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(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源[1]，其種類(lèi)之多、范圍之廣、儲(chǔ)量之大遠(yuǎn)超陸地礦產(chǎn)資源。其中最具商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)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(guó)際海底區(qū)域。

國(guó)際海底區(qū)域內(nèi)的資源是人類(lèi)共同財(cái)產(chǎn)，遵循“誰(shuí)有能力誰(shuí)先開(kāi)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(guó)都加大了對(duì)海底礦產(chǎn)開(kāi)采的力度, 截至2016年4月，國(guó)際海底管理局已核準(zhǔn)包括中國(guó)、法國(guó)、日本、俄羅斯、英國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)、印度等國(guó)的國(guó)際海底礦區(qū)勘探申請(qǐng)總計(jì)27份。自1994年國(guó)際海洋法公約生效后，對(duì)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)以外深海大洋的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日趨劇烈，大力發(fā)展與儲(chǔ)備深海礦產(chǎn)勘探與開(kāi)發(fā)技術(shù)已成為各國(guó)從事國(guó)際海底區(qū)域活動(dòng)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(chǔ)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(fù)雜、系統(tǒng)集成度高，對(duì)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(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)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(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)，必須進(jìn)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(hù)方便、易損件少、使用周期長(zhǎng)等方向發(fā)展，但船舶卻不能簡(jiǎn)單地把陸用的脫水設(shè)備安裝到船上就可以正常運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)等因素，使船用脫水系統(tǒng)需對(duì)陸地上的處理系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)備選擇和布置以及流程設(shè)計(jì)，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(shí)船安裝很少。本文以某采礦船建造為例，進(jìn)行脫水裝置的裝船模塊設(shè)計(jì)，供今后同類(lèi)船脫水裝置設(shè)計(jì)時(shí)參考。

1 采礦船情況簡(jiǎn)介

深海采礦船作為采礦作業(yè)的生產(chǎn)支持和礦物存儲(chǔ)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(yáng)礦系統(tǒng)和礦物存儲(chǔ)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)提供動(dòng)力保障，也為各采礦系統(tǒng)的正常作業(yè)提供推進(jìn)器定位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能遙控等輔助支持，同時(shí)還對(duì)采集到的礦物進(jìn)行脫水處理，有效提供礦物存儲(chǔ)空間并能適時(shí)地將礦物轉(zhuǎn)運(yùn)至貨船以便運(yùn)輸至陸地。

圖1 深海采礦船

該采礦船船型為全球首制，總長(zhǎng)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(jī)動(dòng)力約31 000 kW，采用先進(jìn)的電力推進(jìn)系統(tǒng)，由6臺(tái)單機(jī)5 238 kW的柴油發(fā)電機(jī)組為7臺(tái)推進(jìn)器(艏部安裝2臺(tái)2 000 kW的首側(cè)推和2臺(tái)3 500 kW的可伸縮全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，艉部安裝3臺(tái)3 000 kW的固定全回轉(zhuǎn)推進(jìn)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(chǔ)存轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，以及水下機(jī)器人、大型甲板吊車(chē)、直升機(jī)平臺(tái)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(shí)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(cāng))和重力濃縮脫水(濃縮機(jī)和沉淀池) 設(shè)備。

(2) 機(jī)械力脫水。是指靠機(jī)械力而實(shí)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(dòng)篩)、離心脫水(過(guò)濾式離心脫水機(jī)和沉降式離心脫水機(jī))和過(guò)濾脫水(真空脫水機(jī)、板框壓濾機(jī)和加壓過(guò)濾機(jī))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(xì)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(diǎn)，從海底提升上來(lái)的礦為50 mm以下顆粒，固體的體積分?jǐn)?shù)約12%，本船的脫水系統(tǒng)采用機(jī)械力脫水，用于脫水的主要設(shè)備有振動(dòng)篩、離心脫水機(jī)、水力旋流器和壓濾機(jī)。

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(dòng)篩，最上層篩面的10～50 mm礦物顆粒被分離出來(lái)，進(jìn)入輸送帶輸送到貨艙。

(2) 雙層振動(dòng)篩篩底的0.5～10.0 mm礦物顆粒，進(jìn)入離心分離機(jī)分離后，也是通過(guò)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(guò)振動(dòng)篩后，進(jìn)入到初級(jí)旋流器，初級(jí)旋流器分離出0.15～0.5 mm礦物顆粒輸送到離心分離機(jī)后，礦物經(jīng)輸送帶到貨艙。

(4) 離心分離機(jī)的剩余產(chǎn)物也是含有用礦物的，本裝置沒(méi)有將其浪費(fèi)掉，而是經(jīng)過(guò)收集箱重新回到雙層振動(dòng)篩，再次分離。

