对象,针对硫化物采集过程中可能形成的复杂多相流以及可能造成对周围海域生态环境污染等问题,采用Fluent的Coupled SIMPLE算法及RNG k-ε湍流模型对流场进行仿真计算和分析比较,并且对多个物理参数,如2个滚筒之间的中心距、滚筒的转速、转动方向、矿物的堆积高度、矿物的颗粒直径和抽吸速度等进行优化。研究结果表明:为了达到最优的抽吸效果,2个滚筒中心距有最优值;海水入口处的速度不是越大越好,当海水入口处速度达到2 m/s后,再增加海水速度对缩短抽吸时间的效果不明显;2个滚筒相向运动对缩短抽吸时间效果明显;减少矿物粒径对缩短抽吸时间效果不明显。

微生物浸出深海多金属结核中有价金属

对微生物浸出深海多金属结核中有价金属进行了初步探索 ,并考察了氧化亚铁硫杆菌浸出结核中有价金属的工艺条件 :矿浆浓度、浸出过程中pH、接种量、浸出过程中的温度和还原剂 ,同时对氧化亚铁硫杆菌进行了驯化。菌体的直接作用是结核中有价金属浸出的关键。实验证明 :用氧化亚铁硫杆菌 ,采用Leathen培养基和染料污水制成的混合培养基 ,黄铁矿为菌种的营养基质和浸出过程中的还原剂 ,多金属结核无需干燥、磨细 ,在常温、酸性环境下 ,可直接浸出金属铜、钴、镍、锰和铁。浸出 9天 ,浸出率为钴 95 92 % ,镍 93 95 % ,锰 93 97% ,铜 5 3 35 % ,锌 6 6 13 %、钼 15 13%、铁 2 4 73%(浸液 )。可降低污水中的BOD、SS、色度、总磷、总氮的含量 ,浸出后的废渣可作微生物固定化载体 。

深海多金属硫化物开采作业安全与环境影响分析及对策研究

随着各国对深海多金属硫化物勘探与开发的步伐逐渐加快,为确保并指导承包者在区域内开采多金属硫化物作业安全且符合保护环境规定,首先论述开采深海多金属硫化物的工艺技术,以此为基础结合加拿大鹦鹉螺和美国海王星矿业公司试采多金属硫化物案例,分析其作业过程所涉及的硫矿泄漏、结构失效、机械伤害、火灾爆炸等安全问题和破坏海底动植物群及其栖息地、排放采矿废水尾矿等环境影响,最后就作业安全与环境影响问题分别给出了针对性的对策与建议,可为工程实践提供参考。

深海多金属硫化物瞬变电磁激电效应初探

瞬变电磁法是深海多金属硫化物勘探的有效手段。海底多金属硫化物中高品位的金属组分会引起极强的激电效应,且对瞬变电磁响应产生显著影响。本文通过实验室测量和数值模拟对深海多金属硫化物的激电效应进行了探讨和分析。首先对西南印度洋中脊热液区的岩矿石样品进行了较为系统的电性测试,典型硫化物的复电阻率在频率域有最大达160 mrad相位移动,时间域与频率域的测量结果表明,极化率参数可以很好地区分硫化矿物与围岩。利用Cole-Cole模型对实测复电阻率进行解释,得到复电阻率的特征参数,分析各参数与块状硫化物组分和结构的关系,并根据极化率参数对典型硫化物进行了分类。将典型硫化物的激电参数用于计算层状介质的瞬变电磁响应,计算结果表明,在海底多金属硫化物矿床瞬变电磁法响应的最佳观测时窗内可同时观测到激电效应的影响。虽然在采集时窗晚期瞬变响应发生畸变,但在信号接收早期,激电效应能有效增强瞬变电磁法对深海多金属硫化物的探测能力,为瞬变电磁实测数据提供解释依据。

