深海采礦礦物處理技術及發展趨勢研究

謝夢琪 陳丹東 余 倩 李文豪 薛永昌 李 源

（1.中國艦船研究設計中心；2.武漢船舶設計研究院有限公司）

隨著陸地上礦產資源開采技術的飛速發展，現存可采礦產已不能滿足人類的需求。人類將目光聚集到目前尚未完全開發的海洋領域，海洋蘊含著豐富的礦產資源，其種類繁多、范圍廣闊、儲存量巨大等特點是陸地礦產難以企及的［1］。目前，國內外高度關注海洋礦產資源地開發利用，并大力開展海洋礦產資源技術的研發［2］，為海洋礦產資源商業化開采進行了積極地探索和技術儲備。

深海采礦試驗平臺作為采礦作業中采集、轉運及存儲等多功能集成一體的機構，由于其配套裝備復雜、系統集成性高，相對于其他常規海洋工程平臺，需提出更高的技術要求。陸地采礦中的礦物處理系統已經開發使用若干年，成熟且穩定性高，目前正向大型化、可靠性佳、精度高、處理方便、處理效果佳、維護方便、易損件少、使用周期長等方向發展［3］。但深海采礦不能簡單地照搬陸用礦物處理設備，深海采礦試驗平臺甲板面積小、空間有限，船用設備的使用規范和標準也高于陸用設備。因此，深海采礦礦物處理系統需重新進行設備的設計選型、甲板布置及處理流程的優化，才能讓礦物處理系統在惡劣的海況下正常、高效、穩定地運行。

為此就現階段國內外深海采礦礦物處理技術相關發展現狀進行對比，針對礦物處理技術開展深度分析，提出了深海采礦礦物處理技術未來的發展趨勢，為我國在相關領域的后續發展提供理論依據和技術參考。

1 國內外現狀

上世紀70年代以美國為主的國際財團成功完成了多次數千米深的不同采礦系統技術模型的全系統聯動試驗，并考慮了較為簡易的礦物篩分脫水設備［4］。進入21世紀后，在位于巴新專屬經濟區的全球首個富含銅金的多金屬硫化礦商業深海采礦Solwara 1項目中，加拿大鸚鵡螺礦業公司全面完成了基于商業采礦運作要求，并具備脫水、存儲轉運和船與船外輸全流程的礦物處理技術研究和配套裝備設計，具備礦物綜合處理連續作業的能力，處于世界領先水平［5］。加拿大鸚鵡螺商業采礦項目綜合性脫水系統見圖1。

我國從“八五”開始涉足深海采礦技術研究，經過近30 a的沉淀和發展，已形成部分技術研究和裝備研制基礎［6］，但因我國尚未開展和實現全系統的海上整體聯動試驗，關于海上礦物綜合處理的技術研究和裝備研制缺少工程需求刺激，其研究基本上處于空白狀態。

礦物處理是海底提升礦漿到海面的重要處理環節，在深海采礦領域國內曾開展過淺海鋯鈦采礦脫水系統和1 000 m級礦漿脫水系統設計及裝備研制（圖2）。“十三五”期間，我國首次開展過滿足短期數小時試驗要求的小規模船載礦物脫水系統，其物料最小顆粒度為0.1 mm，功能相對單一，沒有礦物進出艙和外輸等其他模塊功能。總體上，目前我國海上礦物處理能力有限，僅能適應短期小規模的礦物處理。

2 礦物處理技術分析

礦物處理作為深海采礦系統的重要組成部分，主要對提升輸送到海面的低濃度固體含量的礦漿進行高效環保地快速分離，降低采礦平臺的無效載荷，實現有價礦物的收集、存儲轉運和尾水綠色無污染排放，滿足深海采礦關于環保方面的相關排放要求。礦物處理是深海采礦工程實施的重要工藝環節，也是提高深海采礦工程礦物生產效率和經濟效益的有效手段。礦物處理從技術和裝備體系上主要包括礦物脫水、礦物轉運以及尾水處理三大子系統。

2.1 礦物脫水

礦物脫水是以固液分離和按粒度分級為基礎的工程應用，根據深海采礦系統作業特點、礦物特性和處理后綜合含水率要求，為確保具有較高的脫水效率，脫水系統擬采用以篩分、濃縮和過濾相結合的機械力脫水方式并進行有機組合［7］，設計合理高效的礦物脫水工藝流程，以實現不同粗細顆粒物料地有效分離和多級回收，提高海底礦物資源的綜合利用率。

