深海采矿矿物处理技术及发展趋势研究

谢梦琪 陈丹东 余 倩 李文豪 薛永昌 李 源

（1.中国舰船研究设计中心；2.武汉船舶设计研究院有限公司）

随着陆地上矿产资源开采技术的飞速发展，现存可采矿产已不能满足人类的需求。人类将目光聚集到目前尚未完全开发的海洋领域，海洋蕴含着丰富的矿产资源，其种类繁多、范围广阔、储存量巨大等特点是陆地矿产难以企及的［1］。目前，国内外高度关注海洋矿产资源地开发利用，并大力开展海洋矿产资源技术的研发［2］，为海洋矿产资源商业化开采进行了积极地探索和技术储备。

深海采矿试验平台作为采矿作业中采集、转运及存储等多功能集成一体的机构，由于其配套装备复杂、系统集成性高，相对于其他常规海洋工程平台，需提出更高的技术要求。陆地采矿中的矿物处理系统已经开发使用若干年，成熟且稳定性高，目前正向大型化、可靠性佳、精度高、处理方便、处理效果佳、维护方便、易损件少、使用周期长等方向发展［3］。但深海采矿不能简单地照搬陆用矿物处理设备，深海采矿试验平台甲板面积小、空间有限，船用设备的使用规范和标准也高于陆用设备。因此，深海采矿矿物处理系统需重新进行设备的设计选型、甲板布置及处理流程的优化，才能让矿物处理系统在恶劣的海况下正常、高效、稳定地运行。

为此就现阶段国内外深海采矿矿物处理技术相关发展现状进行对比，针对矿物处理技术开展深度分析，提出了深海采矿矿物处理技术未来的发展趋势，为我国在相关领域的后续发展提供理论依据和技术参考。

1 国内外现状

上世纪70年代以美国为主的国际财团成功完成了多次数千米深的不同采矿系统技术模型的全系统联动试验，并考虑了较为简易的矿物筛分脱水设备［4］。进入21世纪后，在位于巴新专属经济区的全球首个富含铜金的多金属硫化矿商业深海采矿Solwara 1项目中，加拿大鹦鹉螺矿业公司全面完成了基于商业采矿运作要求，并具备脱水、存储转运和船与船外输全流程的矿物处理技术研究和配套装备设计，具备矿物综合处理连续作业的能力，处于世界领先水平［5］。加拿大鹦鹉螺商业采矿项目综合性脱水系统见图1。

我国从“八五”开始涉足深海采矿技术研究，经过近30 a的沉淀和发展，已形成部分技术研究和装备研制基础［6］，但因我国尚未开展和实现全系统的海上整体联动试验，关于海上矿物综合处理的技术研究和装备研制缺少工程需求刺激，其研究基本上处于空白状态。

矿物处理是海底提升矿浆到海面的重要处理环节，在深海采矿领域国内曾开展过浅海锆钛采矿脱水系统和1 000 m级矿浆脱水系统设计及装备研制（图2）。“十三五”期间，我国首次开展过满足短期数小时试验要求的小规模船载矿物脱水系统，其物料最小颗粒度为0.1 mm，功能相对单一，没有矿物进出舱和外输等其他模块功能。总体上，目前我国海上矿物处理能力有限，仅能适应短期小规模的矿物处理。

2 矿物处理技术分析

矿物处理作为深海采矿系统的重要组成部分，主要对提升输送到海面的低浓度固体含量的矿浆进行高效环保地快速分离，降低采矿平台的无效载荷，实现有价矿物的收集、存储转运和尾水绿色无污染排放，满足深海采矿关于环保方面的相关排放要求。矿物处理是深海采矿工程实施的重要工艺环节，也是提高深海采矿工程矿物生产效率和经济效益的有效手段。矿物处理从技术和装备体系上主要包括矿物脱水、矿物转运以及尾水处理三大子系统。

2.1 矿物脱水

矿物脱水是以固液分离和按粒度分级为基础的工程应用，根据深海采矿系统作业特点、矿物特性和处理后综合含水率要求，为确保具有较高的脱水效率，脱水系统拟采用以筛分、浓缩和过滤相结合的机械力脱水方式并进行有机组合［7］，设计合理高效的矿物脱水工艺流程，以实现不同粗细颗粒物料地有效分离和多级回收，提高海底矿物资源的综合利用率。

