深海采矿船脱水装置设计

饶顺华

(福建省马尾造船股份有限公司， 福建 福州 350501)

0 引 言

海洋中蕴藏着丰富的矿产资源[1]，其种类之多、范围之广、储量之大远超陆地矿产资源。其中最具商业开发价值的有多金属结核、富钴结壳和热液硫化物等，主要分布在太平洋、大西洋和印度洋的国际海底区域。

国际海底区域内的资源是人类共同财产，遵循“谁有能力谁先开发”的原则。随着各种金属资源需求的不断增加和陆地矿产资源的不断枯竭, 世界各国都加大了对海底矿产开采的力度, 截至2016年4月，国际海底管理局已核准包括中国、法国、日本、俄罗斯、英国、德国、韩国、印度等国的国际海底矿区勘探申请总计27份。自1994年国际海洋法公约生效后，对专属经济区以外深海大洋的国际竞争日趋剧烈，大力发展与储备深海矿产勘探与开发技术已成为各国从事国际海底区域活动的基本战略。

深海采矿船作为采矿作业的生产支持和存储母船，是采矿系统中最为关键的部分，兼具航行、居住、采矿作业和保障等4大功能，其配套装备复杂、系统集成度高，对水下作业装备布放回收系统、矿物脱水系统、矿物存储与转运系统等关键设备的安装提出了比其他常规海洋工程船更多、更高的技术要求。

从海里采集到的是矿、水混合物，为便于存储、转运，必须进行脱水处理。陆地上矿物脱水系统正向大型化、可靠性佳、精度高、脱水效果佳、维护方便、易损件少、使用周期长等方向发展，但船舶却不能简单地把陆用的脱水设备安装到船上就可以正常运行了。船舶的甲板面积小、空间小以及设备装船的规范和标准等因素，使船用脱水系统需对陆地上的处理系统重新进行设备选择和布置以及流程设计，才能让船用脱水设备在恶劣的海况下也能正常、高效、稳定地工作。

船舶脱水装置实船安装很少。本文以某采矿船建造为例，进行脱水装置的装船模块设计，供今后同类船脱水装置设计时参考。

1 采矿船情况简介

深海采矿船作为采矿作业的生产支持和矿物存储母船，如图1所示，是整套采矿作业系统的中枢环节，不仅为采矿/集矿系统、扬矿系统和矿物存储转运系统提供动力保障，也为各采矿系统的正常作业提供推进器定位、实时监测和智能遥控等辅助支持，同时还对采集到的矿物进行脱水处理，有效提供矿物存储空间并能适时地将矿物转运至货船以便运输至陆地。

图1 深海采矿船

该采矿船船型为全球首制，总长227 m，船宽40 m，型深18.2 m，吃水13.2 m，配置6 600 V中压配电系统，总装机动力约31 000 kW，采用先进的电力推进系统，由6台单机5 238 kW的柴油发电机组为7台推进器(艏部安装2台2 000 kW的首侧推和2台3 500 kW的可伸缩全回转推进器，艉部安装3台3 000 kW的固定全回转推进器)、船用设备及海底采矿设备提供电力。该船配置有199人高舒适度居住舱室；配置有完整的深海矿物采/集系统、矿物提升系统、矿物脱水系统和矿物储存转运系统，以及水下机器人、大型甲板吊车、直升机平台等，具备于2 500 m深海区域采矿作业能力，可以装载脱水后的矿货39 000 t[2]。

2 脱水原理及流程

矿物脱水方法和设备很多, 主要分为以下几种：

(1) 重力脱水。是指依靠重力而实现的脱水, 主要应用于粗颗粒矿物的脱水, 能脱去自由水分。主要包括自然重力脱水(脱水斗子和脱水仓)和重力浓缩脱水(浓缩机和沉淀池) 设备。

(2) 机械力脱水。是指靠机械力而实现的水和物料的分离, 能脱去自由水分。主要包括筛分脱水(振动筛)、离心脱水(过滤式离心脱水机和沉降式离心脱水机)和过滤脱水(真空脱水机、板框压滤机和加压过滤机)设备。

(3) 热能干燥。是指利用热能使矿物中的水汽化而蒸发的脱水[3], 能去除矿物中的毛细水、化合水和结合水。主要方法包括热力干燥和日光暴晒。

根据本采矿船的矿物特点，从海底提升上来的矿为50 mm以下颗粒，固体的体积分数约12%，本船的脱水系统采用机械力脱水，用于脱水的主要设备有振动筛、离心脱水机、水力旋流器和压滤机。

