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JP7663198B2 - Equipment and method for lifting valuable seabed materials - Google Patents
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JP7663198B2 - Equipment and method for lifting valuable seabed materials - Google Patents

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Description

本発明は、海底鉱物資源である有価物質を海上に高効率で運搬する揚鉱装置及びこれを用いる揚鉱方法に関する。 The present invention relates to an ore lifting device that transports valuable seabed mineral resources to the sea with high efficiency, and an ore lifting method using the same.

海底鉱物資源等の有価物質を海上に輸送、運搬する揚鉱方法及び揚鉱装置としては、種々の技術が開示されている。特許6570000公報(特開2019-120063号公報)には、海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側と海上側でそれぞれ連結した環状の管路、海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を海底側で連結したU字状の管路、又は内管が上昇管、外管が下降管であるか又はその逆の内管が下降管、外管が上昇管となる二重管と、該環状の管路内、該U字状、又は該二重管の管路内に充填されるキャリア物質と、該キャリア物質を循環させる圧送ポンプと、 該管路の海底側に設けられた海底有価物質を搬入する搬入口と、該管路の海上側に設けられた海底有価物質を回収する回収口と、を有し、該キャリア物質は、平均粒径が0.01mm~10mm、真密度が0.01~8g/cmの粒状体と、粘性流動体の混合物である海底有価物質の揚鉱装置が開示されている(請求項1)。これによれば、海底有価物質の揚鉱に、粒状体を含有する粘性流動体を使用するため、直径30mm以上の粒状体又は塊状体である海底有価物質を高い揚鉱効率で揚鉱できる。 Various techniques have been disclosed for ore-lifting methods and ore-lifting devices for transporting and conveying valuable materials such as seabed mineral resources to the sea. Japanese Patent Publication No. 6570000 (JP Patent Publication No. 2019-120063) describes a ring-shaped pipeline in which a downcomer pipe that reaches the seabed from the sea surface and an upcomer pipe that reaches the seabed from the sea surface are connected on the seabed side and the sea surface side, a downcomer pipe that reaches the seabed from the sea surface and an upcomer pipe that reaches the seabed from the sea surface and a U-shaped pipeline in which a downcomer pipe that reaches the seabed from the sea surface and an upcomer pipe that reaches the seabed from the sea surface are connected on the seabed side, or a double pipe in which the inner pipe is an upcomer pipe and the outer pipe is a downcomer pipe, or vice versa, the inner pipe is a downcomer pipe and the outer pipe is an upcomer pipe, a carrier material filled in the ring-shaped pipeline, the U-shaped pipeline, or the double pipe pipeline, and a pressure pump that circulates the carrier material, The device has an entrance for carrying in seabed valuable materials, which is provided on the seabed side of the pipeline, and an exit for collecting seabed valuable materials, which is provided on the sea side of the pipeline, and the carrier material is a mixture of granular material having an average particle size of 0.01 mm to 10 mm and a true density of 0.01 to 8 g/ cm3 , and a viscous fluid (claim 1). According to this, since a viscous fluid containing granular material is used for lifting the seabed valuable materials, seabed valuable materials in the form of granular material or lumps having a diameter of 30 mm or more can be lifted with high lifting efficiency.

また、特許6570000公報には、環状(ループ)の管路としては、内管が上昇管、外管が下降管、又はその逆の外管が上昇管、内管が下降管となる二重管であってもよいと記載されている。また、管径としては、有価物質である粒状体の最大径の2倍以上であるものが、管内閉塞を防止し、輸送・運搬の効率を高めることができる点で好ましいと記載されている。 Patent Publication 6,570,000 also states that the annular (loop) pipeline may be a double-pipe in which the inner pipe is an ascending pipe and the outer pipe is a descending pipe, or vice versa, the outer pipe is an ascending pipe and the inner pipe is a descending pipe. It also states that a pipe diameter that is at least twice the maximum diameter of the valuable granular material is preferable, as this prevents clogging inside the pipe and increases the efficiency of transportation and conveyance.

特許6570000公報Patent Publication No. 6570000

一方、最大粒径50mm、80%粒径25mm、湿潤密度4.1g/cmのような大きな塊状体の海底有価物質を揚鉱することが期待されている(海底熱水鉱床開発計画総合評価報告書平成30年12月、経産省資源エネルギー庁)。このような粒径が大きく、高密度の塊状体は、揚鉱時に沈降する恐れがある。また、最大粒径10~30mmのような粒径がより小さい塊状体であっても、揚鉱時の沈降はないとは言えず、これらを含めた塊状体を、従来技術に比して、より高い揚鉱効率で揚鉱できれば、生産性が上がり、好ましいことである。 On the other hand, it is expected that valuable seafloor materials in large chunks, such as those with a maximum particle size of 50 mm, an 80% particle size of 25 mm, and a wet density of 4.1 g/ cm3 , will be lifted (Report on the Comprehensive Assessment of the Seafloor Hydrothermal Ore Deposit Development Plan, December 2018, Agency for Natural Resources and Energy, Ministry of Economy, Trade and Industry). Such large-grain, high-density chunks may sink during lifting. Even for chunks with smaller particle sizes, such as those with a maximum particle size of 10 to 30 mm, it cannot be said that they will not sink during lifting. If chunks including these can be lifted with higher lifting efficiency than with conventional technology, productivity will increase, which is desirable.

従って、本発明の目的は、塊状体の海底有価物質を高い揚鉱効率で揚鉱できる海底有価物質の揚鉱装置及びこれを用いる揚鉱方法を提供することにある。 The object of the present invention is therefore to provide a device for lifting valuable seabed materials that can lift lump-shaped valuable seabed materials with high lifting efficiency, and a method for lifting valuable seabed materials using the same.

かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、管壁沿いを通る球状の鉱石モデルは、鉱石モデル周辺の粘性流動体の変形が阻害され、鉱石モデルの沈降が抑制されること、これにより、上昇管を2以上の管路にすることで管路を狭めれば、揚鉱効率を高められること等を見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明(1)は、海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を備える循環系管路を有する揚鉱装置であって、該循環系管路には、キャリア物質である粘性流動体が充填され、該上昇管は、2以上の流路を有することを特徴とする海底有価物質の揚鉱装置を提供するものである。
In light of this situation, the inventors conducted extensive research and discovered that a spherical ore model passing along the pipe wall inhibits the deformation of the viscous fluid around the ore model, thereby suppressing the settling of the ore model, and that therefore, by narrowing the pipe line by making the riser pipe into two or more pipe lines, the ore-lifting efficiency can be improved, which led to the completion of the present invention.
That is, the present invention (1) provides an ore-lifting device for valuable materials from the seabed, which has a circulation system pipeline equipped with a downcomer pipe that reaches the seabed from the sea surface and an upcomer pipe that reaches from the seabed to the sea surface, the circulation system pipeline being filled with a viscous fluid that is a carrier material, and the upcomer pipe having two or more flow paths.

また、本発明(2)は、該2以上の流路は、上昇管の管内を隔壁で区画された2以上の区画路であることを特徴とする前記(1)記載の海底有価物質の揚鉱装置を提供するものである。 The present invention (2) also provides an apparatus for lifting valuable seabed materials as described in (1) above, characterized in that the two or more flow paths are two or more compartment paths separated by partitions inside the riser pipe.

また、本発明(3)は、該上昇管は、2以上の管からなり、該管が流路であることを特徴とする前記(1)記載の海底有価物質の揚鉱装置を提供するものである。 The present invention (3) also provides an apparatus for lifting valuable seabed materials as described in (1) above, characterized in that the riser pipe is made up of two or more pipes, each of which is a flow path.

また、本発明(4)は、該2以上の管は、中央の下降管の周りに付設されることを特徴とする前記(3)記載の海底有価物質の揚鉱装置を提供するものである。 The present invention (4) also provides an apparatus for lifting valuable seabed materials as described in (3) above, characterized in that the two or more pipes are attached around a central downcomer pipe.

また、本発明(5)は、該循環系管路の海底側に設けられ、最大寸法Xの海底有価物質を搬入する搬入口を更に有し、該流路の最小内寸法Y1は、Xの1.5倍~5.0倍である前記(1)記載の海底有価物質の揚鉱装置を提供するものである。 The present invention (5) also provides a device for lifting valuable seabed materials as described in (1) above, which further includes an inlet for transporting valuable seabed materials having a maximum dimension X, the inlet being provided on the seabed side of the circulation pipeline, and the minimum inner dimension Y1 of the flow passage being 1.5 to 5.0 times X.

また、本発明(6)は、該搬入口には、海底有価物質から最大寸法Xの海底有価物質を選別するスクリーンを設けたことを特徴とする前記(5)記載の海底有価物質の揚鉱装置を提供するものである。 The present invention (6) also provides a device for lifting valuable seabed materials as described in (5) above, characterized in that the entrance is provided with a screen for separating valuable seabed materials of a maximum dimension X from the valuable seabed materials.

また、本発明(7)は、該上昇管又は該管は、断面の最小寸法と最大寸法の比が、0.5~1の円管又は多角形管であることを特徴とする前記(1)~(6)のいずれかに記載の海底有価物質の揚鉱装置を提供するものである。 The present invention (7) also provides an apparatus for lifting valuable seabed materials as described in any one of (1) to (6) above, characterized in that the riser pipe or pipes are circular or polygonal pipes with a ratio of the minimum dimension to the maximum dimension of the cross section of 0.5 to 1.

また、本発明(8)は、海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を備える循環系管路内をキャリア物質で充填し、該キャリア物質をポンプにより循環させ、海底有価物質を該キャリア物質に混入させ、該キャリア物質と同伴により上昇運搬し、海上側において海底有価物質を回収する方法であって、該キャリア物質は、粘性流動体であり、該上昇管は、2以上の流路を有することを特徴とする海底有価物質の揚鉱方法を提供するものである。 The present invention (8) also provides a method for recovering valuable seabed materials above sea level by filling a circulation system pipeline with a carrier material, which includes a downcomer pipe that reaches the seabed from the sea surface and an upcomer pipe that reaches the sea surface from the seabed, circulating the carrier material with a pump, mixing valuable seabed materials with the carrier material, transporting the valuable seabed materials upward together with the carrier material, and recovering the valuable seabed materials above sea level, wherein the carrier material is a viscous fluid, and the upcomer pipe has two or more flow paths.

本発明によれば、上昇管を2以上の流路とし、流路を狭くできるため、上昇管内の塊状体(有価海底有価物質)が、管壁に沿って通る確率が高くなる。管壁に沿って通る塊状体は、塊状体周辺の粘性流動体の変形が阻害され、塊状体の沈降が抑制されるため、従来に比して塊状体を高い揚鉱効率で揚鉱可能となる。また、全体として流量を減少させることがない。 According to the present invention, the riser pipe has two or more flow paths, and the flow paths can be narrowed, increasing the probability that the lumps (valuable seabed materials) in the riser pipe will pass along the pipe wall. The lumps passing along the pipe wall inhibit the deformation of the viscous fluid around the lumps, suppressing their settling, making it possible to lift the lumps with higher ore lifting efficiency than in the past. In addition, there is no reduction in the overall flow rate.

