书城自然科学巧夺天工:海洋工程与海港
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第6章 海洋中的矿物能源开发(1)

随着工业的发展,人类对矿产资源的需求量成倍增长,陆地地壳中的矿产资源、能源矿物逐渐减少,有的趋向枯竭,丰富的海底矿产资源将成为21世纪工业原料的重要供应基地。海底矿产资源十分丰富,从近岸海底到大洋深处;从海表层到海底岩石以下几千米深处,无不有矿物分布。辽阔的海面上翻滚着汹涌的波涛;有规律的潮汐活动犹如草原上的万马奔腾,势不可当;大洋中的洋流浩浩荡荡、奔流不息;海水中蕴藏的热能更是取之不尽、用之不竭。

海洋:人类的盐库

食盐是人类普遍食用的调味品,是人体不可缺少的物质。据科学家统计,一个健康成年人每天要从各种饮食中吸取5~20克的盐分。这些盐分能维持人体血液的渗透压,促进血液的循环,保持新陈代谢的正常进行。

食盐也是基本的化学工业原料,制造肥皂、精炼石油、炼钢和炼铝,提炼纯碱、烧碱,生产盐酸及化学肥料氯化铵等都是以海盐为原料的。可以说,在化学工业中,凡是用到钠和氯的产品,绝大多数都源于海盐。所以说,盐不仅是人类生活的必需品,而且是化学工业之母。

我国拥有漫长的海岸线,沿海有许多海滩,平坦、广阔,多晴朗干燥的天气,对发展海盐生产有着极其有利的条件,因此,海盐产量居世界首位,而且利用海水制盐已有几千年的历史。

煮海为盐和滩晒法是从海水中提炼盐的两大方法。

煮海为盐就是把海水取上岸来,放在铁锅等设备内,用火烧,待海水烧开后,蒸发出水汽,使海水浓缩成苦卤,再使苦卤继续蒸发,蒸发到最后,食盐就会变成一粒粒像冰糖一样的晶体,从海水中跑出来。

世界历史学家们公认,中国是最早从海水里提取食盐的国家。据文物考证,早在5000年前,我们的祖先已经用海水煮成食盐了。相传历史上有个夙沙氏,他是跟神农氏同时代的人,首先煮海为盐。

古代制盐

在我国,早在公元前4000多年前,炎帝时夙沙氏就教民众煮海水取盐。在仰韶文化时期(公元前5000~前3000年),福建沿海的人民制成了熬盐的工具。到了春秋战国,位于山东的齐国专设盐官煮盐,并把“渔盐之利”作为富国之本。汉代盐铁已成为“佐百姓之急,足军旅之资”。在明朝永乐年间,制盐技术又有了新的发展,开始废锅灶,建盐田,改煎、煮、熬盐为晒盐,并一直沿用至今。

从海水中制取盐的另一种方法是滩晒法。滩晒制盐的地方是盐田,一般建在海滩边,借用海滩逐渐升高的坡度,开出一片像扶梯似的一级一级池子,利用涨潮,或用风车或用泵抽取海水到池内。海水流过几个池子,随着风吹日晒,水分不断蒸发,海水中的盐浓度愈来愈高,最后让浓盐进入结晶池,继续蒸发直到析出食盐晶体。

在我国,滩晒法最早出现在元代,到了清朝康熙年间,大规模开辟华北长芦盐区,开始大面积滩晒食盐。其他国家海水制盐的方法基本上和我国相似。有趣的是,美国实现专利法时,第一个专利就是滩晒食盐的工艺,滩晒法经济有效,到现代还在广泛采用。

现在我国有40多万制盐工人,随着现代化的机械操作,加上科学管理,海盐生产逐年上升,每年可以生产海盐近2000万吨,占食盐总产量的80%,居世界第一位。

在制盐方法上,还有一种是冷冻法。在瑞典和前苏联等国家,他们让海水天然冷却成冰,冰几乎由淡水组成,剩下来的是苦卤,就是浓盐水。让苦卤经过几次冰冻,得到的盐水越来越浓,最后,再用人工加热的方法得到食盐晶体。这种方法只能在冬天生产,其产量不高。