矿物脱水系统主要包括筛分脱水（如圆筒回转筛等）、浓缩脱水（如多级旋流器）和压滤脱水（如加压过滤机等）等设备。各阶段分离出来的矿物通过转运系统运送到采矿平台矿舱进行临时存储或及时转运到驳船进行海上转运，经过多级脱水过滤后的尾水将进入尾水深度处理系统进行深度绿色排放。矿物脱水子系统见图3。

2.2 矿物存储与转运

将脱水后的矿物短期存储及顺利转运到水面运输船上，建立矿物脱水系统和水面运输船重要连接，其存储效率和转运效率是决定整个深海采矿系统连续海底矿物开采的重要指标。

矿物存储与转运子系统（图4）根据功能可分为分舱模块、布矿模块、回收模块、提升模块和外输模块5个模块。分舱模块是将脱水后的矿石经皮带输送机运输至各指定舱；布矿模块主要保证矿石布舱合理、减少空舱率，该系统包括投料机以及相对应的电控系统；回收模块是将散落在舱内各处的矿石收集起来；提升模块具有将矿石从舱内提升到可以向船舷外输送高度的功能；外输模块是将提升到一定高度的矿物通过伸缩式装船机转运到驳运船。

2.3 尾水处理

尾水处理系统（图5）接收来自多级脱水后的出水，首先对来水进行颗粒度监测，满足颗粒度后进入深度处理单元，否则通过阀门切换至前段重复回收处理。深度处理单元配有一体化多功能处理装置，装置采取混凝沉淀、离子还原或生物修复等方法进行重金属物质及其他污染物地去除，并配置多功能分析仪分析处理后尾水的水质情况，具备在线实时监测及污染物超标报警远程传输功能，确保尾水经处理合格后排放［8］。

3 矿物处理技术发展趋势

为满足未来商业化深海采矿平台海上矿物处理的总体要求和浮式平台特殊作业环境，矿物处理技术逐步向安全可靠性高、结构布置紧凑、重量轻、绿色环保、能耗低、自动化程度高等方向发展［9］。

研制满足海洋环保、高效脱水回收和安全可靠的设备将成为矿物脱水系统未来发展的方向。矿物脱水是以实现固液分离为目的的工程应用［10］，对提到水面的海底矿物进行充分地回收利用、降低矿物损失率和矿物综合含水率，这是提高经济性和生产效率的必然要求，也是遵守深海采矿活动的开发规章和践行环境保护。保障矿物脱水系统海上长周期安全可靠作业地进行是海上采矿的必要要求。

自动、高效、安全可靠是矿物存储与转运技术未来发展的目标。深海采矿工程需要同时兼顾经济性和环保性，矿物在水面平台需实现封闭输送，实现全流程的监测和控制，提高自动化程度，保证矿物输送的安全。矿物输送转运的相关技术在陆地矿产开采中有一定的基础［11］，将设备移至船上，需保证进出舱设备和转运设备在采矿平台空间的局限性及海洋特殊环境的影响下能高效工作，以提高作业的可靠性和开采的经济性。

尾水处理在线实时监测和污染物处理技术是深海采矿领域的发展趋势和客观需求。深海采矿领域的环境保护及治理方式是国际海底管理局对深海资源开发规章中的重点考核内容。矿物脱水是否满足预期回收物料颗粒度的要求，脱离后的尾水是否符合或达到国际环保相关排放标准，尾水采用什么方式处理排放都是开展深海采矿活动不可回避的重要问题，结合当前船舶压载水处理和脱硫排放等相关要求和工程处理方式［12］，可推测未来深海采矿尾水颗粒度在线监测并具备多种污染物一体化深度处理是未来采矿的发展趋势和必然要求。

4 结语

本文介绍了国内外关于深海采矿矿物处理技术的发展现状，总结出我国深海矿物处理技术现阶段的发展暂未有效成型，在矿物处理能力方面还有一定的局限性。同时深度分析了深海矿物处理的相关技术，就矿物脱水、矿物转运及尾水处理3个方面开展了详细论述；对现阶段深海采矿矿物处理技术状态及发展趋势进行了深度剖析，以期为未来技术研发提供有力支撑。