李 用 芝

煤漿儲罐防沉淀措施探討

李 用 芝

（中煤科工集團(tuán) 武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430064）

介紹了管輸煤漿的特性，根據(jù)管輸煤漿特性，為了輸出合格的漿體，作為主要的儲存設(shè)備煤漿儲罐需要采取防沉淀措施，并介紹了各種防沉淀措施并對其進(jìn)行分析研究以及它們適用的場合，最終選出適合于管輸煤漿儲罐的防沉淀措施。

煤漿；沉淀；葉輪；擋板

1 概 述

煤漿儲罐作為管道輸煤工程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的緩沖和調(diào)節(jié)作用，它既擔(dān)負(fù)著首端制漿系統(tǒng)與管輸系統(tǒng)的緩沖，又擔(dān)負(fù)著管輸系統(tǒng)與終端用戶之間的緩沖，直接影響著整個管道輸煤系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

就目前國內(nèi)外的情況來說，儲罐都是以石油、酸液、氧化鋁、水煤漿等介質(zhì)為主的，適用于管道輸煤工程普通濃度煤漿的儲罐還是一片空白。

2 管輸煤漿特性

管輸煤漿不同于石油、酸液、氧化鋁、水煤漿等介質(zhì)，它是一種普通濃度的煤漿，濃度一般在47%～55%之間，最大顆粒＜2 mm。是一種固、液兩相混合物，沒有任何添加劑，容易發(fā)生固液分離，不容易保持均勻狀態(tài)，防沉淀要求較高。

普通煤漿其粘度較低，受環(huán)境溫度影響較少。因此能采用管道進(jìn)行紊流狀態(tài)（漿體表現(xiàn)為偽均質(zhì)狀態(tài)）長距離大運(yùn)量輸送，到達(dá)終端后，可根據(jù)用戶要求進(jìn)行處理，對于燃用粉煤的用戶（電廠等），可以采用機(jī)械脫水；對于需要直接噴燒水煤漿用戶（煤化工、直接燃燒水煤漿的發(fā)電鍋爐等），可以適當(dāng)脫去部分水，再進(jìn)一步細(xì)磨，滿足直接噴燒的要求。

普通濃度煤漿由于具有紊流性、粘度低、磨蝕小、比較穩(wěn)定的特性，適合進(jìn)行管道輸送。

3 防沉淀措施

煤漿是固液兩相的混合物，易產(chǎn)生固、液分離，不易形成均勻狀態(tài)；管輸煤漿濃度低、顆粒粗、沉降速度快，為了滿足管輸要求，輸出合格漿體，需要采取措施來確保煤漿不發(fā)生沉淀。

防止煤漿沉淀的措施一般有以下幾種方式：

空氣攪拌：是在儲罐外壁布置兩種壓縮空氣的接管，接管長度不同并且交錯分布，這種攪拌是通過壓縮空氣，使上下煤漿翻騰，防止了沉淀產(chǎn)生；這種攪拌需要有壓縮空氣機(jī)，而且動力源也不統(tǒng)一，噪音也比較大，一般用于小型的平頂錐底儲罐。

打循環(huán)攪拌：是在儲罐壁內(nèi)側(cè)安裝噴嘴，在儲罐底部安裝曲桿泵，用接管將噴嘴和曲桿泵連接，啟動曲桿泵，煤漿則沿著儲罐底部與儲罐內(nèi)壁圓周方向流動，防止了沉淀發(fā)生；這種攪拌會使曲桿泵磨損嚴(yán)重，而且動力消耗很大，甚至?xí)a(chǎn)生少量的死角，一般適用于高架型錐底儲罐。

立式機(jī)械攪拌：在儲罐罐頂罐頂裝設(shè)攪拌器，儲罐內(nèi)裝設(shè)導(dǎo)流板，通過攪拌器的轉(zhuǎn)動，使煤漿產(chǎn)生軸向和徑向流動，防止沉淀發(fā)生，這種攪拌需要專用的攪拌器，制作復(fù)雜，轉(zhuǎn)動軸比較長，一般適用于平底罐，如果是大型儲罐，則需在軸的下面罐底上增加限位環(huán)。

側(cè)式機(jī)械攪拌：在儲罐側(cè)壁裝設(shè)側(cè)式攪拌器，通過攪拌器的轉(zhuǎn)動，使煤漿產(chǎn)生左右旋轉(zhuǎn)的對流運(yùn)動，防止沉淀發(fā)生，這種攪拌要求儲罐密封嚴(yán)格，儲罐中心不易被攪拌到，一般適用于小型的平底罐。