海底宝库:深海锰结核

锰结核是一种海底稀有金属矿源。它是1873年由英国海洋调查船首先在大西洋发现的。但是,世界上对锰结核正式有组织的调查,始于1958年。

调查表明,锰结核广泛分布于4000~5000米的深海底部。它们是未来可利用的最大的金属矿资源。

深海锰结核的发现,在人类的找矿活动中,可以说具有划时代的意义。在锰结核中,除了有铁和锰以外,还含有铜、钴、镍等30多种金属元素、稀土元素和放射性元素,尤其是锰、铜、钴、镍的含量很高,在目前技术条件下都具有工业意义。锰结核中稀有分散元素和放射性元素的含量也很高,如铍、铈、锗、铌、铀、镭和钍的浓度要比海水中的浓度高几千、几万乃至百万倍。这些元素是重要的战略物资,也是炼钢、化工、电子、通信、喷气式飞机和燃气轮机等现代工业的重要原料。在陆地上原材料日益短缺的情况下,开采深海锰结核无疑会给工农业生产注入新的血液。

锰结核一般产于沉积速率低的沉积物上。它的形成有三种主要的来源,即成岩的(来自腐败沉积物的孔隙水)、水成的(来自上覆海水)和热液的(来自洋底热源)。受热液影响的锰结核主要发现于板块边界附近,其铁的含量高,而镍、铜、钴的含量低。暴露于高海脊和海岭上,受水成的影响占优势的锰结核,则含铁和钴高,而含镍、铜和锰低,钴的含量可超过1%。受成岩作用影响的锰结核富含锰,并含有较高的镍和铜。

令人感兴趣的是,锰结核是一种自生矿物。它每年约以1000万吨的速率不断地增长着,是一种取之不尽的矿产。

世界上各大洋锰结核的总储藏量约为3万亿吨,其中包括锰4000亿吨,铜88亿吨,镍164亿吨,钴98亿吨,分别为陆地储藏量的几十倍至几千倍。以当今的消费水平计算,这些锰可供全世界用3.3万年,镍用2.53万年,钴用2.15万年,铜用980年。仅从每年新生长的锰结核中提取的铜,就可供全世界用3年,钴用4年,镍用1年。加上原有的,深海锰结核可说是一种永久性资源了。

目前,大洋锰结核勘探调查比较深入,技术比较成熟,预计到本世纪末,可以进入商业性开发阶段,正式形成深海采矿业。锰结核在三大洋均有分布。太平洋中锰结核的平均富集程度为每平方千米10千克。太平洋海底表面的75%为锰结核所覆盖,是最有希望的开采区。

由于锰结核储藏大,金属品位高,而且世界上锰、铜、镍又供不应求,钴仅仅只能勉强维持供需平衡,因此,许多国家都对深海锰结核感兴趣。美、英、日、俄罗斯等国已成立了许多公司,从事勘探和试采工作。印度、法国、挪威、德国等国也在进行开采的准备。有的国家还建立了提炼工厂。

我国的远洋调查船于1978年对太平洋进行了科学考察。在水深4000多米的地方,取得了一定数量的锰结核。1983年,“向阳红”16号进行锰结核调查,并捞取了更多的锰结核。之后,我国进一步加快了锰结核的调查、勘探和试验开发工作。

世界上对锰结核的争夺相当激烈。1982年联合国海洋法会议通过的《海洋法公约》规定:国际海底区域及其资源是人类的共同继承财产,并通过关于对锰结核勘探、开发活动投资的决议。这项决议规定:在1983年1月1日以前,投资达到3000万美元,其中有10%的投资是用来选取未来矿址海域的国家,在国际海底管理局筹委会成立以后,可登记为先驱投资者。发展中国家在1985年1月1日以前达到以上投资标准的,也可以申请为先驱投资者。美国、前苏联、法国、日本、印度等11个国家被列入先驱投资者。当时,我国没有要求作为先驱投资者,但是我国已经声明,从1976年开始,我国已投资8000万人民币,调查了部分国际海域的海底,并有1600万人民币直接用于海底调查。所以,我国被认为是潜在的先驱投资者。凡取得先驱投资者资格的,可以在太平洋富矿区占有一块15万平方千米的矿址。1990年8月,我国已向联合国国际海底管理局筹委会正式提出申请,作为先驱投资国。我国的申请已被批准。这样,我国就可以得到一块开采海域,成为21世纪深海矿产开采的一个基地。

