解析事例
一次元ドリフトフラックスモデルを用いたレアアース泥揚鉱システムの性能計算
1. はじめに
レアアースは，希土類元素と呼ばれるレアメタルに属する金属です．光学的，磁気的な特性に優れ，機械装置，システムの性能や機能を向上させます．環境にやさしく持続可能なグリーンテクノロジーが推し進められる中，レアアースは，今後さらにその需要が高まっていくと考えられます．レアアースは，世界的にみるとその供給地域が偏在していますが，日本の領海・排他的経済水域の南鳥島海域の水深6000mの海底に，このレアアースを大量に含む泥層（レアアース泥）が存在することが明らかにされ，その調査や，利用しようという研究，開発が進められています．
その採鉱システムは，エアリフト揚鉱システム（図１：左）といって，採鉱船から海底下に降ろされたパイプ（揚鉱管）の途中から圧縮空気を吹き込むことにより，揚鉱管内の圧力が，外部の圧力より小さくなることを利用して，海底からレアアースを含む泥を吸い上げ，船上まで運搬する装置が検討されています．ここでは，その採鉱システム（エアリフト揚鉱システム）の基本仕様を知る目的で，性能計算を行いました．揚鉱管内の圧縮空気とレアアース泥を含む海水（レアアース泥水）の混合流体（気液二相流）の解析手法として，一次元ドリフトフラックスモデル1)を使います．またレアアース泥水の流動特性は，南鳥島海域から採取したレアアース泥を使った実験2)より得られた実験式を使用します．
図-1 海底鉱物資源の採鉱システム（左：エアリフト，右：ポンプリフト）3)
2. シミュレーション
図-2に解析モデルを示します．揚鉱管は全長6040m，水深は6000m，水面より上部の長さは40mで，揚鉱管径は0.15mないし0.2mです．空気吹込水深は，2000ないし3000mです．この揚鉱管を軸方向に長さ20mごとに等分割し，302の要素を作成して計算します．揚鉱管下端と上端部分はそれぞれ圧力境界とし，下端部分は水深に相当する静水圧を，また上端部分は，直管部の先に長さ5mの水平管が接続されているとして，その圧力損失を計算し，揚鉱管出口部の圧力（背圧）にその圧力損失を加えています．空気流量は，2ないし10kg/s とし，空気吹込位置に相当する要素に，空気流量に相当する生成項を付加しています．背圧は，零ないし0.4MPa(G)までの値を設定しています．時間刻みは4秒です．
図-2 解析モデル3)
図-3に解析結果を示します．横軸に揚鉱量，縦軸に泥水速度を示します．図中に空気流量ごと，5本の性能曲線が示されていますが，空気流量が大きくなるにつれて，性能が良くなっていきます．それぞれの空気流量で，揚鉱管内の濃度を上げていくと，徐々に泥水速度が低下してきます．ある濃度のところで，それ以上濃度を上げることができなくなり，揚鉱限界となります．系統的に計算パラメータを変えて性能評価をしたところ，背圧が0.2MPa(G)で，空気吹き込み水深を3000mの場合，最大揚鉱量は約1000t/d，体積濃度は6.2%となりました．
図-3 性能特性3)
参考文献
1). Hatakeyama, N.: PhD thesis, Tohoku University (1995).
2). Shimizu, Y. et al.: “Flow Characteristics of Slurry with Rare-Earth Rich Mud under Deep Seabed around Minamitorishima”, J. MMIJ, Vol.135, No.7, pp52-62 (2019).
3). Shimizu,Y., Hatakeyama, N. and Masuyama, T.: “Numerical Analysis on Air-Lift Pumping System for Mining Rare-Earth Rich Mud”, J. MMIJ, Vol.134, No. 10, pp142-150 (2018).