CC BY
34
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97»
МОСКВА, МГГУ, 3.02.97 ■ 7.02.97 СЕМИНАР 2 «РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ»
Ю.В. Бубис, проф., д.т.н.
Л.Н. Молочников, д.т.н.
Д.В. Семенюк, инж., A.A. Гришин, инж.
Б.К. Ширяев, инж.
Московский государственный горный университет
НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ОКЕАНИЧЕСКОЙ ПОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
В настоящее время с целью расширения сырьевой базы разрабатываются новые технологии и технические средства океанической добычи полезных ископаемых, включая жидкий водород, магний, кобальтовые корки и другие.
Водород, магний и кислород предлагается получать из морской воды с использованием для этих целей энергии тепла подводных вулканических термальных вод и гидростатического давления столба воды на больших глубинах. При этом путем перевода термальной воды в пар на больших глубинах высвобождается удельная термодинамическая энергия и появляется возможность использовать потенциальную гидравлическую энергию столба воды от уровня океана до точки парообразования.
Парообразование достигается за счет снижения в испарителе давления отсасывающим пусковым насосом и подачи тепла на парообразование окружающей горячей водой с температурой до 300° С.
Процесс получения водорода, кислорода или магния осуществляется на специальном судне, которое получает электрическую энергию от паротурбогенераторов и гидротурбин, установленных на трубопроводе, опущенном с судна.
На рис. 1 представлена схема судовой установки для получения Н? и Ог. При пуске горячая термальная вода отсасывается
Рис.1. Схема судовой установки для получения жидкого водорода и кислорода.
I - испаритель; 2 - гидротурбины гидротурбогенератора; 3 -электрокабель; 4 - насос для подачи теплоносителя; 5 - паросборник; б - насос для пуска системы и откачки рассола; 7 -электрические паротурбогенераторы; 8 - последняя турбина; 9 -конденсатор; 10 - конденсаторный насос; II и 12 - турбодетан-дерные установки; 13 - насос для дистиллированной воды; 14 -вентиль; 15 - вулкан; 16 - купол; 17 - задвижка
насосом 6 через гидротурбины гидротурбогенератора 2. Дросселем 17 в испарителе 1 обеспечивается давление, достаточное для образования пара.
Когда паром заполнится весь подъемный трубопровод, дроссель 17 открывается, насос 6 выключается и гидротурбогенераторы 2 начинают отдавать работу.
Для подачи тепла на испарение окружающая горячая вода подается в теплообменник насосом 4 и выходит из него с понизившейся температурой.
Скапливающийся в парообразователе рассол откачивается насосом 6.
Образовавшийся пар через паросборник 5 поступает к электрическим паротурбогенераторам 7 и далее в последнюю турбину 8, в которой пар конденсируется.
Из конденсатора 9 насосом 10 подается в гидролизную установку ФВ-500, из которой выходят газообразные водород и кислород.
Эти газы сжижаются в турбодетан-дерных установках 11 и 12 и поступают на склад.
Дистиллированная вода из конденсатора насосом 13 подается потребителю через вентиль 14.
Для увеличения производительности горячая вода может забираться сразу от нескольких вулканов 15. Для этого применяется купол 16, соединенный с трубопроводом.
Выше указывалось, что тепловая и гидростатическая энергии реализуются гидравлическими и паровыми турбинами.
Гидравлические турбины должны сработать гидростатический перепад давления, равный
Ь.'т к о ~ Ьрк< где ко - глубина погружения испарителя под уровень воды;
Ирк - столб воды эквивалентный критическому давлению по диаграмме фазовых превращений.
с - теплоемкость воды;
ср - теплоемкость перегретого пара;
Д// - изменение температуры дополнительной воды в результате отдачи тепла на парообразование количества воды;
ДО - разность температур испаряемой воды и получившегося из нее насыщенного пара;
А/// - температура подогрева образовавшегося пара;
Д/н [ — п ~ [НП'
Д^я/7 - температура парообразования.
Общий дебит вулканов для получения мощности должен быть равен
Сг = о, + сд,
Отсюда определяется количество вулканов, которое должен охватить купол
£>
где - дебит одного вулкана.
Как известно, для электролизного получения 1 кг жидкого водорода необходимо затратить 36 1 06 кгм/кг.
С увеличением глубины расположения вулканов потребное количество термальных вод, необходимое для получения водорода и кислорода уменьшается, так как возрастает высвобождаемая удельная энергия.
Кроме этого, получаемая энергия может расходоваться для добычи из морской воды магния. Получение магния может осуществляться на отдельном судне, получающем энергию от специального энергоснабжающего судна, входящего в добычной судовой комплекс или на одном судне.
Добыча кобальтовых корок может осуществляться судовым комплексом или одним судном с подъемным трубопроводом.