锰结核不像石油那样埋藏在海底深处,而是铺在海底表层,就像露天煤矿那样,所以开采起来比较容易。加上它的品位高,因而开采的成本比较低。据美国经济学家计算,一年开采300万吨锰结核的企业,可获利1.5亿~2亿美元,比陆地上开采的效益高3倍。

至于谈到大洋锰结核的具体开采技术,迄今还处于试验阶段,预计在21世纪可进入商业性实用阶段。

目前,锰结核开采系统的研制技术已基本成熟。锰结核的开采系统通常由集矿、输送和采矿船三部分组成。经过有关专家论证,认为比较经济适用的有三大类:

1. 提升采矿系统

这一系统是目前世界各国试验研究的重点。它是根据美国科学家的设想于1978年研制成功的。因提升的方式不同,又可以分为水力提升和空气提升。

水力提升系统由海底集矿装置、高压水泵、浮筒和采矿管四个部件组成。采矿管挂在采矿船和浮筒下,起到输送锰结核的作用;浮筒安装在采矿管上部15%的地方,其中充以高压空气,以支撑水泵的作用;高压水泵装置在浮筒内,它的功率为5884千瓦,通过高压使采矿管内产生每秒5米的高速上升水流,使锰结核和水一起由海底提升到采矿船内;集矿装置承担筛选、采集锰结核的作用。

空气提升系统由高压气泵、采矿管、集矿装置三部分组成。高压气泵不是安在水中,而是装在船上。采矿作业时,首先在船上开动高压气泵,气泵产生的高压空气通过输气管道向下,从采矿管的深、中、浅三部分输入,在采矿管中产生高速上升的固体、气体、液体三相混合流,将经过集矿装置的筛滤系统选择过的锰结核提升到采矿船内。空气提升系统的提升效率为30%~35%。为了使采矿管中水流的上升速度达到每秒3米,需要利用功率为4340千瓦的空气压缩机,每分钟吹进225立方米的空气。据有关资料报道,现在,空气提升系统已能在水深5000米处作业。

不久以前,法国研制成功了一种新颖的流体采矿系统,集矿装置由拖曳式改为自动驱动式,它在海底能自由运动。采到锰结核后,先进行初步处理,把锰结核粉碎成矿浆,然后通过水力泵把矿浆输送到一个叫缓冲器的装置内,最后把矿浆压送到水面。这一系统也可以在水深5000米处作业,最大生产能力为每小时500吨。

2. 链斗采矿系统

这是一种机械式采矿系统,也是第一代采矿系统。1967年由日本工程师发明。它的基本结构与常见的链斗挖泥船相似——在高强度的缆绳上,每隔25~50米安装一个采矿斗。然后把一串链斗安装在采矿船的绞车上。采矿时,链斗从船头上放下去,经海底再从船尾提升上来,形成一个循环式采掘过程。采矿船一边行驶一边采矿。每个斗每次大可采到1.5~2吨的锰结核矿石。

3. 采矿系统

这种采矿系统是根据机器人的原理研制而成的。它由很轻但强度很大的材料制成,在水下的重量为零。下水前,采矿船上装满压舱物(一般为锰结核冶炼后的矿渣),这一系统能自动驱动,在海底采集锰结核矿。采满后,卸掉压舱物,按程序上浮到一个半潜式水上平台中,把锰结核卸在平台上,尔后再装上压舱物,重新下潜到海底采集锰结核。目前,这种系统的采矿能力可达到每小时25吨。