本発明の第1の実施の形態における揚鉱装置の上昇管の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a riser pipe of the ore lifting apparatus in the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態における揚鉱装置の上昇管の他の断面図である。FIG. 4 is another cross-sectional view of the riser pipe of the ore lifting apparatus in the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態における揚鉱装置の上昇管の他の断面図である。FIG. 4 is another cross-sectional view of the riser pipe of the ore lifting apparatus in the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態における揚鉱装置の上昇管の他の断面図である。FIG. 4 is another cross-sectional view of the riser pipe of the ore lifting apparatus in the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態における揚鉱装置の上昇管の他の断面図である。FIG. 4 is another cross-sectional view of the riser pipe of the ore lifting apparatus in the first embodiment of the present invention. 円管内を区画する不完全隔壁の一例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of an incomplete partition that divides the inside of a circular pipe. 三角形管内を区画する不完全隔壁の一例を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of an incomplete partition dividing the inside of a triangular tube. 四角形管内を区画する不完全隔壁の一例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of an incomplete partition dividing the inside of a rectangular tube. 本発明の上昇管の管壁近くの鉱物の沈降抑制作用を説明するモデル図であり、(A)は管軸上を通る場合、(B)は管壁に沿って通る場合を示す。1A and 1B are model diagrams illustrating the effect of inhibiting the settling of minerals near the pipe wall of a riser pipe of the present invention, where (A) shows the case where the pipe passes along the pipe axis and (B) shows the case where the pipe passes along the pipe wall. 本発明の上昇管の管壁近くの鉱物の沈降抑制作用を説明するモデル図であり、狭い流路を通る場合を示す。FIG. 2 is a model diagram illustrating the effect of suppressing the settling of minerals near the wall of the riser pipe of the present invention, showing the case where the minerals pass through a narrow flow path. 本発明の第1の実施の形態における揚鉱装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an ore lifting device according to a first embodiment of the present invention; 本発明の第1の実施の形態における揚鉱装置の集鉱方法を説明する図である。1 is a diagram illustrating an ore collecting method of an ore lifting device in a first embodiment of the present invention. FIG. 本発明の第2の実施の形態における揚鉱装置の上昇管の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a riser pipe of an ore lifting apparatus according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施の形態における揚鉱装置の上昇管の他の断面図である。FIG. 11 is another cross-sectional view of the riser pipe of the ore lifting apparatus in the second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施の形態における揚鉱装置の上昇管の他の断面図である。FIG. 11 is another cross-sectional view of the riser pipe of the ore lifting apparatus in the second embodiment of the present invention. 参考例の試験において使用した円筒状容器の断面図であり、落下開始位置を示す。FIG. 2 is a cross-sectional view of a cylindrical container used in a test of a reference example, showing the drop start position. 参考例1の沈降の計測結果を示すグラフであり、横軸が時間(秒)、縦軸は沈降距離(m)である。1 is a graph showing the results of measuring sedimentation in Reference Example 1, in which the horizontal axis represents time (seconds) and the vertical axis represents sedimentation distance (m). 参考例2の沈降の計測結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of sedimentation measurements in Reference Example 2. 参考例3の沈降の計測結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of sedimentation measurements in Reference Example 3. 参考例4の沈降の計測結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of sedimentation measurements in Reference Example 4. 参考例5の沈降の計測結果を示すグラフである。13 is a graph showing the results of sedimentation measurements in Reference Example 5. 参考例6の沈降の計測結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of sedimentation measurements in Reference Example 6. 参考例7の沈降の計測結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of sedimentation measurements in Reference Example 7.

本発明の海底有価物質(以下、「鉱物」とも言う。)の揚鉱装置は、海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を備える循環系管路を有し、循環系管路には、キャリア物質である粘性流動体が充填され、上昇管は、2以上の流路を有するものである。循環系管路としては、下降管と上昇管を海底側と海上側でそれぞれ連結した環状の管路、下降管と上昇管を海底側で連結したU字状の管路、及び内管が上昇管、外管が下降管であるか又はその逆の内管が下降管、外管が上昇管となる二重管が挙げられる。 The device for lifting valuable seabed materials (hereinafter also referred to as "minerals") of the present invention has a circulation system pipeline with a downcomer pipe that reaches the seabed from the sea surface and an upcomer pipe that reaches from the seabed to the sea surface, the circulation system pipeline is filled with a viscous fluid that is a carrier material, and the upcomer pipe has two or more flow paths. Examples of the circulation system pipeline include a ring-shaped pipeline in which the downcomer pipe and the upcomer pipe are connected on the seabed side and the sea surface side, a U-shaped pipeline in which the downcomer pipe and the upcomer pipe are connected on the seabed side, and a double pipe in which the inner pipe is the upcomer pipe and the outer pipe is the downcomer pipe, or vice versa, in which the inner pipe is the downcomer pipe and the outer pipe is the upcomer pipe.

上昇管の2以上の流路は、上昇管の管内を隔壁で区画された2以上の区画路であるか、又は上昇管が2以上の管からなり、該管が流路であるものが挙げられる。2以上の区画路の場合、それぞれの区画路の断面積は同じであっても、異なっていてもよい。2以上の管の場合、それぞれの管(管路)の断面積は同じであっても、異なっていてもよい。異なる断面積の2以上の流路を使用する場合、それぞれの断面に適切な粒度の海底鉱物を搬入すれば、同じ断面積の流路に同じ粒度の海底鉱物を搬入した場合よりも揚鉱効率は向上する。この場合、海底の搬入口において、スクリーンで粒度毎に分別して、大径の管には粗粒の鉱石を、小径の管には細粒の鉱石を割り振るというように、鉱石を粒度に応じて適切な径の上昇管に割り振ればよい。2以上の管の場合、1つの下降管に対して2以上の管とすることが好ましい。また、2以上の管の内、2つの管を形成する管壁は互いに当接又は近接していることが好ましい。また、2以上の管は、中央の下降管周りに付設されることが好ましい。 The two or more flow paths of the riser pipe may be two or more partitions divided by partitions inside the riser pipe, or the riser pipe may be composed of two or more pipes, and the pipes are the flow paths. In the case of two or more partitions, the cross-sectional area of each partition may be the same or different. In the case of two or more pipes, the cross-sectional area of each pipe (pipe line) may be the same or different. When using two or more flow paths with different cross-sectional areas, if seabed minerals of appropriate particle size are transported to each cross section, the ore lifting efficiency is improved compared to the case where seabed minerals of the same particle size are transported to a flow path of the same cross-sectional area. In this case, at the seabed entrance, the ore is separated by particle size using a screen, and the ore is allocated to the riser pipe of the appropriate diameter according to the particle size, such as allocating coarse ore to the large diameter pipe and fine ore to the small diameter pipe. In the case of two or more pipes, it is preferable to have two or more pipes for one downcomer pipe. In addition, it is preferable that the pipe walls forming two of the two or more pipes abut or are close to each other. It is also preferable that two or more pipes are attached around a central downcomer pipe.

次に、本発明の第1の実施の形態の揚鉱装置について説明する。第1の実施の形態の揚鉱装置において、上昇管は、上昇管の管内を隔壁で区画された2以上の区画路を有するものである。上昇管の断面の輪郭形状としては、特に制限されず、断面の最小寸法と最大寸法の比が、0.5~1.0の円管、多角形管及び不定形状管が挙げられる。多角形管としては、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形などが挙げられる。なお、断面の最大寸法とは、断面を包含する最小円の径であり、断面の最小寸法とは、断面に包含される最大円の径である。 Next, a description will be given of a first embodiment of the ore lifting device of the present invention. In the first embodiment of the ore lifting device, the riser pipe has two or more compartments separated by partitions inside the riser pipe. The cross-sectional outline shape of the riser pipe is not particularly limited, and examples include circular pipes, polygonal pipes, and irregularly shaped pipes with a ratio of the minimum dimension to the maximum dimension of the cross section of 0.5 to 1.0. Examples of polygonal pipes include triangles, rectangles, pentagons, hexagons, and octagons. The maximum dimension of the cross section is the diameter of the smallest circle that contains the cross section, and the minimum dimension of the cross section is the diameter of the largest circle that is contained in the cross section.

上昇管中、隔壁により区画された区画路の数は、2つ以上、好ましくは3つ以上である。具体例としては、三角形管の中を3つの隔壁111(三角形隔壁)で仕切り、4つの三角形断面の流路11a~11dを形成した上昇管11(図1)、四角形管の中を十字形状の隔壁121で仕切り、4つの四角形断面の流路12a~12dを形成した上昇管12(図2)、円管の中を十字形状の隔壁131で仕切り、4つの扇形状断面の流路13a~13dを形成した上昇管13(図3)、二重管である循環系管路の内管142を下降管、外管141を上昇管とし、その外管141の中を4つの隔壁143で仕切り、4つの半扇形状断面の流路14a~14dを形成した上昇管14(図4)、二重管である循環系管路の外管151を下降管、内管152を上昇管とし、その内管152の中を十字形状の隔壁153で仕切り、4つの扇形状断面の流路15a~15dを形成した上昇管15(図5)等が挙げられる。これにより、上昇管内の流路を狭くでき、上昇する鉱物と管壁の距離が近くなり、管壁に沿って通る鉱物の下降を抑制できる。なお、図1~図3において、4つの流路の内、1つ又は2つを下降管とし、他の2又は3の流路を上昇管としてもよい。 In the riser pipe, the number of partition passages partitioned by partitions is two or more, preferably three or more. Specific examples include the riser pipe 11 (Figure 1) in which the inside of a triangular pipe is partitioned by three partitions 111 (triangular partitions) to form four triangular cross-sectional flow passages 11a to 11d, the riser pipe 12 (Figure 2) in which the inside of a square pipe is partitioned by a cross-shaped partition 121 to form four square cross-sectional flow passages 12a to 12d, the riser pipe 13 (Figure 3) in which the inside of a circular pipe is partitioned by a cross-shaped partition 131 to form four sector-shaped cross-sectional flow passages 13a to 13d, and the circulation pipe that is a double pipe. Examples of such pipes include the riser pipe 14 (Fig. 4), in which the inner pipe 142 of the circulating pipe is a downcomer pipe, the outer pipe 141 is an upcomer pipe, and the inside of the outer pipe 141 is divided by four partition walls 143 to form four semi-sector-shaped flow paths 14a-14d, and the riser pipe 15 (Fig. 5), in which the outer pipe 151 of the circulating pipe, which is a double pipe, is a downcomer pipe, the inner pipe 152 is an upcomer pipe, and the inside of the inner pipe 152 is divided by a cross-shaped partition wall 153 to form four fan-shaped flow paths 15a-15d. This narrows the flow path in the riser pipe, shortens the distance between the ascending minerals and the pipe wall, and suppresses the descent of the minerals along the pipe wall. Note that in Figs. 1-3, one or two of the four flow paths may be downcomers, and the other two or three flow paths may be upcomers.