脱水的流程如下，如图2所示。

(1) 将矿物和海水的混合矿浆从提升管抽出后，送入双层振动筛，最上层筛面的10～50 mm矿物颗粒被分离出来，进入输送带输送到货舱。

(2) 双层振动筛筛底的0.5～10.0 mm矿物颗粒，进入离心分离机分离后，也是通过输送带至货舱。

(3) 0.5 mm以下矿物颗粒和海水混合物直接经过振动筛后，进入到初级旋流器，初级旋流器分离出0.15～0.5 mm矿物颗粒输送到离心分离机后，矿物经输送带到货舱。

(4) 离心分离机的剩余产物也是含有用矿物的，本装置没有将其浪费掉，而是经过收集箱重新回到双层振动筛，再次分离。

(5) 经过初级旋流器分离后的剩余产物为0.15 mm以下矿物粉末和海水混合物，这些混合物进入二级旋流器，经过二级旋流器，海水被分离出，回到矿物提升系统，这也是整个系统唯一的海水出口。

(6) 经过二级旋流器滤出海水的浓缩矿浆进入压滤机，压滤机的产物即为最后分离出来的有用矿物，即0.008～0.150 mm的超细矿粉。压滤机的滤出物主要为海水，这里的海水没有离开脱水系统， 海水中也含有矿粉， 海水会再次被送回至二级旋流器进行分离和提取矿物。

(7) 各个阶段分离出来的矿物， 排放到脱水装置下边的输送带上，通过输送带和装卸货系统自动运送到各货舱内。

图2 脱水系统流程图

3 脱水系统模块划分

根据船舶主甲板面的布置情况和脱水功能需求，对该船所有脱水装置进行配备，主要设备可划分为3个模块(见图3)：筛分模块、舱柜模块和过滤模块，用于将扬矿系统提升至海面的原矿浆脱水至适合运输的含水量标准，并尽量减少矿物损失。该装置3个模块使用型钢做框架，分层布置，各个设备布置在框架结构内形成模块，3个模块总重约2 000 t，上连扬矿系统管道，下连矿物转运系统的皮带输送机，通过7个出口将预处理后的矿物输送到装卸货系统的皮带机上，然后输送至货舱或驳运至其他运输船上，系统脱出的海水回收至海水提升系统的海水收集舱。

图3 脱水装置主要设备组成图

3.1 筛分模块

筛分模块(见图4)需布置在矿物提升系统的塔架边上，从塔架海水提升管出来的矿物和海水的混合物可以方便地接入至筛分模块进行处理，矿浆处理能力是约865 m3/h 固体的体积含量约为12%，筛分模块可处理颗粒大小为0.15～50.00 mm。

筛分模块主要设备有：4台离心分离机；4台弹性泵；2台搅拌器；6台供给泵；4台初级旋流器；2台滤器供给柜转向器；2台振动筛；2台烛式过滤器；2台溢流收集泵。

图4 筛分模块

3.2 舱柜模块

舱柜模块(见图5)是整个脱水系统的第2个模块，接收颗粒为0.15 mm以下的矿浆，其主要功能是通过二级旋流器分离0.008 mm以上颗粒的矿浆，输送矿浆到第3个模块，分离出来的海水排回到海水提升系统的海水收集舱。这也是脱水系统非常重要的一个作用，深海提升上来的海水会含有微生物，若把海水随意排放，可能会破坏海面的生态环境，而脱水装置把海水收集起来，排放到海水收集舱，然后通过提升系统泵重新把海水收集舱的海水打入海底，这样就不会破坏生态环境了。

图5 舱柜模块

舱柜模块主要设备有：3台溢流收集泵；4台滤器供给泵；1台滤器供给柜搅拌器；2台二级旋流器。

3.3 过滤模块

过滤模块(见图6)是整个脱水系统的最后一个模块，通过压滤器滤出0.008～0.150 mm的矿砂，滤出矿砂后的海水回到舱柜模块的二级旋流器，通过二级旋流器回海水收集舱。

图6 过滤模块

过滤模块主要设备有：4台压滤器，是最贵的设备；4台卸料罐；4台脱水罐收集；1台滤器液压单元；3台空气瓶；4台石灰柜；1台行车。

4 结 语

船用脱水设备的选用应根据矿物所含水分的类型、矿物特性、矿物颗粒大小、经济性、存贮运输的要求、船上的布置要求等诸多因素进行综合考虑。虽然中国船用脱水设备在一定程度上与国外同类产品还有差距，甚至是空缺的，但应抓住机遇和挑战，在市场经济和经济全球化的条件下,加快研究发展的步伐, 充分吸收和借鉴国外设计制造的先进经验, 研制出适合船用的脱水设备, 最终赶上和达到世界先进水平，为未来自主建造采矿船提供有力支撑，从而推动中国国际海底矿产资源商业化开发进程，维护中国在国际海底区域矿产资源的开采权益。