深海多金属结核处理——一种有前途的冶炼方法

介绍了建立船上活动冶炼厂、就地处理深海多金属结核的构想,并提出了一种在常温常压下快速浸出的新方法,该方法可望发展成为一种船用冶炼技术。

深海多金属结核开采潜在工程地质环境影响研究进展

深海多金属结核广泛分布于全球海底,资源储量丰富、开采潜力巨大。自20世纪60年代,围绕深海多金属结核开采提出了连续链斗式、穿梭艇式、管道提升式等的采矿方式,目前研究中多以管道提升式研究为主。将赋存在海床沉积物表面的多金属结核开采出来必然会引起表层沉积物的扰动,从而影响海水化学性质及海洋生物活性。国内外学者围绕深海多金属结核开采,从结核的资源储量、矿区工程地质条件、开采技术、环境影响等方面展开了诸多研究。基于国内外大量文献资料,着重整理了深海多金属结核富集区CC区(东太平洋的克拉里昂—克里帕顿断裂带之间的海底区域)的研究进展。针对以管道提升式开采方式开采深海多金属结核产生的潜在工程地质环境影响得到以下几点认识:(1)结核开采过程中对表层沉积物产生扰动致使沉积物发生再悬浮,再悬浮颗粒浓度是影响海水化学性质、海洋生物活性的主要原因;(2)矿区表层沉积物的工程地质性质是深海多金属结核开采过程中生态环境影响程度的关键控制因素,其决定了结核开采时沉积物再悬浮的质量、空间分布特征;(3)目前多金属结核开采的环境影响评价多基于对生物群落的影响程度进行定性的评价,尚未有基于沉积物工程地质性质变化、再悬浮沉积物时空分布规律进行的环境影响评价,未来深海多金属结核开采环境工程地质影响定量评价系统有待建立。以上认识对于深入了解多金属结核开采研究现状、工程地质环境影响特征、监测环境影响内容有重要意义。

深海多金属结核分布与有价元素提取工艺进展

深海多金属结核主要分布在CP区和CC区等不同海域,表层沉积物均以硅质粘土为主,CP区多金属结核丰度一般大于15 kg/m2,Cu+Co+Ni品位较低,一般小于1.8%;CC区区内丰度大于5 kg/m2的占45%,主要集中在本区的中部和南部,其对应的品位高于2.5%,基本呈纬向带状分布。外部结核层、内部结核层与核心层w(Fe2O3)、w(MnO)分别为9.4%~12.8%、39.7%~46.5%,不同结核层中钠水锰矿、钡镁锰矿、δ-Mn2等主要矿物的XRD衍射峰强度呈现一定差异。外部结核层较薄,内部结核层较厚表面布满规则裂纹,核心层至少具有一个形核核心。多金属结核中所含金属元素种类丰富、多矿物紧密混杂,难以提取其中的Mn、Fe、Cu、Co和Ni等有价金属元素。火法冶炼有熔炼法与直接还原法,其产品一般为富锰渣与合金,酸/碱法浸出可得到Mn、Fe、Cu、Co和Ni等的金属,其浸出率基本能达到85%以上,甚至可以达到95%以上。生物法可通过微生物浸出多金属结核的Mn、Fe、Cu、Co和Ni等元素。此外,熔炼-锈蚀法、电解法等处理多金属结核同样效果显著。

深海多金属结核回转窑预还原的研究

为实现深海多金属结核高效冶炼,拟采用回转窑预还原—全氧熔池熔分新工艺。针对回转窑预还原阶段,研究了温度对深海多金属结核预还原的影响,结果表明,MnO2逐渐还原为Mn2O3、MnO,最终生成Mn;Fe2O3还原为Fe3O4、FeO,最终生成Fe;CuO、CoO、NiO等直接还原为Cu、Co、Ni。预还原温度越高样品预还原程度越完全。在1300℃时样品综合还原效果最显著,出现金属熔化重新凝聚现象,反应后样品中出现球状金属颗粒;在相同温度下,还原时间由1h增加到2h时,还原效果显著增强。

深海多金属结核流态化采集头流场参数匹配

深海蕴藏着丰富的矿产资源,其中,多金属结核可能成为未来金属资源的有效保障。开发多金属结核的难点之一就是如何将矿石从沉积物中高效绿色采集到采矿车上,水力采集方式是目前研究的热点。基于双排喷嘴射流的水力式集矿装置因具有结构简单、可靠性高及能耗较低等优点,受到广泛关注。利用流体仿真分析软件对不同射流角度、不同抽吸速度的采集头内部流场的速度场进行数值模拟与参数匹配研究,采用标准k-ε湍流模型,以采集头有效作用区上喷流速度的平均值和离散系数来评价采集头流场效果。结果表明,采集头采用前后射流与水平方向呈70°角、前排喷嘴射流速度10 m/s、后排喷嘴射流速度15 m/s、抽吸速度为5 m/s等参数时,内部流场效果相对较好。