第1の実施の形態において、流路を区画する隔壁としては、隔壁(閉断面を形成する完全隔壁)の一部を欠いた不完全隔壁であってもよい。不完全隔壁としては、例えば、図6~図8に示すものが挙げられる。図6(A)は、円管内を区画する十字形隔壁の端部(管壁側)を欠いた不完全隔壁を示し、図6(B)は、円管内を区画する十字形隔壁の中心部(管軸上)を欠いた不完全隔壁を示し、図6(C)は、円管内を区画する十字形隔壁に多数の穴(パンチング穴)を形成した不完全隔壁を示す。また、図7(A)は、三角形管内を区画する三角形隔壁の辺の中心を欠いた不完全隔壁を示し、図7(B)は、三角形管内を区画する三角形隔壁の角を欠いた不完全隔壁を示し、図7(C)は、三角形管内を区画する三角形隔壁に多数の穴(パンチング穴)を形成した不完全隔壁を示す。また、図8(A)は、四角形管内を区画する十字形隔壁の端部(管壁側)を欠いた不完全隔壁を示し、図8(B)は、四角形管内を区画する十字形隔壁の中心部(管軸上)を欠いた不完全隔壁を示し、図8(C)は、四角形管内を区画する十字形隔壁に多数の穴(パンチング穴)を形成した不完全隔壁を示す。 In the first embodiment, the partitions that divide the flow path may be incomplete partitions that are missing a part of the partitions (complete partitions that form a closed cross section). Examples of incomplete partitions include those shown in Figures 6 to 8. Figure 6 (A) shows an incomplete partition that is missing an end (on the pipe wall side) of a cross-shaped partition that divides the inside of a circular pipe, Figure 6 (B) shows an incomplete partition that is missing a center (on the pipe axis) of a cross-shaped partition that divides the inside of a circular pipe, and Figure 6 (C) shows an incomplete partition in which a number of holes (punched holes) are formed in a cross-shaped partition that divides the inside of a circular pipe. Also, Figure 7 (A) shows an incomplete partition that is missing the center of a side of a triangular partition that divides the inside of a triangular pipe, Figure 7 (B) shows an incomplete partition that is missing a corner of a triangular partition that divides the inside of a triangular pipe, and Figure 7 (C) shows an incomplete partition in which a number of holes (punched holes) are formed in a triangular partition that divides the inside of a triangular pipe. Also, Figure 8(A) shows an incomplete partition in which the end (on the tube wall side) of the cross-shaped partition that divides the inside of a square tube is missing, Figure 8(B) shows an incomplete partition in which the center (on the tube axis) of the cross-shaped partition that divides the inside of a square tube is missing, and Figure 8(C) shows an incomplete partition in which multiple holes (punched holes) are formed in the cross-shaped partition that divides the inside of a square tube.

不完全隔壁の欠損部分の割合は、完全隔壁の辺部長さ又は周長さの10%以下とすることが、流路を明確に区画できると共に、揚鉱効率を向上させることができる点で好ましい。例えば、図6(A)において、例えば十字形隔壁の一部である直線状隔壁61の欠損部(l-l)は、完全隔壁である円管直径lの10%以下であり、図7(B)において、例えば三角形隔壁の一部である直線状隔壁71の欠損部(l-l)は、完全隔壁の長さlの10%以下であり、図8(C)において、例えば十字形隔壁の一部である直線状隔壁81の欠損部(穴部)は、直線状完全隔壁の10%以下である。 The ratio of the missing portion of the incomplete partition is preferably 10% or less of the side length or circumferential length of the complete partition, in order to clearly divide the flow path and improve the ore lifting efficiency. For example, in Fig. 6(A), the missing portion (l 1 -l 2 ) of the straight partition 61, which is a part of the cross-shaped partition, is 10% or less of the circular pipe diameter l 1 , which is a complete partition, in Fig. 7(B), the missing portion (l 3 -l 4 ) of the straight partition 71, which is a part of the triangular partition, is 10% or less of the length l 3 of the complete partition, and in Fig. 8(C), the missing portion (hole portion) of the straight partition 81, which is a part of the cross-shaped partition, is 10% or less of the straight complete partition.

また、第1の実施の形態において、上昇管の隔壁で区画された区画路の最小内寸法Y1は、鉱物の最大寸法Xの1.5倍~5.0倍、好ましくは2.0倍~4.0倍である。鉱物の最大寸法Xとは、上昇管中に存在する大きさが様々な多数の鉱物中の一番大きな鉱物の寸法を意味し、ひとつの鉱物において最小寸法、最大寸法が存在する場合の最大寸法を意味するものではない。上昇管中の最大寸法Xの鉱物は、例えば、循環系管路の海底側に設けられた、最大寸法Xの海底有価物質を搬入する搬入口を設けることで決定することができる。このような搬入口としては、海底有価物質から最大寸法Xの海底有価物質を選別するスクリーンの設置などが挙げられる。このように、上昇管の区画路の最小内寸法Y1を、鉱物の最大寸法Xの1.5倍~5.0倍とすることで、上昇する鉱物と管壁の距離が近くなり、管壁に沿って通る鉱物の下降を抑制できる。スクリーンとしては、メッシュの分離網が挙げられる。なお、異なる断面積の2以上の区画路を使用する場合、それぞれの断面に対応したスクリーンをそれぞれ設置すればよい。これにより、1つのスクリーンを使用し、同じ断面積の流路に同じ粒度の海底鉱物を搬入した場合よりも揚鉱効率は向上する。 In the first embodiment, the minimum inner dimension Y1 of the partition passage of the riser pipe partitioned by the partition wall is 1.5 to 5.0 times, preferably 2.0 to 4.0 times, the maximum dimension X of the mineral. The maximum dimension X of the mineral means the dimension of the largest mineral among the many minerals of various sizes present in the riser pipe, and does not mean the maximum dimension when a minimum dimension and a maximum dimension exist in one mineral. The mineral of the maximum dimension X in the riser pipe can be determined, for example, by providing an entrance for carrying in the seabed valuable material of the maximum dimension X, which is provided on the seabed side of the circulation system pipe. An example of such an entrance is the installation of a screen for separating the seabed valuable material of the maximum dimension X from the seabed valuable material. In this way, by setting the minimum inner dimension Y1 of the partition passage of the riser pipe to 1.5 to 5.0 times the maximum dimension X of the mineral, the distance between the rising mineral and the pipe wall is shortened, and the descent of the mineral passing along the pipe wall can be suppressed. An example of the screen is a mesh separation net. When using two or more partitions with different cross-sectional areas, a screen corresponding to each cross section can be installed. This improves the ore-lifting efficiency compared to using a single screen to transport seabed minerals of the same grain size through a passage of the same cross-sectional area.

次に、本発明における上昇管の管壁近くの鉱物の沈降抑制作用について、図9及び図10を参照して説明する。図9及び図10は、共に、球状の鉱石モデルがキャリア物質中を相対的に下方に移動する(沈降する)状態を示す模式図である。図9(A)は、単管16中、鉱石モデルZが管の管軸上を通過する管内の模式図であり、図9(B)は、単管16中、鉱石モデルZが管壁に沿って通過する管内の模式図である。図10は、内管162及び隔壁163で区画された外管161からなる二重管(円管)16Aの外管内を鉱石モデルZが通過する管内の模式図である。図9及び図10共に、上図が縦断面、下図が横断面を示す。図9(A)において、鉱石モデルZが管の管軸上を下方に沈降する際、鉱石モデルZが移動する前面方向(図中、下方)のキャリア物質を側方から背面方向(図中、上方)に押しのける必要がある。このようなキャリア物質の挙動を生じるためには、鉱石モデルZの周辺、特に下方周辺から側方にかけての領域において、キャリア物質が大きなせん断変形を受ける必要がある。図中、矢印の下方の円弧状の破線はせん断破壊面である。一方、図9(B)において、鉱石モデルZが管壁付近を下方に沈降する際、鉱石の一方の側方、すなわち、管壁側においては、キャリア物質のせん断変形が拘束されている。その結果として、鉱石モデルZの相対的な下方への移動(沈降)を抑制することとなる。図10は、鉱石モデルの径と管路の内寸法とが近く、小さな断面の流路を大きな鉱石モデルが通ることになり、両側においてキャリア物質のせん断変形が拘束される。このような管壁付近の鉱物の沈降抑制作用から、上昇管の区画路の最小内寸法Y1は、管閉塞を生じない程度の大きさであれば、可能な限り鉱物の最大寸法Xに近い寸法、すなわち、1.5倍、好ましくは2.0倍とすることが好ましい。なお、上昇管の区画路の最小内寸法Y1が、鉱物の最大寸法Xの5.0倍を超えると、管壁の影響を受けず、鉱物の沈降抑制は期待できない。なお、実際には、最大寸法X以下の様々な寸法の多くの鉱物をキャリア物質に同伴させて揚鉱する必要があり、上昇管の区画路の最小内寸法Y1は、鉱物の最大寸法Xの1.5倍以上とした。 Next, the effect of suppressing the settling of minerals near the walls of the riser pipe in the present invention will be described with reference to Figures 9 and 10. Both Figures 9 and 10 are schematic diagrams showing a state in which a spherical ore model moves relatively downward (settling) in a carrier material. Figure 9 (A) is a schematic diagram of the inside of a single pipe 16 where an ore model Z passes on the pipe axis, and Figure 9 (B) is a schematic diagram of the inside of a single pipe 16 where an ore model Z passes along the pipe wall. Figure 10 is a schematic diagram of the inside of a pipe where an ore model Z passes through an outer pipe of a double pipe (circular pipe) 16A consisting of an inner pipe 162 and an outer pipe 161 divided by a partition wall 163. In both Figures 9 and 10, the upper figure shows a longitudinal section, and the lower figure shows a transverse section. In FIG. 9(A), when the ore model Z sinks downward on the tube axis of the tube, the carrier material in the front direction (downward in the figure) along which the ore model Z moves must be pushed aside from the side to the back direction (upward in the figure). In order to generate such behavior of the carrier material, the carrier material must undergo large shear deformation around the ore model Z, especially in the area from the lower periphery to the side. In the figure, the arc-shaped dashed line below the arrow is the shear fracture surface. On the other hand, in FIG. 9(B), when the ore model Z sinks downward near the tube wall, the shear deformation of the carrier material is constrained on one side of the ore, that is, on the tube wall side. As a result, the relative downward movement (settling) of the ore model Z is suppressed. In FIG. 10, the diameter of the ore model and the inner dimension of the tube are close, and a large ore model passes through a flow path with a small cross section, and the shear deformation of the carrier material is constrained on both sides. In order to suppress the settling of minerals near the pipe wall, it is preferable that the minimum internal dimension Y1 of the riser pipe compartment be as close as possible to the maximum dimension X of the mineral, i.e., 1.5 times, preferably 2.0 times, as long as the pipe is not clogged. If the minimum internal dimension Y1 of the riser pipe compartment exceeds 5.0 times the maximum dimension X of the mineral, the pipe wall will not have an effect, and suppression of mineral settling cannot be expected. In reality, it is necessary to lift many minerals of various dimensions less than the maximum dimension X by entraining them in the carrier material, so the minimum internal dimension Y1 of the riser pipe compartment is set to 1.5 times or more the maximum dimension X of the mineral.

海底有価物質としては、深さ数百から数千メートルの海底に存在するマンガンクラスト、マンガンノジュール、コバルトリッチクラスト、硫化物鉱床(熱水鉱床)、レアアース泥又はメタンハイドレードから採取される粒状、粉状又は塊状体の鉱石が挙げられる。鉱石は0.75mm以上の粗粒であってもよく、最大粒径50mm以上、粒子密度が4.1g/cm以上の高密度な塊状体であってもよい。 Examples of valuable seabed materials include manganese crusts, manganese nodules, cobalt-rich crusts, sulfide deposits (hydrothermal deposits), rare earth mud, and methane hydrates that exist on the seabed at depths of several hundred to several thousand meters. The ores may be coarse particles of 0.75 mm or more, or may be high-density aggregates with a maximum particle size of 50 mm or more and a particle density of 4.1 g/ cm3 or more.