礦物脫水系統主要包括篩分脫水（如圓筒回轉篩等）、濃縮脫水（如多級旋流器）和壓濾脫水（如加壓過濾機等）等設備。各階段分離出來的礦物通過轉運系統運送到采礦平臺礦艙進行臨時存儲或及時轉運到駁船進行海上轉運，經過多級脫水過濾后的尾水將進入尾水深度處理系統進行深度綠色排放。礦物脫水子系統見圖3。

2.2 礦物存儲與轉運

將脫水后的礦物短期存儲及順利轉運到水面運輸船上，建立礦物脫水系統和水面運輸船重要連接，其存儲效率和轉運效率是決定整個深海采礦系統連續海底礦物開采的重要指標。

礦物存儲與轉運子系統（圖4）根據功能可分為分艙模塊、布礦模塊、回收模塊、提升模塊和外輸模塊5個模塊。分艙模塊是將脫水后的礦石經皮帶輸送機運輸至各指定艙；布礦模塊主要保證礦石布艙合理、減少空艙率，該系統包括投料機以及相對應的電控系統；回收模塊是將散落在艙內各處的礦石收集起來；提升模塊具有將礦石從艙內提升到可以向船舷外輸送高度的功能；外輸模塊是將提升到一定高度的礦物通過伸縮式裝船機轉運到駁運船。

2.3 尾水處理

尾水處理系統（圖5）接收來自多級脫水后的出水，首先對來水進行顆粒度監測，滿足顆粒度后進入深度處理單元，否則通過閥門切換至前段重復回收處理。深度處理單元配有一體化多功能處理裝置，裝置采取混凝沉淀、離子還原或生物修復等方法進行重金屬物質及其他污染物地去除，并配置多功能分析儀分析處理后尾水的水質情況，具備在線實時監測及污染物超標報警遠程傳輸功能，確保尾水經處理合格后排放［8］。

3 礦物處理技術發展趨勢

為滿足未來商業化深海采礦平臺海上礦物處理的總體要求和浮式平臺特殊作業環境，礦物處理技術逐步向安全可靠性高、結構布置緊湊、重量輕、綠色環保、能耗低、自動化程度高等方向發展［9］。

研制滿足海洋環保、高效脫水回收和安全可靠的設備將成為礦物脫水系統未來發展的方向。礦物脫水是以實現固液分離為目的的工程應用［10］，對提到水面的海底礦物進行充分地回收利用、降低礦物損失率和礦物綜合含水率，這是提高經濟性和生產效率的必然要求，也是遵守深海采礦活動的開發規章和踐行環境保護。保障礦物脫水系統海上長周期安全可靠作業地進行是海上采礦的必要要求。

自動、高效、安全可靠是礦物存儲與轉運技術未來發展的目標。深海采礦工程需要同時兼顧經濟性和環保性，礦物在水面平臺需實現封閉輸送，實現全流程的監測和控制，提高自動化程度，保證礦物輸送的安全。礦物輸送轉運的相關技術在陸地礦產開采中有一定的基礎［11］，將設備移至船上，需保證進出艙設備和轉運設備在采礦平臺空間的局限性及海洋特殊環境的影響下能高效工作，以提高作業的可靠性和開采的經濟性。

尾水處理在線實時監測和污染物處理技術是深海采礦領域的發展趨勢和客觀需求。深海采礦領域的環境保護及治理方式是國際海底管理局對深海資源開發規章中的重點考核內容。礦物脫水是否滿足預期回收物料顆粒度的要求，脫離后的尾水是否符合或達到國際環保相關排放標準，尾水采用什么方式處理排放都是開展深海采礦活動不可回避的重要問題，結合當前船舶壓載水處理和脫硫排放等相關要求和工程處理方式［12］，可推測未來深海采礦尾水顆粒度在線監測并具備多種污染物一體化深度處理是未來采礦的發展趨勢和必然要求。

4 結語

本文介紹了國內外關于深海采礦礦物處理技術的發展現狀，總結出我國深海礦物處理技術現階段的發展暫未有效成型，在礦物處理能力方面還有一定的局限性。同時深度分析了深海礦物處理的相關技術，就礦物脫水、礦物轉運及尾水處理3個方面開展了詳細論述；對現階段深海采礦礦物處理技術狀態及發展趨勢進行了深度剖析，以期為未來技術研發提供有力支撐。