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到目前为止, 从国内外已有深海采矿技术研究的成果可以看出, 垂直管道水力提升系统有可能成为__代商业开采系统。但是, 尽管各国对垂直管道水力提升进行了大量的研究和海试, 值得借鉴, 这并不能完全说明垂直管道水力提升系统是一套成熟的生产系统。对垂直管道水力提升系统, 人们最关注的问题是管道堵塞, 由于粗颗粒介质在垂直输送管中运动状态复杂, 引起管路堵塞的可能性较大, 如果造成管道堵塞现象, 将直接影响到采矿系统的安全。通过对过去工作分析, 解决管道堵塞的关键问题是输送粒径、输送速度及泵流道。
1 输送粒径
按照深海采矿技术要求, 深海垂直管道水力提升颗粒粒径为厘米级, 因为矿石颗粒破碎过小将使矿物严重粉化, 不利于矿物回收, 给结核破碎和船上浆体沉降带来了一定难度, 而且浑水排放对海洋环境有一定的影响。目前解决的方法是以稀疏流动来保证管道提升的安全性, 但提升效率不高。国内外对输送粒径曾做过一些工作[14,15,16,17,20,24,27,35], 提出的输送粒径范围为5~50 mm。颗粒粒径与破碎、输送、泵流道、矿浆沉降、金属回收率及成本直接有关。因此, 有必要进一步开展颗粒粒径方面的研究工作, 通过改变输送速度和输送浓度, 找出最佳的颗粒及级配, 综合解决提升效率和输送安全性。
2 输送速度
一般有两种认为, 一种认为矿浆最小输送速度是最大颗粒沉降速度的3倍。另一种认为矿浆最小输送速度是群体颗粒浮游速度的2倍。从工程角度考虑, 采用浮游速度来定义矿浆最小输送速度较为合理。输送速度和流态稳定是确保管道输送安全的重要因素, 不同大小颗粒与水在管道中流动有速度差。当输送流速较低时, 提升管道中的当地浓度略高于提升管道出口的浓度, 提升管道浓度分布不均和颗粒局部浓密, 将出现流态不稳定现象, 有可能造成管道堵塞。当输送流速较高时, 将加快管道和设备的摩损, 输送能耗和成本增加, 颗粒破碎粉化程度严重, 不利于管道服务年限和船上矿浆沉降。因此, 为了解决此问题, 有必要进一步研究提升管道内颗粒与清水之间的相互作用机理, 不同大小颗粒在管道中的流动特性, 不同输送速度下颗粒在管道中的局部浓密现象, 进行颗粒浮游速度及流态观察的测试, 提出合理的经济输送流速。
3 泵流道
深海提升泵应具备高扬程、粗颗粒矿石过流和回流的工作特点, 同时适用水下动态条件下作业。为了满足扬矿技术要求, 提升泵一般采用混流泵类型。混流泵叶轮旋转对流体的作用既有离心力又有轴向推力, 颗粒在过流面积的受力和运动较为复杂。因此, 有必要深入研究粗颗粒在过流面积的运动特点, 分析粗颗粒流动与泵叶轮的作用机理, 优化泵叶轮与过流面积尺寸, 避免泵流道颗粒堵塞, 提出满足粗颗粒输送的高扬程与宽流道。如果采用从垂直管道内的矿浆颗粒通过电机外部流道进入泵叶轮, 必需保证电机外部流道的过流面积与垂直管道断面积相等, 即电机外部流道的颗粒流速等于垂直管道的颗粒流速, 这样才能使得颗粒运动的流态稳定。
由此可见, 上述关键问题之间相互关联, 有可能某种情况发生管道堵塞, 也有可能在多种因素共同作用下发生管道堵塞。因此, 值得进一步思考和研究。
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