第1の実施の形態のキャリア物質は、海底有価物質の揚鉱に使用するものであり、粘性流動体である。粘性流動体としては、特許657000号公報に記載された粘性流動体が使用できる。すなわち、粘性流動体は、5℃の粘度(JIS Z8803;液体の粘度測定方法)が、1000mPa・s以上、好ましくは1,300mPa・s以上、特に好ましくは2,000mPa・s以上、更に好ましくは3000mPa・s以上である。また、5℃の塑性粘度は、100Pa・s以下であり、5℃の降伏応力は5Pa以上である。降伏応力と塑性粘度は、回転式及び振動式の粘度計を使用し、JIS Z8803に準拠する方法で測定することができる。5℃の粘度としたのは、海水温度が海水表面から数十m以上の深度においては、概ね5℃と安定しており、下降管及び上昇管のほとんどは、5℃の環境下に晒されるためである。なお、粘性流動体の5℃の粘度の上限値は、10万mPa・sである。これ以上粘度が高くなると固体に近くなり、現実的に圧送が困難となる。 The carrier material of the first embodiment is used for lifting valuable seabed materials, and is a viscous fluid. The viscous fluid described in Patent Publication No. 657000 can be used as the viscous fluid. That is, the viscous fluid has a viscosity at 5°C (JIS Z8803; method for measuring viscosity of liquids) of 1000 mPa·s or more, preferably 1,300 mPa·s or more, particularly preferably 2,000 mPa·s or more, and even more preferably 3000 mPa·s or more. In addition, the plastic viscosity at 5°C is 100 Pa·s or less, and the yield stress at 5°C is 5 Pa or more. The yield stress and plastic viscosity can be measured using a rotational and vibrational viscometer by a method conforming to JIS Z8803. The viscosity of 5°C is chosen because the temperature of seawater is generally stable at 5°C at depths of several tens of meters or more from the ocean surface, and most of the descending and ascending pipes are exposed to an environment of 5°C. The upper limit of the viscosity of a viscous fluid at 5°C is 100,000 mPa·s. If the viscosity is higher than this, it becomes closer to a solid, and pumping it becomes practically difficult.

粘性流動体は、水系、油系及びエマルジョン系であってもよいが、水系及びエマルジョン系が好ましく、特に高分子溶液等の水系が、安価で済み、取り扱いにおいて都合がよい点で好ましい。高分子溶液は、懸濁液を含む。高分子溶液における高分子は、天然物又は合成物いずれも使用できるが、合成物とすることが、少ない配合量で流動化物を得ることができる点で好ましい。また、エマルジョン系としては、油又は水と乳化剤の混合物であるマヨネーズが挙げられる。 The viscous fluid may be water-based, oil-based or emulsion-based, but water-based and emulsion-based fluids are preferred, and water-based fluids such as polymer solutions are particularly preferred because they are inexpensive and easy to handle. Polymer solutions include suspensions. Either natural or synthetic polymers can be used in the polymer solution, but synthetic polymers are preferred because a fluidized material can be obtained with a small blend amount. An example of an emulsion system is mayonnaise, which is a mixture of oil or water and an emulsifier.

高分子溶液における高分子としては、一般に増粘剤、増粘材、吸水剤と称されるものが使用でき、例えば、ベントナイト、メチルセルロース(MC)、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ヒドロキシエチルセルロースナトリウム(HEC)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリルアミド(PAAM)、ポリアクリル酸ナトリウム、デンプン、ガム類、ペクチン、アルギン酸金属塩、アルギン酸エステル等が挙げられる。ガム類としては、グアーガム、キンサンタンガム、ジェランガム、ダイユータンガム等が挙げられる。また、アルギン酸金属塩としては、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カルシウム、アルギン酸カリウム等が挙げられる。これらの化合物は、1種類又は2種類以上を組み合わせて使用することができる。 As the polymer in the polymer solution, those generally called thickeners, thickening materials, or water absorbents can be used, and examples thereof include bentonite, methylcellulose (MC), sodium carboxymethylcellulose (CMC), polyethylene oxide (PEO), sodium hydroxyethylcellulose (HEC), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylamide (PAAM), sodium polyacrylate, starch, gums, pectin, metal alginates, alginate esters, etc. Examples of gums include guar gum, xinthane gum, gellan gum, and diutan gum. Examples of metal alginates include sodium alginate, calcium alginate, and potassium alginate. These compounds can be used alone or in combination of two or more.

第1の実施の形態において、粘性流動体は、粒状体を含んでいてもよい。粒状体は、特許657000号公報に記載された粒状体が使用できる。粒状体は、海底有価物質以外のものであり、使用する前に予め粘性流動体に含有されるものである。粒状体としては、平均粒径が0.01mm~10mm、好ましくは、0.1~8mmであり、真密度が0.01~8g/cmである。平均粒径は、粒度分布から求められる公知の算出方法を用いて算出される。このような粒状体としては、岩石由来、植物・生物由来、樹脂素材、繊維素材のいずれでもよく、また、その混合物であってもよい。具体的には、発泡ビーズ、ガラスビーズ、珪砂などの砂、シルト・礫、木材、鉄粉などの金属粉が挙げられる。粒状体の配合量としては、粘性流動体100重量部に対して、0.1~80重量部、好ましくは、0.3~60重量部、更に好ましくは0.5~50重量部である。 In the first embodiment, the viscous fluid may contain granular material. The granular material described in Japanese Patent Publication No. 657000 can be used as the granular material. The granular material is other than the valuable seabed material and is contained in the viscous fluid before use. The granular material has an average particle size of 0.01 mm to 10 mm, preferably 0.1 to 8 mm, and a true density of 0.01 to 8 g/cm 3. The average particle size is calculated using a known calculation method obtained from particle size distribution. Such granular material may be derived from rocks, plants or organisms, resin materials, or fiber materials, or may be a mixture thereof. Specific examples include foam beads, glass beads, sand such as silica sand, silt/gravel, wood, and metal powder such as iron powder. The amount of the granular material to be mixed is 0.1 to 80 parts by weight, preferably 0.3 to 60 parts by weight, and more preferably 0.5 to 50 parts by weight, relative to 100 parts by weight of the viscous fluid.

第1の実施の形態によれば、上昇管の管内を隔壁で区画して区画路を形成したこと、あるいは上昇管の区画路の最小内寸法Y1を、鉱物の最大寸法Xの1.5倍~5.0倍としたことで、揚鉱途中の鉱物は、管壁の影響を受ける。このため、沈降が抑制され、深さ数千メートルの海底から鉱物資源である粒状及び塊状体の有価物質を海上まで高い揚鉱効率、具体的には60%以上、好ましくは80%以上で、輸送・運搬することができる。揚鉱効率とは、揚鉱速度をキャリア物質流送速度で除した値を言う。 According to the first embodiment, the inside of the riser pipe is divided by partitions to form partition passages, or the minimum inner dimension Y1 of the riser pipe partition passage is set to 1.5 to 5.0 times the maximum dimension X of the mineral, so that the minerals are affected by the pipe walls during lifting. This suppresses settling, and valuable granular and agglomerated materials, which are mineral resources, can be transported and conveyed from the seabed several thousand meters deep to the sea surface with high lifting efficiency, specifically 60% or more, and preferably 80% or more. The lifting efficiency is the value obtained by dividing the lifting speed by the carrier material flow rate.

第1の実施の形態において、鉱物の沈降を抑制する作用力としては、粘性抵抗、浮力及び有効支持力が挙げられる。粘性抵抗及び浮力は、粘性流動体が担い、有効支持力は、粒状体が担うことになる。なお、海底鉱物の位置が管壁に近い場合には、粘性抵抗と有効支持力は管壁の影響を受ける。 In the first embodiment, the forces that inhibit the settling of minerals include viscous resistance, buoyancy, and effective bearing capacity. Viscous resistance and buoyancy are borne by the viscous fluid, while effective bearing capacity is borne by the granular material. When the location of the seabed minerals is close to the pipe wall, the viscous resistance and effective bearing capacity are influenced by the pipe wall.

次に、第1の実施の形態の揚鉱装置及びそれを用いたい揚鉱方法について、図11を参照して説明する。第1の実施の形態の揚鉱装置における管路は環状(ループ)のものである。揚鉱装置10は、海上より海底に達する下降管1と、海底から海上に達する上昇管2を海底側と海上側でそれぞれ連結した環状の管路7と、環状の管路7内に充填されるキャリア物質3と、キャリア物質3を循環させる圧送ポンプ4と、管路7の海底側に設けられた海底有価物質を搬入する搬入口5と、管路7の海上側に設けられた海底有価物質Zを回収する回収口6を有する。なお、海上側の施設は、通常、揚鉱船や揚鉱フロートなどのプラットフォームに設置される。なお、上昇管2は、図3で示す円管内を十字の隔壁で区画された4つの区画路を有するものである。 Next, the ore lifting device of the first embodiment and the ore lifting method using the same will be described with reference to FIG. 11. The pipeline in the ore lifting device of the first embodiment is a ring (loop). The ore lifting device 10 has a ring-shaped pipeline 7 that connects a descending pipe 1 that reaches the seabed from the sea surface and an ascending pipe 2 that reaches the sea surface from the seabed on the seabed and on the sea surface, a carrier material 3 filled in the ring-shaped pipeline 7, a pressure pump 4 that circulates the carrier material 3, an inlet 5 for carrying seabed valuable materials provided on the seabed side of the pipeline 7, and a recovery port 6 for recovering seabed valuable materials Z provided on the sea surface side of the pipeline 7. The facility on the sea surface is usually installed on a platform such as an ore lifting ship or an ore lifting float. The ascending pipe 2 has four compartments divided by cross-shaped partitions inside the circular pipe shown in FIG. 3.

環状(ループ)の管路としては、可撓性を有していてもよい管であり、例えば、一般的な配管が挙げられる。環状の管路において、上昇管の下端と下降管の下端は、連結され連続した管であればよい。上昇管は、4つの区画路を有するが、下降管は、隔壁を有さなくともよい。下降管はキャリア物質の戻り管であり、本発明の海底鉱物の沈降の問題は発生しないからである。従って、上昇管の区画された区画路の断面積と下降管の流路断面積は同じ、又は異なっていてもよい。 The annular (loop) pipeline may be a flexible pipe, for example, a general piping. In the annular pipeline, the lower end of the riser pipe and the lower end of the downcomer pipe may be connected to form a continuous pipe. The riser pipe has four compartments, but the downcomer pipe does not need to have a partition. This is because the downcomer pipe is a return pipe for the carrier material, and does not cause the problem of the sedimentation of seabed minerals of the present invention. Therefore, the cross-sectional area of the compartments of the riser pipe and the flow path cross-sectional area of the downcomer pipe may be the same or different.

環状の管路7には、キャリア物質3を循環させるポンプ4を有する。ポンプ4は圧送ポンプであり、管路系内であれば、設置場所は特に制限されない。また、ポンプ4は、環状の管路系内に設置されるため、海底の搬入口5と、海上の回収口6とに大きな高低差があったとしても、ポンプ4には管内壁の摩擦損失以外の負荷が生じないため、キャリア物質3又は海底有価物含有のキャリア物質3を、効率的に長距離圧送することが可能となる。 The annular pipeline 7 has a pump 4 that circulates the carrier material 3. The pump 4 is a pressure pump, and there are no particular restrictions on where it can be installed as long as it is within the pipeline system. In addition, because the pump 4 is installed within the annular pipeline system, even if there is a large difference in elevation between the delivery port 5 on the seabed and the recovery port 6 on the sea surface, the pump 4 is not subjected to any load other than friction loss on the inner wall of the pipeline, making it possible to efficiently pressure-transport the carrier material 3 or the carrier material 3 containing seabed valuables over long distances.