因此，對于管輸煤漿儲罐一般采用立式機(jī)械攪拌方式來防止煤漿沉淀。

4 立式機(jī)械攪拌

立式機(jī)械攪拌主要有兩部分組成：一是葉輪形式，二是擋板結(jié)構(gòu)。

4.1 葉輪形式

攪拌器的葉輪形式一般分為以下幾種：

三葉推進(jìn)式：是一種低剪切、高排量而且旋轉(zhuǎn)部分會產(chǎn)生高速軸向流的葉片，一般用在低粘度流體湍流情況，在儲罐內(nèi)形成循環(huán)流，主要用在懸浮漿料或液液混合的攪拌。

葉輪式：是一種高性能渦輪式葉片，它的曲面呈傾角型，向整個圓周方向流動，最后匯集為高速軸向流。主要用于液液或固液混合的攪拌。

折葉漿式：是一種板式槳葉，呈長方形，主要靠安裝角度來形成軸向流和輻射流，一般用于葉輪和罐底距離與罐徑比值較小的場合，主要用于固液懸濁混合攪拌。

DS渦輪式：葉片外周為齒形，通過葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生很強(qiáng)的剪切作用，同時產(chǎn)生了輻射流，儲罐內(nèi)也會產(chǎn)生很強(qiáng)的循環(huán)流，主要用于氣體分散，液液乳化、分散，固體分散、溶解的攪拌。

圓盤渦輪式：葉片呈傾斜狀，形成輻射流和軸向流，可以消除容器內(nèi)上下介質(zhì)的不均勻性，攪拌混合效果比較好，而且效率較高，主要用于氣體分散、液液分散、固液懸濁分散的攪拌。

通常我們將攪拌器的葉輪流向分為軸向流和徑向流兩類。葉輪流向如圖1。

圖1 （a）為軸向流體流型示意，軸向流葉輪是以容積循環(huán)為主。它混和的過程是以葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生射流推動流體，使容積內(nèi)的流體大范圍內(nèi)循環(huán)流動形成主體對流，當(dāng)葉輪區(qū)有主體流通過時，強(qiáng)大的剪切力產(chǎn)生很多小旋渦，形成高度湍動，使物料充分宏觀混和，從而通過分子擴(kuò)散達(dá)到微觀混和[1]。

圖1（b）為徑向流體流型示意，徑向流葉輪是剪切力較大的葉輪，強(qiáng)大的剪切作用形成的旋渦讓流體微元不斷更新和細(xì)化，以便于流體在小范圍內(nèi)縮短分子擴(kuò)散行程，達(dá)到微觀混和[1]。

4.2 擋板結(jié)構(gòu)

在管輸煤漿儲罐中的攪拌器是以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使煤漿產(chǎn)生渦流。但如果煤漿始終以不變的渦流速度運(yùn)動，粗顆粒將沉降很快，細(xì)顆粒將沉降很慢，造成粗細(xì)分離，從而影響罐內(nèi)上下煤漿粒度級配，所以必須在儲罐中增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)（擋板），將切向流轉(zhuǎn)換為徑向流和軸向流，增加湍流和對流循環(huán)強(qiáng)度，保證煤漿攪拌效果。

任何放置在攪拌設(shè)備之外的罐內(nèi)靜止部件都可以成為擋板。所以擋板可以分為兩類：一類是垂直安裝在儲罐內(nèi)壁的構(gòu)件，也叫壁擋板，另一類是特殊的擋板，各種各樣的形狀、位置也不固定，譬如底擋板、表面擋板等[2]。

擋板作用是將罐內(nèi)流體的運(yùn)動改為上下翻轉(zhuǎn)，減少或消除漩渦，同時也提高了攪拌器的有效功率。擋板也使罐內(nèi)流體的切向流轉(zhuǎn)化為軸向和徑向流，拓寬了攪拌器排出流體的流動半徑；由攪拌器旋轉(zhuǎn)所排出的流體，由于受到罐壁和擋板的作用，在煤漿儲罐內(nèi)形成比較復(fù)雜的流場，流體形態(tài)、速度大小和方向等都會因?yàn)閿嚢杵魅~輪與擋板的相互作用而發(fā)生變化，加強(qiáng)了混合效果[2,3]。