(5) 經(jīng)過(guò)初級(jí)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(jìn)入二級(jí)旋流器，經(jīng)過(guò)二級(jí)旋流器，海水被分離出，回到礦物提升系統(tǒng)，這也是整個(gè)系統(tǒng)唯一的海水出口。

(6) 經(jīng)過(guò)二級(jí)旋流器濾出海水的濃縮礦漿進(jìn)入壓濾機(jī)，壓濾機(jī)的產(chǎn)物即為最后分離出來(lái)的有用礦物，即0.008～0.150 mm的超細(xì)礦粉。壓濾機(jī)的濾出物主要為海水，這里的海水沒(méi)有離開(kāi)脫水系統(tǒng)， 海水中也含有礦粉， 海水會(huì)再次被送回至二級(jí)旋流器進(jìn)行分離和提取礦物。

(7) 各個(gè)階段分離出來(lái)的礦物， 排放到脫水裝置下邊的輸送帶上，通過(guò)輸送帶和裝卸貨系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)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(duì)該船所有脫水裝置進(jìn)行配備，主要設(shè)備可劃分為3個(gè)模塊(見(jiàn)圖3)：篩分模塊、艙柜模塊和過(guò)濾模塊，用于將揚(yáng)礦系統(tǒng)提升至海面的原礦漿脫水至適合運(yùn)輸?shù)暮繕?biāo)準(zhǔn)，并盡量減少礦物損失。該裝置3個(gè)模塊使用型鋼做框架，分層布置，各個(gè)設(shè)備布置在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)形成模塊，3個(gè)模塊總重約2 000 t，上連揚(yáng)礦系統(tǒng)管道，下連礦物轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的皮帶輸送機(jī)，通過(guò)7個(gè)出口將預(yù)處理后的礦物輸送到裝卸貨系統(tǒng)的皮帶機(jī)上，然后輸送至貨艙或駁運(yùn)至其他運(yùn)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(jiàn)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(lái)的礦物和海水的混合物可以方便地接入至篩分模塊進(jìn)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(tái)離心分離機(jī)；4臺(tái)彈性泵；2臺(tái)攪拌器；6臺(tái)供給泵；4臺(tái)初級(jí)旋流器；2臺(tái)濾器供給柜轉(zhuǎn)向器；2臺(tái)振動(dòng)篩；2臺(tái)燭式過(guò)濾器；2臺(tái)溢流收集泵。

圖4 篩分模塊

3.2 艙柜模塊

艙柜模塊(見(jiàn)圖5)是整個(gè)脫水系統(tǒng)的第2個(gè)模塊，接收顆粒為0.15 mm以下的礦漿，其主要功能是通過(guò)二級(jí)旋流器分離0.008 mm以上顆粒的礦漿，輸送礦漿到第3個(gè)模塊，分離出來(lái)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(gè)作用，深海提升上來(lái)的海水會(huì)含有微生物，若把海水隨意排放，可能會(huì)破壞海面的生態(tài)環(huán)境，而脫水裝置把海水收集起來(lái)，排放到海水收集艙，然后通過(guò)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(huì)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(tái)溢流收集泵；4臺(tái)濾器供給泵；1臺(tái)濾器供給柜攪拌器；2臺(tái)二級(jí)旋流器。

3.3 過(guò)濾模塊

過(guò)濾模塊(見(jiàn)圖6)是整個(gè)脫水系統(tǒng)的最后一個(gè)模塊，通過(guò)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(jí)旋流器，通過(guò)二級(jí)旋流器回海水收集艙。

圖6 過(guò)濾模塊

過(guò)濾模塊主要設(shè)備有：4臺(tái)壓濾器，是最貴的設(shè)備；4臺(tái)卸料罐；4臺(tái)脫水罐收集；1臺(tái)濾器液壓?jiǎn)卧?臺(tái)空氣瓶；4臺(tái)石灰柜；1臺(tái)行車(chē)。

4 結(jié) 語(yǔ)

船用脫水設(shè)備的選用應(yīng)根據(jù)礦物所含水分的類(lèi)型、礦物特性、礦物顆粒大小、經(jīng)濟(jì)性、存貯運(yùn)輸?shù)囊?、船上的布置要求等諸多因素進(jìn)行綜合考慮。雖然中國(guó)船用脫水設(shè)備在一定程度上與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品還有差距，甚至是空缺的，但應(yīng)抓住機(jī)遇和挑戰(zhàn)，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和經(jīng)濟(jì)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(guó)外設(shè)計(jì)制造的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn), 研制出適合船用的脫水設(shè)備, 最終趕上和達(dá)到世界先進(jìn)水平，為未來(lái)自主建造采礦船提供有力支撐，從而推動(dòng)中國(guó)國(guó)際海底礦產(chǎn)資源商業(yè)化開(kāi)發(fā)進(jìn)程，維護(hù)中國(guó)在國(guó)際海底區(qū)域礦產(chǎn)資源的開(kāi)采權(quán)益。