環状の管路7は、管路7の海底側に設けられた海底有価物質を搬入する搬入口5を有する。搬入口5は、公知の集鉱機から採取される粒状の鉱石が、搬入される場所である。搬入口5としては、二重扉又は回転扉を設けることが、管路に充填されたキャリア物質3の漏れを防止できる点で好ましい。図12は搬入口5に設置された回転扉5aを示したものである。回転扉5aは、回転軸51を中心に有する側面視が十字(クロス)形状のドアパネル52を有し、搬入口5近傍において回動自在に設置されている。搬入口5周りには、十字(クロス)形状の中、I字形状部分のドアパネルが密に接触する部分円弧形状の上部ケーシング55と部分円弧形状の下部ケーシング53を有している。また、符号54は、下部ケーシング53の上端から斜め上方に延びる板状体であり、搬入口を拡げて鉱石Zの搬入を容易にしている。回転扉5aによれば、ドアパネル52が回転中、管路7と外部は常に遮断されており、管路7内の圧力を保持したまま、鉱石Zを管路7内に搬入することができる。 The annular pipeline 7 has an entrance 5 for carrying seabed valuable materials, which is provided on the seabed side of the pipeline 7. The entrance 5 is a place where granular ore collected from a known ore collector is carried in. It is preferable to provide a double door or a revolving door as the entrance 5, since it can prevent leakage of the carrier material 3 filled in the pipeline. Figure 12 shows a revolving door 5a installed at the entrance 5. The revolving door 5a has a door panel 52 that is cross-shaped in side view with a rotation axis 51 at its center, and is installed to be freely rotatable near the entrance 5. Around the entrance 5, there is a partially arc-shaped upper casing 55 and a partially arc-shaped lower casing 53, in which the door panel of the I-shaped part of the cross shape is in close contact. In addition, the symbol 54 is a plate-shaped body that extends diagonally upward from the upper end of the lower casing 53, which widens the entrance and makes it easier to carry in the ore Z. With the revolving door 5a, the pipeline 7 is always isolated from the outside while the door panel 52 is rotating, and ore Z can be transported into the pipeline 7 while maintaining the pressure inside the pipeline 7.

また、搬入口5には、任意の構成要素である、海底鉱物から最大寸法Xの海底鉱物を選別するスクリーン57が設置されている。すなわち、スクリーン57は、例えば、寸法Xの目開き(篩目)の分離網が挙げられ、様々な大きさを有する海底鉱物から最大寸法Xより小さなサイズの海底鉱物の搬入を許容し、最大寸法Xより大きなサイズの鉱物の搬入を阻止する。これにより、上昇管2を隔壁で区画された区画路の内、最大の区画路Y1の最小内寸法Y2を、Xの1.5倍~5.0倍に決定できる。 At the entrance 5, there is also installed a screen 57, which is an optional component, for separating seabed minerals of a maximum dimension X from the seabed minerals. That is, the screen 57 can be, for example, a separation net with openings (sieve mesh) of dimension X, and allows the introduction of seabed minerals smaller than the maximum dimension X from seabed minerals of various sizes, and prevents the introduction of minerals larger than the maximum dimension X. As a result, the minimum inner dimension Y2 of the largest partition passage Y1 of the partition passages divided by partitions in the riser pipe 2 can be set to 1.5 to 5.0 times X.

また、環状の管路7には、管路7の海上側に設けられた海底有価物質Xを回収する回収口6を有する。また、回収口6には、海上側の装置を設置してもよい。すなわち、例えば、海上側の装置は、圧送ポンプ、分離槽、粉砕装置、選鉱装置及び調整槽を有する。分離槽は、重力沈降分離法を採用するものであり、分離槽の下端から海底鉱物を含むキャリア物質3を回収し、分離槽の上端から海底鉱物を含まないキャリア物質3を循環させる。粉砕装置は、公知の砕石装置が使用できる。選鉱装置は、粉砕された海底鉱物を不要鉱物と有用鉱物に分離するものであり、公知の選鉱装置が使用できる。 The annular pipeline 7 also has a recovery port 6 provided on the sea side of the pipeline 7 for recovering valuable seabed material X. An offshore device may also be installed at the recovery port 6. That is, for example, the offshore device has a pressure pump, a separation tank, a crushing device, a mineral processing device, and an adjustment tank. The separation tank employs a gravity settling separation method, and recovers carrier material 3 containing seabed minerals from the bottom end of the separation tank, and circulates carrier material 3 not containing seabed minerals from the top end of the separation tank. A known stone crushing device can be used for the crushing device. The mineral processing device separates the crushed seabed minerals into unwanted minerals and useful minerals, and a known mineral processing device can be used.

次に、図11の揚鉱装置10を使用した海底有価物質の揚鉱方法について説明する。先ず、図11の揚鉱装置10において、圧送ポンプ4を稼働させる。これにより、環状の管路7内をキャリア物質3が循環する。次いで、不図示の集鉱機を稼働させ、例えば、千mの海底の鉱床Yから鉱石Zを採取し、これを管路7の搬入口5から管路7内に搬入する。搬入口5から搬入された鉱石Zは、循環するキャリア物質3と同伴して、上昇管2内を上昇運搬される。採取された鉱石Zは、キャリア物質3が粘性流動体で、且つ上昇管2内が図3に示すような十字の区画壁131で区画され、狭い流路(区画路)となっているため、粗粒物や塊状体であっても、また高密度粒子であっても、粒状の鉱石Zの相対的な位置を極力、保持した状態で管内7を流動すると共に、キャリア物質3から大きく沈降することなく、高い揚鉱効率で輸送・運搬される。特に、最大寸法Xに近い大きなサイズの鉱石は、上昇しつつも沈降は避けられないものの、管壁に沿って下方に沈降する際、管壁側において、キャリア物質のせん断変形が拘束される。その結果として、鉱石の相対的な下方への移動(沈降)を抑制することが可能となる。 Next, a method for lifting valuable seabed materials using the ore lifting device 10 in Figure 11 will be described. First, in the ore lifting device 10 in Figure 11, the pressure pump 4 is operated. This causes the carrier material 3 to circulate inside the annular pipeline 7. Next, an ore collector (not shown) is operated to extract ore Z from, for example, an ore deposit Y on the seabed at a depth of 1,000 m, and this is transported into the pipeline 7 through the inlet 5 of the pipeline 7. The ore Z transported through the inlet 5 is transported upwards in the riser pipe 2 together with the circulating carrier material 3. Because the carrier material 3 is a viscous fluid and the inside of the riser pipe 2 is partitioned by a cross-shaped partition wall 131 as shown in Figure 3, forming a narrow flow path (partition passage), the collected ore Z, whether it is coarse particles, lumps, or high-density particles, flows through the pipe 7 while maintaining the relative position of the granular ore Z as much as possible, and is transported and conveyed with high ore lifting efficiency without settling significantly from the carrier material 3. In particular, although large-sized ores close to the maximum dimension X cannot avoid settling while rising, when they settle downward along the pipe wall, the shear deformation of the carrier material is restrained on the pipe wall side. As a result, it is possible to suppress the relative downward movement (settling) of the ore.

海上に運搬された鉱石Zは、搬出口6からキャリア物質3と共に、分離槽に導入され、分離槽で分離されて、鉱石Zを含むキャリア物質3と、鉱石Zを含まないキャリア物質3に分離され、鉱石Zを含むキャリア物質3は、粉砕装置に導入されて粉砕され、粉砕された鉱石Zは、更に選鉱装置に導入され、不要鉱石と有用鉱石に分離される。 The ore Z transported to the sea is introduced into a separation tank together with the carrier material 3 from the discharge port 6, where it is separated into carrier material 3 containing ore Z and carrier material 3 not containing ore Z. The carrier material 3 containing ore Z is introduced into a crushing device and crushed, and the crushed ore Z is further introduced into a mineral processing device and separated into unwanted ore and useful ore.

第1の実施の形態の揚鉱装置及び揚鉱方法によれば、環状の管路内をキャリア物質である粘性流動体が循環し、且つ上昇管内が隔壁で区画され狭くなっているため、有価物質である塊状体や高密度な粒状体を高い揚鉱効率で揚鉱でき、千m程度の長距離輸送が可能であり、且つ廃棄物を出さない。 According to the first embodiment of the ore lifting device and ore lifting method, a viscous fluid carrier material circulates inside the annular pipeline, and the inside of the ascent pipe is narrowed by partitions, so valuable materials such as lumps and high-density granular materials can be lifted with high ore lifting efficiency, long-distance transportation of approximately 1,000 meters is possible, and no waste is produced.

次に、第2の実施の形態における揚鉱装置及び揚鉱方法について説明する。第2の実施の形態において、第1の実施の形態と同一構成要素についてはその説明を省略し、異なる点について主に説明する。第2の実施の形態において、第1の実施の形態と異なる点は、上昇管である。すなわち、第2の実施の形態において、上昇管は、複数の管としたことにある。なお、第2の実施の形態において、循環系管路としては、下降管と上昇管を海底側と海上側でそれぞれ連結した環状の管路、下降管と上昇管を海底側で連結したU字状の管路及び内管が上昇管が挙げられる。 Next, an ore lifting device and an ore lifting method in the second embodiment will be described. In the second embodiment, the description of the same components as in the first embodiment will be omitted, and the differences will be mainly described. The second embodiment differs from the first embodiment in the riser pipe. That is, in the second embodiment, the riser pipe is a plurality of pipes. In the second embodiment, the circulation system pipeline can be a ring-shaped pipeline that connects the downcomer pipe and the riser pipe on the seabed side and the above sea side, a U-shaped pipeline that connects the downcomer pipe and the riser pipe on the seabed side, and an inner pipe that is the riser pipe.

第1の実施の形態において、上昇管の複数の管を構成する個別の管の断面の輪郭形状としては、特に制限されず、断面の最小寸法と最大寸法の比が、0.5~1.0の円管又は多角形管が挙げられる。多角形管としては、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形などが挙げられる。なお、断面の最大寸法及び断面の最小寸法の定義は、第1の実施の形態と同じである。複数の管は、全て同じ形状であっても、異なった形状であってもよい。また、複数の管は、中央の下降管の周りに付設されるもの、又は下降管に隣接する複数の管が挙げられ、この中、中央の下降管の周りに付設されるものが好ましい。 In the first embodiment, the cross-sectional contour shape of each of the multiple tubes constituting the riser pipe is not particularly limited, and examples thereof include circular or polygonal pipes with a ratio of the minimum and maximum dimensions of the cross section of 0.5 to 1.0. Examples of polygonal pipes include triangles, squares, pentagons, hexagons, and octagons. The definitions of the maximum and minimum dimensions of the cross section are the same as in the first embodiment. The multiple tubes may all have the same shape or different shapes. In addition, the multiple tubes may be attached around a central downcomer pipe or multiple tubes adjacent to a downcomer pipe, and among these, those attached around a central downcomer pipe are preferred.