Выемка корок осуществляется путем широкозахватного смыва сфрезерованной корки под длинным ( около 5-10 м) гибким волочащимся по дну всасывающим наконечником (рис. 2), края которого прижимаются к поверхности дна океана и благодаря
этому устраняют излишний приток воды под наконечником.
Г идротранспорт сфрезерованного
материала под наконечником осуществляется самой высокооборотной гибкой фрезой, по длине которой равномерно распределены лопатки 2, сообщающие напор перекачиваемой гидросмеси. Благодаря равномерному распределению лопаток по длине фрезы обеспечивается одинаковый перепад давления снаружи и под всасывающим наконечником по всей длине.
Фреза 1 представляет собой гибкий спиральный вал с зубьями 3 и насосными лопатками 2, который расположен под эластичным всасывающим наконечником 4, опирающимся кромками 5 на дно. Подаваемая фрезой гидросмесь входит в гидротранспортный насос 6, который предназначен для ее гидроподъема по трубопроводу 7. Электродвигатель 8 вращает фрезу 1 и насос 6. Весь выемочный рабочий орган установлен на шасси 9, которое буксируется судном. Для обеспечения стабильного положения рабочего органа служит поплавок 10.
Для оценки потерь служит объемный сетчатый мешок, в котором собираются не попавшие в подъемный трубопровод куски корки.
При вращении фрезы ее зубья откалывают корку, а насосные лопатки обеспечивают процесс пульпоприготовления, прогоняя воду вдоль всасывающего наконечника к гидротранспортному насосу 6.
Породозаборное устройство либо буксируется судном, либо перемещается двигающимся по дну буксировщиком или папильонажными лебедками.
Разработка кобальтовых корок осуществляется широкими папильонажными лентами (ширина ленты достигает 5-10 м). Это обстоятельство позволяет значительно уменьшить возможные огрехи путем обеспечения перекрытия краев соседних па-пильонажных лент.
При большой толщине корки осуществляется проходка одной и той же папиль-онажной ленты несколько раз. Усилие фрезы на забой, возникающее за счет перепада давления внутри и снаружи всасывающего наконечника имеет такую величину, при которой фреза на фрезерует более прочную породу, на которой образуется кобальтовая корка, а скользит по ней.
На основании лабораторных испытаний установлено, что потребное усилие отнесенное к единице длины фрезы для фрезерования сухой кобальтовой корки равно 100 кг/м. При этом диаметр фрезы был равен 100 мм, а число оборотов - 1000 об/мин.
Представленное выше породозаборное устройство для кобальтовых корок в настоящее время находится в стадии изготовления. Это устройство имеет следующую характеристи ку:
Производительность, м3/ч, 25
Скорость перемещения породозаборного устройства, м/с, 0,5
Скорость фрезерования, м/с, 3—7
Потребное тяговое усилие, 100
Установленная мощность, кВт, 17
Число оборотов фрезы, об/мин, 750
Толщина снимаемого слоя за один проход, мм, 5 - 6 Максимальная глубина выемки, м, 2000
Добыча кобальтовых корок (также как и железомарганцевых конкреций) включает глубоководный высоконапорный гидроподъем на высоту 2-6 км. Обычно в этих целях предлагаются высоконапорные грунтовые насосные установки, а для дальнего гидротранспорта - поршневые насосы.
В МГГУ в настоящее время разраба-тыватся низконапорный подводный гидроподъем на большие высоты и дальний низконапорный гидротранспорт с помощью группы встроенных в трубопровод центробежных низконапорных насосов.
Основная идея такого гидротранспорта или гидроподъема заключается в том, чтобы применять такое количество центробежных насосов , при котором выход из
строя одного, двух из них существенно не влиял бы на работу всей системы, а время их ремонта или замены было бы меньше математического ожидания времени безотказной работы группы оставшихся насосов. При этом при дальнем гидротранспорте насосы должны заменяться без остановки гидротранспорта.
Расчетным путем установлено, что масса всех наших центробежных насосов, установленных на трубопроводе не больше, чем масса одного поршневого насоса эквивалентного по напору, но при этом необходим стопроцентный резерв поршневого насоса, что приводит к увеличению общей массы поршневых насосов по сравнению с группой центробежных такого же напора. Кроме того, масса трубопровода низконапорного дальнего гидротранспорта меньше из-за уменьшенной толщины стенок.
Наряду с этим энергоемкость низконапорного дальнего гидротранспорта на 5-10% больше за счет меньшего к.п.д. центробежных насосов по сравнению с поршневыми.
Рис. 2. Широкозахватный породозаборник для кобальтовых корок.
/ - фреза; 2 - насосные лопатки фрезы; 3 - зубья фрезы; 4 - эластичный всасывающий наконечник; 5 - кромки эластичного всасывающего наконечника; 6 - гидротранспортный насос; 7 - подъемный трубопровод; 8 - электродвигатель; 9 - шасси выемочного рабочего органа; 10 - поплавок.
© Авторов