全擋板條件：對于轉(zhuǎn)速、葉輪形式都不變的攪拌器來說，功率會隨著擋板系數(shù)的增大而增加；但是，當(dāng)擋板系數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時，功率基本保持恒定，不再增大。這時的擋板系數(shù)稱為全擋板條件，即攪拌功率達(dá)到飽和[2,4,6]。

全擋板條件應(yīng)符合下列公式：

式中: nd—擋板數(shù)量；

bd—擋板寬度，mm；

D—儲罐內(nèi)徑，mm；

0.35 —全擋板系數(shù)[3,5,6]。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時，根據(jù)擋板的寬度、數(shù)量的經(jīng)驗(yàn)來看，一般都采用垂直于儲罐內(nèi)壁的擋板（擋板數(shù)量為4塊，擋板寬度bd為D/12～D/10）來滿足全擋板條件。根據(jù)全擋板條件公式看出，全擋板條件下的擋板的寬度、數(shù)量和形狀并不是最佳的。因?yàn)樽罴训膿醢鍡l件所提供的流型能夠帶動整個儲罐內(nèi)的流體運(yùn)動，以保證充分混合；但過多的擋板，即儲罐內(nèi)的過擋板化，將會減少罐內(nèi)流體的總體流動，而且將混合局限區(qū)域，導(dǎo)致不良的混合性能[2,5]。

擋板對功率的影響：在沒有擋板的儲罐中，任何類型的攪拌器都會產(chǎn)生切向流并形成漩渦。增加擋板之后，切向流受到了抑制或阻礙，儲罐內(nèi)將會產(chǎn)生大幅度的上下翻動，漩渦消除[2]。

因此擋板含有兩種含義：一是功率飽和，二是漩渦消除。

擋板結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2（c）中擋板背面會使流體產(chǎn)生一個小循環(huán)，并且因?yàn)閾醢宓淖钃酰⊙h(huán)中的流體無法進(jìn)行更新，形成了所謂的“死循環(huán)”，這種情況說明這種擋板結(jié)構(gòu)會使流體產(chǎn)生局部混合不充分的現(xiàn)象；而圖2（a）、（b）中擋板背面盡管也會有流體產(chǎn)生小循環(huán)，但是由于擋板與罐壁之間留有空隙，會使小循環(huán)中的流體不斷地被其他方向的流體帶走，新的流體可以不斷補(bǔ)充進(jìn)來，其混合效果非常理想。

5 結(jié)束語

煤漿儲罐的攪拌裝置采用頂進(jìn)式攪拌器，葉片采用特殊的三葉推進(jìn)式葉輪，類似于船舶型推進(jìn)式，這種葉片排液量大，能有效推動漿液做上下翻騰循環(huán)，混和效果好。

煤漿儲罐的擋板結(jié)構(gòu)采用本文圖 2（a）、（b）中的結(jié)構(gòu)形式，煤漿混合充分，防止死循環(huán)，攪拌效果十分理想。

［1］康樹麗，劉薇華．水煤漿的儲存與攪拌[J]. 煤炭工程，2006(7)：17-19．

［2］佟立軍．機(jī)械攪拌槽擋板的研究[J]. 有色金屬，2005(3)：17-19．

［3］張冰．典型廢水厭氧處理反應(yīng)器流場分析與優(yōu)化研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

［4］沈春銀，陳劍佩，張家庭，戴干策．機(jī)械攪拌反應(yīng)器中擋板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2005，19（2）：162-168．

［5］王博．CSTR生物制氫反應(yīng)器流場數(shù)值模擬[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

［6］鄭儒博．乳化液膜表面活性劑阻力模型改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 大連理工大學(xué)，2009.

Measures Preventing Precipitation of Coal Slurry in Storage Tank

LI Yong-zhi
（Wuhan Design & Research Co.,Ltd of China Coal Technology & Engineering Group, Hubei Wuhan 430064, China）

Characteristics of coal slurry for pipeline transportation were introduced. In order to output qualified coal slurry, the coal slurry storage tank need use anti settling measures. In this paper, various sediment prevention measures were introduced, their applicable scope was analyzed. At last, suitable sediment prevention measures for the coal slurry storage tank were put forward.

Coal slurry；Precipitation；Impeller；Baffle

TQ 530

： A

： 1671-0460（2015）05-1169-03

2014-11-26

李用芝（1979-），女，河南周口人，工程師，2002年畢業(yè)于鄭州大學(xué)化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，研究方向：從事煤漿制備、儲漿系統(tǒng)設(shè)備、壓力容器等設(shè)計(jì)、研究工作。E-mail：81524182@qq.com。