上昇管が複数の管からなる具体例としては、3つの円管21a~21cからなり、軸芯を結ぶ線が正三角形の複数円管である上昇管21(図13)、中央の下降管222(円管)の周りに設置された8つの円管221である上昇管22(図14)、中央の六角管232の周りに設置された6つの六角管231を配置した7つの六角管からなる上昇管23(図15)等が挙げられる。なお、図13の3つの円管において、1つを下降管とし、他の2つ上昇管としてもよい。また、図15の7つの六角管において、中央又は中央以外の1つ又は複数個を下降管とし、他の2つ以上を上昇管としてもよい。これにより、上昇管内の流路を狭くでき、上昇する鉱物と管壁の距離が近くなり、管壁に沿って通る鉱物の下降を抑制できる。 Specific examples of the riser pipe consisting of multiple pipes include the riser pipe 21 (Figure 13), which is made up of three circular pipes 21a-21c and is a multiple circular pipe with lines connecting the axis centers forming an equilateral triangle; the riser pipe 22 (Figure 14), which is made up of eight circular pipes 221 arranged around a central downcomer pipe 222 (circular pipe); and the riser pipe 23 (Figure 15), which is made up of seven hexagonal pipes with six hexagonal pipes 231 arranged around a central hexagonal pipe 232. Note that, in the three circular pipes in Figure 13, one may be a downcomer pipe and the other two may be riser pipes. Also, in the seven hexagonal pipes in Figure 15, one or more pipes other than the central one may be a downcomer pipe and the other two or more may be riser pipes. This narrows the flow path in the riser pipe, shortens the distance between the ascending minerals and the pipe wall, and suppresses the descent of the minerals along the pipe wall.

また、第2の実施の形態において、上昇管である2以上の管の中、最大の管の最小内寸法Y2は、鉱物の最大寸法Xの1.5倍~5.0倍、好ましくは2.0倍~4.0倍である。鉱物の最大寸法Xの定義は、第1の実施の形態の鉱物の最大寸法の定義と同じである。また、第2の実施の形態は、第1の実施の形態と同様、管の最小内寸法Y2は、例えば、循環系管路の海底側に設けられた、最大寸法Xの海底有価物質を搬入する搬入口を設けることで決定することができる。このような搬入口としては、海底有価物質から最大寸法Xの海底有価物質を選別するスクリーンの設置などが挙げられる。このように、上昇管である2以上の管の中、最大の管の最小内寸法Y2を、鉱物の最大寸法Xの1.5倍~5.0倍とすることで、上昇する鉱物と管壁の距離が近くなり、管壁に沿って通る鉱物の下降を抑制できる。なお、異なる断面積の2以上の管を使用する場合、それぞれの断面に対応した適切なスクリーンをそれぞれ設置すればよい。これにより、同じ断面積の2以上の流路に1つのスクリーンで選別した同じ粒度の海底鉱物を搬入した場合よりも揚鉱効率は向上する。 In the second embodiment, the minimum inner dimension Y2 of the largest pipe among the two or more pipes that are the rising pipes is 1.5 to 5.0 times, preferably 2.0 to 4.0 times, the maximum dimension X of the mineral. The definition of the maximum dimension X of the mineral is the same as the definition of the maximum dimension of the mineral in the first embodiment. In the second embodiment, as in the first embodiment, the minimum inner dimension Y2 of the pipe can be determined, for example, by providing an entrance for carrying in the seabed valuable material of the maximum dimension X, which is provided on the seabed side of the circulation system pipeline. Examples of such an entrance include the installation of a screen for separating the seabed valuable material of the maximum dimension X from the seabed valuable material. In this way, by setting the minimum inner dimension Y2 of the largest pipe among the two or more pipes that are the rising pipes to 1.5 to 5.0 times the maximum dimension X of the mineral, the distance between the rising mineral and the pipe wall is reduced, and the descent of the mineral passing along the pipe wall can be suppressed. In addition, when two or more pipes with different cross-sectional areas are used, appropriate screens corresponding to each cross section may be installed respectively. This improves ore-lifting efficiency compared to transporting seabed minerals of the same particle size sorted by a single screen through two or more channels of the same cross-sectional area.

第2の実施の形態において、上昇管の管壁近くの鉱物の沈降抑制作用は、第1の実施の形態における上昇管の管壁に沿って通る鉱物の沈降抑制作用と同様であり、その説明を省略する。 In the second embodiment, the effect of inhibiting the settling of minerals near the walls of the riser pipe is similar to the effect of inhibiting the settling of minerals passing along the walls of the riser pipe in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

第2の実施の形態において、海底有価物質の説明、キャリア物質の説明は、第1の実施の形態における海底有価物質の説明、キャリア物質の説明と同様であり、その説明を省略する。 In the second embodiment, the explanation of the seabed valuable material and the carrier material is the same as the explanation of the seabed valuable material and the carrier material in the first embodiment, and the explanation is omitted.

第2の実施の形態によれば、上昇管を複数の管としたこと、あるいは上昇管の複数の管の中、管内寸法が最大の管の最小内寸法Y1を、鉱物の最大寸法Xの1.5倍~5.0倍としたことで、揚鉱途中の鉱物は、管壁の影響を受ける。このため、沈降が抑制され、深さ数千メートルの海底から鉱物資源である粒状及び塊状体の有価物質を海上まで高い揚鉱効率、具体的には60%以上、好ましくは80%以上で、輸送・運搬することができる。第2の実施の形態において、鉱物の沈降を抑制する作用力は、第1の実施の形態と同様であり、その説明を省略する。 According to the second embodiment, by forming the riser pipe from a plurality of pipes, or by setting the minimum inner dimension Y1 of the pipe with the largest inner dimension among the plurality of pipes of the riser pipe to 1.5 to 5.0 times the maximum dimension X of the mineral, the mineral is affected by the pipe wall during lifting. As a result, settling is suppressed, and valuable materials in the form of granules and lumps, which are mineral resources, can be transported and conveyed from the seabed several thousand meters deep to the sea surface with high lifting efficiency, specifically 60% or more, preferably 80% or more. In the second embodiment, the force suppressing the settling of the mineral is the same as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

次に、第2の実施の形態の揚鉱装置及びそれを用いたい揚鉱方法について説明する(不図示)。第2の実施の形態の揚鉱装置は、上昇管を図13の3つの円管とした以外は、図11の第1の実施の形態の揚鉱装置と同じである。従って、以下に、第1の実施の形態の揚鉱装置及びそれを用いたい揚鉱方法と異なる点についてのみ説明する。 Next, a second embodiment of the ore lifting equipment and an ore lifting method using the same will be described (not shown). The ore lifting equipment of the second embodiment is the same as the ore lifting equipment of the first embodiment shown in Figure 11, except that the riser pipe is the three circular pipes shown in Figure 13. Therefore, only the differences from the ore lifting equipment of the first embodiment and the ore lifting method using the same will be described below.

環状(ループ)の管路において、上昇管2の下端と下降管3の下端は、連結され連続した管である。下降管3の形状は円形で、その断面積は3つの上昇管2の総断面積と同程度である。下降管3と上昇管2の接続部には、海底鉱物を搬入する搬入口5を設ける。下降管3と搬入口5の間及び搬入口5と上昇管2の間の接続部は、キャリア物質が周辺の海域に漏洩したり、海水が管内に混入したりすることを防止する液密な構造とすればよい。なお、本例における下降管3の断面積は、3つの上昇管2の総断面積と異なり、大きくても小さくてもよい。 In the annular (loop) pipeline, the lower end of the riser pipe 2 and the lower end of the downcomer pipe 3 are connected to form a continuous pipe. The downcomer pipe 3 is circular in shape, and its cross-sectional area is approximately the same as the total cross-sectional area of the three riser pipes 2. An inlet 5 for transporting seabed minerals is provided at the connection between the downcomer pipe 3 and the riser pipe 2. The connection between the downcomer pipe 3 and the inlet 5 and between the inlet 5 and the riser pipe 2 may be liquid-tight to prevent the carrier material from leaking into the surrounding sea area or seawater from mixing into the pipe. Note that the cross-sectional area of the downcomer pipe 3 in this example may be larger or smaller than the total cross-sectional area of the three riser pipes 2.

次に、第2の実施の形態の揚鉱装置を使用した海底有価物質の揚鉱方法について説明する。先ず、揚鉱装置において、圧送ポンプを稼働させる。これにより、環状の管路内をキャリア物質が循環する。次いで、集鉱機を稼働させ、例えば、千mの海底の鉱床Yから粒状の鉱石Zを採取し、これを管路の搬入口から上昇管内に搬入する。搬入口から搬入された粒状の鉱石Zは、循環するキャリア物質と同伴して、上昇管である3つの管内を上昇運搬される。最大寸法Xに近い大きなサイズの鉱石は、上昇しつつも沈降は避けられないものの、3つの管内は、それぞれ狭い流路となっているため、管壁沿って下方に沈降する際、管壁側において、キャリア物質のせん断変形が拘束される。その結果として、鉱石の相対的な下方への移動(沈降)を抑制することが可能となる。 Next, a method for lifting valuable materials from the seabed using the ore lifting device of the second embodiment will be described. First, the pressure pump is operated in the ore lifting device. This causes the carrier material to circulate in the annular pipeline. Next, the ore collector is operated to collect granular ore Z from, for example, an ore deposit Y on the seabed at a depth of 1,000 m, and transport it into the riser pipe from the inlet of the pipeline. The granular ore Z transported from the inlet is transported upward through the three pipes that are the riser pipes, accompanied by the circulating carrier material. Although large ores close to the maximum dimension X cannot avoid settling while rising, the three pipes each have a narrow flow path, so that when they settle downward along the pipe wall, the shear deformation of the carrier material is restrained on the pipe wall side. As a result, it is possible to suppress the relative downward movement (settling) of the ore.

第2の実施の形態の揚鉱装置及び揚鉱方法によれば、環状の管路内をキャリア物質である粘性流動体が循環し、且つ上昇管が複数の管であるため、有価物質である塊状体や高密度な粒状体を高い揚鉱効率で揚鉱でき、千m程度の長距離輸送が可能であり、且つ廃棄物を出さない。 According to the second embodiment of the ore lifting device and ore lifting method, a viscous fluid carrier material circulates inside a circular pipeline, and the ascent pipe is made up of multiple pipes, so valuable materials such as lumps and high-density granular materials can be lifted with high ore lifting efficiency, long-distance transportation of approximately 1,000 meters is possible, and no waste is produced.

第1の実施の形態及び第2の実施の形態において、揚鉱装置及び揚鉱方法は、上記実施の形態例に限定されず、管路を、下降管と上昇管を海底側で連結し、海上側で連結しないU字状としたものであってもよい。この場合、海上側に上昇管と下降管間に、キャリア物質を下降管に戻すための戻り配管が設置される。 In the first and second embodiments, the ore lifting device and ore lifting method are not limited to the above-mentioned embodiment examples, and the pipeline may be U-shaped, with the downcomer pipe and the upcomer pipe connected on the seabed side and not connected on the sea surface side. In this case, a return pipe is installed on the sea surface side between the upcomer pipe and the downcomer pipe to return the carrier material to the downcomer pipe.