从深海多金属氧化矿中提取关键金属技术研究现状与分析

铁锰结核、富钴结壳等深海多金属氧化矿富含钴、镍、铜、锰、稀有金属元素等,从其被发现就被认为是未来重要的关键金属原料,尤其是全球绿色经济发展的需要,对从深海多金属氧化矿中获取绿色关键金属成为鼓励深海采矿的重要驱动力。概述了绿色经济发展对关键金属的需求、陆地资源供应及价格趋势,分析了结核和结壳中各关键金属价值构成;对从深海多金属氧化矿中提取镍、钴、铜、钼、稀土、铂、锰等技术分别进行回顾和分析;最后从绿色低碳、最大化综合利用角度,分析深海关键金属提取冶金技术的发展趋势。

深海多金属硫化矿资源综合回收利用

阐述了深海多金属硫化物中有价金属综合回收利用工艺研究。项目试验采用选矿、氧化焙烧、低酸浸出、溶剂萃取及化学沉淀等工艺从深海多金属硫化物中回收有价金属Cu、Co等,并就上述各工艺流程中影响深海多金属硫化物中有价金属回收率的因素进行研究,寻找出了深海多金属硫化物中有价金属综合回收最佳工艺参数,为下一步深海多金属硫化物中有价金属综合回收利用提供技术支持。

微生物异化还原金属氧化物的机理及应用

为考查异化还原微生物在浸出金属氧化物中的行为,提高微生物浸出深海多金属结核的效率.从深海沉积物中分离能异化还原金属氧化矿的金属还原菌,应用于还原浸出深海多金属结核中锰、镍、钴等金属,锰的浸出率可达97%,其它金属达80%以上.蒽醌类的电子传递中间体复合物加速了异化还原浸出的速率,5 d可以提高2.0 mmol/L.利用Geobacter metallireducens构建了微生物燃料电池,研究了微生物异化还原金属氧化物的机理,结果表明,微生物以直接吸附接触方式还原金属氧化物,在氧化物颗粒表面形成的生物膜在异化还原过程中起关键作用.

海底多金属硫化物集矿过程固液两相流数值模拟研究

基于螺旋滚筒破岩工作特点,建立多金属硫化物集矿抽吸流场模型,利用Fluent软件对多金属硫化物集矿过程的固液两相流动进行数值模拟,分析矿物初始运动状态、矿物粒径、抽吸管道结构参数、抽吸水流速度等对抽吸性能的影响。研究结果表明:对多金属硫化物进行收集时应尽量提高多金属硫化物的初始运动速度;矿物粒径越大抽吸难度越大,应控制矿物粒径在10~30 mm范围内;抽吸管道直径与抽吸完成率呈正相关,综合考虑抽吸完成率和抽吸浓度,建议抽吸管道内径为150 mm,并加装导流罩;抽吸水流速度与抽吸完成率呈正相关,但抽吸水流速度不是越大越好,综合考虑抽吸效率与能耗,建议抽吸水流速度取值范围为7~8 m/s。

中国首次深海扬矿泵管系统海上试验圆满成功

近日,中国南海传来喜讯：由中国五矿集团公司所属长沙矿冶研究院承担的国家863计划项目＂深海多金属结核和富钴结壳采掘与输运关键技术及装备＂,于6月16日到20日在中国南海某海域成功进行了＂深海扬矿泵管输送系统＂海上试验,顺利通过国家863计划项目海试验收专家组验收。

我国深海扬矿泵管系统首次海上试验取得成功

由中国五矿集团公司所属长沙矿冶研究院承担的国家863计划项目“深海多金属结核和富钴结壳采掘与输运关键技术及装备”，于2016年6月16日～20日在中国南海某海域成功进行了“深海扬矿泵管输送系统”海上试验。本次海试中，管道布放水深304米，管道总长638米，输送矿浆体积流量500m3／h，结核输送量50t／h，顺利通过国家863计划项目海试验收专家组验收。这是我国首次开展深海采矿单体工程技术的海试，标志着我国深海矿物输送技术从此跻身世界一流。