在21世纪初,美国将大量使用高科技无缆自动潜水器来开采深海锰结核。这种潜水器采用程序控制,与其他采矿机械相比,它的优点还在于:水下作业时间长,同时还可以进行矿产资源的现场分析评价,如用中子激活分析技术、原子吸收技术等,在海底运行过程中即可完成矿物成分的分析化验。

由于深海自动采矿具有不受波浪和气候的影响,以及不破坏环境的特点,因此是一项颇有发展前途的深海采矿新技术。

在介绍锰结核的开采技术以后,下一步便是如何进行加工冶炼的问题了。

在锰结核矿石中,以锰的氧化物和铁的氧化物为主要成分。它具有复杂的显微结构,而且由极细的颗粒组成。锰结核矿石的化学性质和物理性质因地而异,如来自大西洋的矿石富含钙,而北太平洋的矿石则含丰富的硅。因此,对于锰结核的选矿和冶炼技术,必须根据不同海域的矿石特征。采取不同的流程。

锰结核的加工冶炼方法主要有以下五种:

(1)氯化氢法。用氯化氢浸析粉碎的锰结核,经高温熔融,氯化氢与粉碎的矿石在高温条件下,能分离所有矿石物质。除铁以外,大部分金属成为可熔性金属。包含惰性硅、硫酸盐及氧化物(主要是铁的氧化物)的固体残渣作为尾矿。氯气可作为副产品回收,而氯化氢可从浸析溶液和作为再循环浸析溶液回收。采用这种冶炼法可依次得到钴、铜、镍和锰。这种方法是商业提取高纯度锰的唯一流程。它的优点是:从矿石中提取金属可获得高回收率(最高可达95%),而且不会引起严重污染。

(2)二氧化硫煅烧和水浸析法。这种冶炼法的具体过程是这样的:将矿石在二氧化硫和空气条件下煅烧,形成可溶性硫酸盐,尔后在水中浸析。镍和钴可以由压热技术回收,钴的硫酸盐在转换成金属以前需要提纯。而遗留下来的锰的硫酸盐可以进一步处理获得铁锰。

这种方法的缺点是:硫酸盐系统很难在一个密闭循环中作业;所使用的45%的硫不能回收,从而可能引起污染问题。

(3)氨液浸析法。此项技术是用氨液溶解矿石中的金属。这种溶液由氨液加铵盐(例如硫酸铵、氯化铵、亚硫酸铵等)组成。具体操作过程为:第一步是还原,尔后经过煅烧,不断提高温度和压力,于是便可以在还原或浸析过程中提高金属的回收率。经试验表明,采用这一流程可以回收85%或者更多的铜、镍、钴和钼。而锰和铁则残留在矿渣中。

(4)硫酸浸析法。这一冶炼法是将锰结核在硫酸中浸析,尔后提取各种金属元素。采用这种方法回收金属的数量,取决于作业条件。例如,在低温条件下(20~100℃),在回收的金属中,镍不超过80%,铜——90%,钴——45%;锰的溶解量不超过10%,它大部分保留在固体残渣中。而在比较高的温度条件下(200℃),可以回收铜和镍80%~90%,钴70%~80%;大部分的铁和锰遗留在残渣中。假如将二氧化硫或硫酸亚铁加入硫酸溶液,可以使铁、锰分解,各回收97%与72%。

由于这种方法需要消耗大量的酸,大约相当于被溶解金属的10倍,因此,此项技术不能满足商业提取的要求。

(5)熔炼法。这种方法的第一步是将含水30%的锰结核置于类似于水泥厂的炉中烘干,炉温必须高于1000℃。在严格的条件下作业,可以依次将铜、镍、钴和铁的氧化物转变成相应的金属,而锰则保留氧化物的形式。第二步,装入温度为1300~1400℃的熔炉中熔炼,形成由铜—镍—钴—铁合金组成的金属相,而锰和硅以及少量的铁形成炉渣。炉渣与金属相分别回收,并用不同的方式予以处理。