本発明の揚鉱装置及び揚鉱方法は、上記実施の形態に限定されず、種々の変形を採ることができる。例えば、図1~図3の上昇管において、隔壁の形状や隔壁数を代えることで、区画路を2又は3、あるいは5以上とすることができる。この場合、それぞれの区画路の断面積は同じであっても、異なっていてもよい。図4の二重管において、内管と外管の両方を上昇管としてもよい。この場合、内管を隔壁で区画してもよい。図5の二重管において、内管と外管の両方を上昇管としてもよい。この場合、外管を隔壁で区画してもよい。また、図4および図5は二重管に限定されず、三重管以上であってもよい。三重管以上を上昇管とした場合、内管が隔壁となるため、断面が直線状の隔壁は省略できる。また、海底鉱石から最大寸法Xの海底有価物質を選別する方法としては、スクリーン以外の公知の選別方法が使用できる。例えば、揚鉱装置とは別の鉱物選別機を海底で稼働させ、鉱物選別機で最大寸法Xの海底鉱物を選別し、これをショベルで搬入口に投入してもよい。また、鉱物の大きさを計測できる探索機を海底で稼働させ、予め海底鉱物の最大寸法Xを決定する方法であってもよい。この場合もスクリーンの設置は省略できる。 The ore lifting device and ore lifting method of the present invention are not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the riser pipes of Figures 1 to 3, the number of partition passages can be two, three, or five or more by changing the shape and number of partitions. In this case, the cross-sectional areas of the partition passages may be the same or different. In the double pipe of Figure 4, both the inner pipe and the outer pipe may be riser pipes. In this case, the inner pipe may be partitioned by a partition. In the double pipe of Figure 5, both the inner pipe and the outer pipe may be riser pipes. In this case, the outer pipe may be partitioned by a partition. In addition, Figures 4 and 5 are not limited to double pipes, and may be triple pipes or more. When triple pipes or more are used as riser pipes, the inner pipe becomes the partition, so the partitions with a straight cross section can be omitted. In addition, as a method for separating seabed valuable materials of the maximum dimension X from seabed ore, a known separation method other than a screen can be used. For example, a mineral sorting machine separate from the ore lifting device may be operated on the seabed, and the seabed minerals with a maximum dimension X may be selected by the mineral sorting machine, which may then be dumped into the loading port by a shovel. Alternatively, a search machine capable of measuring the size of minerals may be operated on the seabed to determine the maximum dimension X of the seabed minerals in advance. In this case as well, the installation of a screen may be omitted.

(沈降試験)
次に、本発明の揚鉱装置及び揚鉱方法において、上昇管の管壁近傍で生じる鉱石の沈降挙動を検証するため、参考例として以下の沈降試験を行った。
(Sedimentation test)
Next, in order to verify the settling behavior of the ore occurring near the wall of the riser pipe in the ore lifting apparatus and ore lifting method of the present invention, the following settling test was carried out as a reference example.

参考例1(沈降試験その1)
図16に示す高さ4m、内径100mmの円筒状のアクリル製円筒容器31内にキャリア物質を満たし、円筒容器上端から海底有価物質を模した球状の鉱石モデルを落下させ、鉱石モデルが沈降に要する時間と沈降距離の関係を求めた。
Reference Example 1 (Sedimentation Test No. 1)
A cylindrical acrylic container 31 having a height of 4 m and an inner diameter of 100 mm as shown in Figure 16 was filled with carrier material, and a spherical ore model simulating valuable seabed material was dropped from the top of the cylindrical container, and the relationship between the time required for the ore model to sink and the sinking distance was determined.

<鉱石モデルA(沈降物質)>
直径50.8mm、密度6.00g/cmのジルコニア製の完全球を使用した。この鉱石モデルAは、海底有価物質の鉱石Zと同等若しくはそれ以上の大きさと比重を有するものである。完全球とは断面が真円に近い球を言う。
<Ore model A (sedimentary material)>
A perfect sphere made of zirconia with a diameter of 50.8 mm and a density of 6.00 g/ cm3 was used. This ore model A has a size and specific gravity equal to or greater than that of ore Z, which is a valuable seabed material. A perfect sphere is a sphere whose cross section is nearly a perfect circle.

<キャリア物質A>
容器中、水道水77.9質量%、ベントナイト7.1質量%、珪砂(6号)15.0質量%を混合し、キャリア物質Aを作製した。キャリア物質Aの25℃における塑性粘度56Pa・s、降伏応力38.9Pa、密度1.38g/cmであった。降伏応力と塑性粘度は、回転式粘度計を使用し、JIS Z 8803:液体の粘度測定方法に準拠して行った。
<Carrier Material A>
77.9% by mass of tap water, 7.1% by mass of bentonite, and 15.0% by mass of silica sand (No. 6) were mixed in a container to prepare carrier substance A. Carrier substance A had a plastic viscosity of 56 Pa·s, a yield stress of 38.9 Pa, and a density of 1.38 g/cm 3 at 25° C. The yield stress and plastic viscosity were measured using a rotational viscometer in accordance with JIS Z 8803: Method for measuring viscosity of liquids.

<試験方法>
キャリア物質の使用温度は、海底温度に相当する5℃であるが、キャリア物質Aの5℃と25℃の粘度がほぼ同じであるため、温度の影響はほとんどないと判断し、室温(25℃)で行った。また、キャリア物質中、珪砂(6号)は均一分散されている状態で使用した。先ず、鉱石モデルを液面下に埋没させ、鉱石モデルAの中心が液面下100mm深さに保持した。液面が静止状態になるまで20秒程度待ってから鉱石モデルを静かに離した。次いで、経過時間と沈降距離を計測した。なお、落下開始位置は、管軸上(Zの位置)と、管壁沿い(Zの位置)の2か所で行った(図16参照)。その結果を図17に示す。図17中、符号△は、管軸上を、符号▲は管壁沿いを、太い直線状の実線は予測値を示す。
(管軸上での沈降予測)
<Test Method>
The temperature of the carrier material was 5°C, which corresponds to the seabed temperature. However, since the viscosity of carrier material A at 5°C and 25°C is almost the same, it was determined that there was almost no effect of temperature, and the experiment was performed at room temperature (25°C). In addition, silica sand (No. 6) was used in a state where it was uniformly dispersed in the carrier material. First, the ore model was buried under the liquid surface, and the center of the ore model A was held at a depth of 100 mm below the liquid surface. After waiting about 20 seconds until the liquid surface was stationary, the ore model was gently released. Next, the elapsed time and the sinking distance were measured. The falling start position was measured at two points, on the pipe axis (position Z2 ) and along the pipe wall (position Z1 ) (see Figure 16). The results are shown in Figure 17. In Figure 17, the symbol △ indicates on the pipe axis, the symbol ▲ indicates along the pipe wall, and the thick straight solid line indicates the predicted value.
(Prediction of settling on the tube axis)

Figure 0007663198000001
Figure 0007663198000001

Figure 0007663198000002
このように、管軸上での沈降予測値は、上記式(1)及び式(2)により、計算により求めることができる。式(1)及び式(2)は、重力場で静止したビンガム流体の中を完全球が一定の速さ(自由落下した時の終端速度)で沈降することを仮定して求められる。よって、管あるいは管壁の存在を考慮していない条件に相当する。
Figure 0007663198000002
In this way, the predicted sinking value on the tube axis can be calculated using the above formulas (1) and (2). Formulas (1) and (2) are calculated on the assumption that a perfect sphere sinks at a constant speed (terminal velocity in free fall) in a stationary Bingham fluid in a gravitational field. Therefore, these conditions do not take into account the presence of the tube or the tube wall.

参考例1は、(管径)/鉱石モデルの直径)が2.0であり、管軸上であっても、鉱石モデルと管壁は接近している。図17及び管軸上の沈降予測の結果から、鉱石モデルが3m沈降するまでにかかる時間は、管軸上と管壁で同等若しくは管壁沿いの方が短かった。いずれの落下開始位置の場合の計測結果も3m沈降するまでにかかる時間は予測値の数十倍であった。このように、参考例1では、鉱石モデルの投入開始位置によらず、鉱石モデルの沈降速度は抑制された。 In Reference Example 1, the (pipe diameter)/ore model diameter) is 2.0, and the ore model and pipe wall are close to each other even on the pipe axis. From Figure 17 and the results of the settling prediction on the pipe axis, the time it takes for the ore model to sink 3 m is the same on the pipe axis and the pipe wall, or is shorter along the pipe wall. In the measurement results for both drop start positions, the time it takes for the ore model to sink 3 m was several tens of times the predicted value. Thus, in Reference Example 1, the settling speed of the ore model was suppressed regardless of the starting position of the ore model's introduction.

参考例2(沈降試験その2)
<試験方法>
鉱石モデルBとして、直径15.9mm、密度3.82g/cmのアルミナ製の完全球を使用し、キャリア物質Bとして、水道水93.2質量%とベントナイト6.8質量%の混合物を使用した以外は、実施例1と同様の試験方法により行った。なお、キャリア物質Bの25℃における塑性粘度は、3.6Pa・s、降伏応力12.6Pa、密度1.12g/cmであった。その結果を図18に示す。図18中、符号〇は、管軸上を、符号●は管壁沿いを、太い直線状の実線は予測値を示す。
Reference Example 2 (Sedimentation Test No. 2)
<Test Method>
The test was carried out in the same manner as in Example 1, except that an alumina perfect sphere with a diameter of 15.9 mm and a density of 3.82 g/ cm3 was used as the ore model B, and a mixture of 93.2 mass% tap water and 6.8 mass% bentonite was used as the carrier material B. The plastic viscosity of the carrier material B at 25°C was 3.6 Pa·s, the yield stress was 12.6 Pa, and the density was 1.12 g/ cm3 . The results are shown in Figure 18. In Figure 18, the symbol ◯ indicates the axis of the tube, the symbol ● indicates the tube wall, and the thick straight solid line indicates the predicted value.

参考例2は、(管径/鉱石モデル直径)が6.3であり、管軸上の鉱石モデルは、管壁から離れている。図18の結果から、管壁沿いに投入した鉱石モデルが3m沈降するまでにかかる時間は管軸上の十分の一であった。また、管軸上に投入した場合の予測値は、管軸上に投入した場合の計測値と近い値を示した。これにより、管壁沿いを通る鉱石モデルは、管壁により、沈降が抑制されることが判る。これは、沈降する鉱石モデルに対して、管壁がキャリア物質のせん断変形を拘束するためと考えられる。 In Reference Example 2, the (pipe diameter/ore model diameter) is 6.3, and the ore model on the pipe axis is away from the pipe wall. From the results in Figure 18, the time it takes for the ore model charged along the pipe wall to sink 3 m is one-tenth of that on the pipe axis. In addition, the predicted value when charged on the pipe axis was close to the measured value when charged on the pipe axis. This shows that the ore model passing along the pipe wall is prevented from sinking by the pipe wall. This is thought to be because the pipe wall restricts the shear deformation of the carrier material for the sinking ore model.

参考例3(沈降試験その3)
<試験方法>
直径25.4mm、密度5.97g/cmのジルコニア製の完全球(鉱石モデルC)を使用し、参考例1のキャリア物質Aを使用した以外は、参考例1と同様の試験方法により行った。その結果を図19に示す。なお、参考例3は、管軸上の沈降予測の計算は行っていない。図19中、符号△は、管軸上を、符号▲は管壁沿いを示す。
Reference Example 3 (Sedimentation Test No. 3)
<Test Method>
A complete zirconia sphere (ore model C) with a diameter of 25.4 mm and a density of 5.97 g/ cm3 was used, and the same test method as in Reference Example 1 was used, except that the carrier material A in Reference Example 1 was used. The results are shown in Figure 19. Note that in Reference Example 3, no calculation was performed to predict sedimentation along the tube axis. In Figure 19, the symbol △ indicates the tube axis, and the symbol ▲ indicates along the tube wall.

参考例4(沈降試験その4)
<試験方法>
キャリア物質Aに代えて、水道水91.6質量%、ベントナイト8.4質量%の混合物(キャリア物質C)を使用した以外は、参考例3と同様の試験方法により行った。その結果を図20に示す。すなわち、参考例4は、参考例3において、キャリア物質中の珪砂(6号)の配合を省略したものである。
Reference Example 4 (Sedimentation Test No. 4)
<Test Method>
The test was carried out in the same manner as in Reference Example 3, except that a mixture of 91.6 mass % tap water and 8.4 mass % bentonite (carrier material C) was used instead of carrier material A. The results are shown in Fig. 20. That is, Reference Example 4 is the same as Reference Example 3, except that the blending of silica sand (No. 6) in the carrier material was omitted.

(管径/鉱石モデル直径)が3.9の参考例3及び参考例4の結果から、管壁沿いに投入した鉱石モデルが3m沈降するまでにかかる時間は管軸上の数分の一であった。これにより、管壁沿いを通る鉱石モデルは、管壁により、沈降が抑制されることが判る。これは、沈降する鉱石モデルに対して、管壁がキャリア物質のせん断変形を拘束するためと考えられる。また、キャリア物質中に珪砂(6号)が含まれる場合、管軸上及び管壁沿い共に、鉱石モデルの沈降を顕著に抑制することが判る。 From the results of Reference Examples 3 and 4, where the (pipe diameter/ore model diameter) is 3.9, the time it took for the ore model inserted along the pipe wall to sink 3 m was a fraction of the time it took on the pipe axis. This shows that the pipe wall suppresses the sinking of the ore model passing along the pipe wall. This is thought to be because the pipe wall restricts the shear deformation of the carrier material for the sinking ore model. It is also clear that when silica sand (No. 6) is included in the carrier material, the sinking of the ore model is significantly suppressed both on the pipe axis and along the pipe wall.

参考例5(沈降試験その5)
<試験方法>
直径12.7mm、密度5.70g/cmのジルコニア製の完全球(鉱石モデルD)を使用し、水道水65.2質量%、ベントナイト4.8質量%、珪砂(6号)30.0質量%の混合物(キャリア物質D)を使用した以外は、参考例1と同様の試験方法により行った。その結果を図21に示す。なお、参考例5は、管軸上の沈降予測の計算は行っていない。図21中、符号△は、管軸上を、符号▲は管壁沿いを示す。
Reference Example 5 (Sedimentation Test No. 5)
<Test Method>
The test was carried out in the same manner as in Reference Example 1, except that a perfect zirconia sphere (ore model D) with a diameter of 12.7 mm and a density of 5.70 g/ cm3 was used, and a mixture (carrier material D) of 65.2 mass% tap water, 4.8 mass% bentonite, and 30.0 mass% silica sand (No. 6) was used. The results are shown in Figure 21. Note that in Reference Example 5, no calculation was performed to predict settling along the tube axis. In Figure 21, the symbol △ indicates the tube axis, and the symbol ▲ indicates along the tube wall.

参考例6(沈降試験その6)
<試験方法>
キャリア物質Dに代えて、水道水93.2質量%、ベントナイト6.8質量%の混合物(キャリア物質B)を使用した以外は、参考例5と同様の試験方法により行った。その結果を図22に示す。すなわち、参考例5は、参考例4において、キャリア物質中の珪砂(6号)の配合を省略したものである。図22中、符号△は、管軸上を、符号▲は管壁沿いを示す。
Reference Example 6 (Sedimentation Test No. 6)
<Test Method>
The test was carried out in the same manner as in Reference Example 5, except that a mixture of 93.2 mass% tap water and 6.8 mass% bentonite (carrier material B) was used instead of carrier material D. The results are shown in Figure 22. That is, Reference Example 5 is the same as Reference Example 4 except that the blending of silica sand (No. 6) in the carrier material is omitted. In Figure 22, the symbol △ indicates the pipe axis and the symbol ▲ indicates the pipe wall.

参考例5及び参考例6の結果から、管壁沿いに投入した鉱石モデルが3m沈降するまでにかかる時間は管軸上での十分の一であった。これにより、管壁沿いを通る鉱石モデルは、管壁により、沈降が抑制されることが判る。また、キャリア物質中に珪砂(6号)が含まれる場合、管軸上及び管壁沿い共に、鉱石モデルの沈降を顕著に抑制することが判る。 From the results of Reference Examples 5 and 6, it was found that the time it took for the ore model introduced along the pipe wall to sink 3 m was one-tenth of that taken on the pipe axis. This shows that the pipe wall inhibits the sinking of the ore model passing along the pipe wall. It was also found that when silica sand (No. 6) was included in the carrier material, it significantly inhibited the sinking of the ore model both on the pipe axis and along the pipe wall.

参考例7(沈降試験その7)
<試験方法>
直径19.1mm、密度3.83g/cmのアルミナ製の完全球(鉱石モデルE)を使用し、水道水79.1質量%、ベントナイト5.9質量%、珪砂(6号)15.0質量%の混合物(キャリア物質E)を使用した以外は、参考例1と同様の試験方法により行った。その結果を図23に示す。なお、参考例7は、管軸上の沈降予測の計算は行っていない。図23中、符号〇は、管軸上を、符号●は管壁沿いを示す。参考例7の結果から、管壁沿いに投入した鉱石モデルが3m沈降するまでにかかる時間は管軸上での数十分の一であった。これにより、管壁沿いを通る鉱石モデルは、管壁により、沈降が抑制されることが判る。
Reference Example 7 (Sedimentation Test No. 7)
<Test Method>
The test was carried out in the same manner as in Reference Example 1, except that a perfect alumina sphere (ore model E) with a diameter of 19.1 mm and a density of 3.83 g/ cm3 was used, and a mixture (carrier material E) of 79.1 mass% tap water, 5.9 mass% bentonite, and 15.0 mass% silica sand (No. 6) was used. The results are shown in FIG. 23. In Reference Example 7, calculations for predicting sedimentation on the pipe axis were not performed. In FIG. 23, the symbol ◯ indicates the pipe axis, and the symbol ● indicates along the pipe wall. From the results of Reference Example 7, the time it took for the ore model introduced along the pipe wall to sink 3 m was several tenths of that on the pipe axis. This shows that the pipe wall suppresses the sedimentation of the ore model passing along the pipe wall.

本発明によれば、粒状体及び塊状体の海底鉱石を高い揚鉱効率で揚鉱できる。 According to the present invention, granular and lump seabed ore can be lifted with high lifting efficiency.

1 下降管
2 上昇管
3 キャリア物質
4 圧送ポンプ
5 搬入口
6 回収口
7 管路
10 揚鉱装置
11~15 区画路を有する上昇管
21~23 複数の管からなる上昇管
Z 鉱石
REFERENCE SIGNS LIST 1 Downcomer pipe 2 Upcomer pipe 3 Carrier material 4 Pressure pump 5 Delivery inlet 6 Recovery port 7 Pipe 10 Ore lifting device 11-15 Upcomer pipe with compartments 21-23 Upcomer pipe consisting of multiple pipes
Z Ore

Claims (9)

海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を備える循環系管路を有する揚鉱装置であって、
該循環系管路には、キャリア物質である粘性流動体が充填され、
該上昇管は、2以上の流路を有し、
該流路の最小内寸法Y1は、揚鉱する海底資源物質の最大寸法Xの1.5倍~5.0倍であることを特徴とする海底有価物質の揚鉱装置。
An ore lifting device having a circulation system pipeline including a downpipe that reaches the seabed from the sea surface and an uppipe that reaches the sea surface from the seabed,
The circulatory system is filled with a viscous fluid that is a carrier material,
The riser has two or more flow paths;
The minimum inner dimension Y1 of the flow passage is 1.5 to 5.0 times the maximum dimension X of the seabed resource material to be lifted .
該2以上の流路は、上昇管の管内を隔壁で区画された2以上の区画路であることを特徴とする請求項1記載の海底有価物質の揚鉱装置。 The device for lifting valuable seabed materials according to claim 1, characterized in that the two or more flow paths are two or more compartment paths separated by partitions inside the riser pipe. 該上昇管は、2以上の管からなり、該2以上の管が2以上の流路であることを特徴とする請求項1記載の海底有価物質の揚鉱装置。 2. The apparatus for lifting valuable materials from the seabed according to claim 1, wherein said riser pipe comprises two or more pipes, said two or more pipes being two or more flow passages. 該2以上の管は、中央の下降管の周りに付設されることを特徴とする請求項3記載の海底有価物質の揚鉱装置。 The apparatus for lifting valuable seabed materials according to claim 3, characterized in that the two or more pipes are attached around a central downcomer pipe. 該循環系管路の海底側に設けられ、最大寸法Xの海底有価物質を搬入する搬入口を更に有することを特徴とする請求項1記載の海底有価物質の揚鉱装置。 2. The apparatus for lifting valuable materials from the seabed according to claim 1, further comprising an entrance for carrying in valuable materials from the seabed having a maximum dimension X, the entrance being provided on the seabed side of said circulating pipeline. 該搬入口には、海底有価物質から最大寸法Xの海底有価物質を選別するスクリーンを設けたことを特徴とする請求項5記載の海底有価物質の揚鉱装置。 The device for lifting valuable seabed materials according to claim 5, characterized in that the entrance is provided with a screen for separating valuable seabed materials of a maximum dimension X from the valuable seabed materials. 該上昇管は、断面の最小寸法と最大寸法の比が、0.5~1の円管又は多角形管であることを特徴とする請求項1記載の海底有価物質の揚鉱装置。2. The apparatus for lifting valuable materials from the seabed according to claim 1, wherein said riser pipe is a circular pipe or a polygonal pipe with a ratio of the minimum dimension to the maximum dimension of the cross section of 0.5 to 1. 該2以上の管は、断面の最小寸法と最大寸法の比が、0.5~1の円管又は多角形管であることを特徴とする請求項3又は4記載の海底有価物質の揚鉱装置。5. The apparatus for lifting valuable materials from the seabed according to claim 3, wherein said two or more pipes are circular or polygonal pipes with a ratio of the minimum dimension to the maximum dimension of the cross section of 0.5 to 1. 海上より海底に達する下降管と、海底から海上に達する上昇管を備える循環系管路内をキャリア物質で充填し、該キャリア物質をポンプにより循環させ、海底有価物質を該キャリア物質に混入させ、該キャリア物質と同伴により上昇運搬し、海上側において海底有価物質を回収する方法であって、該キャリア物質は、粘性流動体であり、該上昇管は、2以上の流路を有し、該流路の最小内寸法Y1は、揚鉱する海底有価物質の最大寸法Xの1.5倍~5.0倍であることを特徴とする海底有価物質の揚鉱方法。 A method for lifting valuable materials from the seabed, comprising filling a circulation pipeline having a downcomer pipe extending from the sea surface to the seabed and an upcomer pipe extending from the seabed to the sea surface with a carrier material, circulating the carrier material with a pump, mixing the valuable materials from the seabed into the carrier material, transporting them upward together with the carrier material, and recovering the valuable materials from the seabed on the sea surface, wherein the carrier material is a viscous fluid, the upcomer pipe has two or more flow paths, and the minimum inner dimension Y1 of the flow paths is 1.5 to 5.0 times the maximum dimension X of the valuable materials from the seabed to be lifted .
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