路 云

(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)

煤漿管道輸送技術(shù)已被國(guó)外工程實(shí)踐證明，是一種節(jié)能環(huán)保的運(yùn)輸技術(shù)，與傳統(tǒng)的物料運(yùn)送方式相比，具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)效益明顯等諸多優(yōu)點(diǎn)。這種技術(shù)使煤漿中的顆粒保持良好的懸浮性，不至于沉降堵管，特別對(duì)于長(zhǎng)距離輸送，需要保證煤漿屬性介于均質(zhì)—非均質(zhì)之間的復(fù)合流，即偽均質(zhì)流，從而保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。同時(shí)，它要求管道系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上具有合理性，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)減少工程建設(shè)投資及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，從而使煤漿管道輸送具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。煤漿濃度是管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要基礎(chǔ)參數(shù)，它一方面影響著漿體水力特性，決定著管道安全運(yùn)行，另一方面決定著總體輸漿量大小及管徑選擇，對(duì)管道工程建設(shè)投資及運(yùn)營(yíng)成本費(fèi)用產(chǎn)生影響。因此，輸送濃度的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，涉及技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的問題，在滿足漿體懸浮性的技術(shù)指標(biāo)前提下，還要滿足運(yùn)輸能耗小、運(yùn)營(yíng)成本低等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的合理性要求。本文從技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩方面，對(duì)煤漿管道輸送濃度進(jìn)行探討，就濃度對(duì)漿體特性的影響進(jìn)行分析，以期得出具有一定規(guī)律的輸送濃度確定方法，從而為煤漿管道的工程設(shè)計(jì)提供合理依據(jù)。

1 輸送濃度對(duì)漿體特性影響分析

1.1 對(duì)粘度的影響

漿體中由于固體顆粒的存在，流體在流經(jīng)固體顆粒周圍時(shí)產(chǎn)生繞流，從而固體顆粒附近的流線發(fā)生變形，流通通道束窄，增加了流動(dòng)阻力，宏觀表現(xiàn)上使?jié){體的粘度增加。當(dāng)漿體濃度較低，即固體顆粒含量較少時(shí)，只涉及流體對(duì)固體的繞流作用，粘度增加有限；當(dāng)漿體濃度較高時(shí)，即液體中固體顆粒很多，顆粒間距減小，相互碰撞機(jī)率增大，增大了漿體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力，顆粒之間的相互影響也表現(xiàn)為漿體粘度增大。另外，隨著濃度的升高，特別是粘性細(xì)顆粒所占比重的加大，容易形成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，粘性細(xì)顆粒自身的吸附水及絮網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生的封閉水，使?jié){體的有效濃度增大，也會(huì)導(dǎo)致漿體粘度增大。

因此，總體上漿體中由于固體顆粒的加入，流速分布變形、顆粒之間相互碰撞、絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)等原因，使其粘度大于清水粘度，并且隨著濃度升高，粘度呈增大趨勢(shì)。以某礦漿體不同濃度時(shí)的粘度測(cè)試結(jié)果為例，η—CW關(guān)系曲線如圖1所示。從圖中看出，礦漿剛度系數(shù)η隨質(zhì)量濃度Cw的增加總體呈上升趨勢(shì)，以質(zhì)量濃度60%為界，Cw小于60%時(shí)，η與Cw成正比關(guān)系變化，增速較慢；Cw大于60%時(shí)，η與CW成指數(shù)關(guān)系變化，增速很快。

圖1 質(zhì)量濃度對(duì)粘度的影響

1.2 對(duì)臨界流速的影響

漿體臨界流速?zèng)Q定了漿體輸送時(shí)的最低運(yùn)行流速，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和分析方法，提出眾多用于計(jì)算臨界流速的公式。這些公式考慮的影響因素大體相同，只是形式各異，一般都能轉(zhuǎn)換成式(1)形式[1]：

式中，UC——漿體臨界流速，m/s；

D——管道直徑，mm；

S——固液密度比；

d——顆粒粒徑，mm；

CV——漿體體積濃度，%；

CD——顆粒沉降阻力系數(shù)。

從式(1)可見，漿體管道臨界流速大小除與物料粒度、密度有關(guān)外，管道直徑D及漿體濃度CV也為重要的影響因素。對(duì)于特定種類物料及粒度組成，在一定的管道直徑下，影響漿體臨界流速的主要因素為漿體輸送濃度。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的試驗(yàn)資料表明，漿體濃度對(duì)管道臨界流速的影響有具有雙重性，一方面漿體粘度隨濃度升高呈增大趨勢(shì)，承載顆粒的浮托力增大，有利于顆粒懸浮，對(duì)水流紊動(dòng)強(qiáng)度的要求變小，臨界流速減??；另一方面它對(duì)水流的紊動(dòng)具有抑制作用，減弱了紊動(dòng)強(qiáng)度，又不利于顆粒懸浮，導(dǎo)致臨界流速增大。根據(jù)這兩個(gè)消長(zhǎng)因素所占主導(dǎo)地位不同，出現(xiàn)臨界流速UC隨漿體濃度Cw不同的變化情況，其變化規(guī)律如圖2[2]。

圖2 UC—CW關(guān)系

從圖2中分析可見，分為3個(gè)區(qū)間：

區(qū)間1：當(dāng)漿體濃度較低時(shí)，漿體有效粘度較低，流體紊動(dòng)作用在顆粒懸浮中占主導(dǎo)地位，隨著濃度升高，需要更強(qiáng)的水流紊動(dòng)承托固體顆粒，所需臨界流速變大。

區(qū)間2：當(dāng)濃度超過(guò)某一濃度后，漿體粘度與流體紊動(dòng)在顆粒懸浮中發(fā)揮的作用比例相當(dāng)，濃度升高將使?jié){體的有效粘度增大，對(duì)固體顆粒承托作用增強(qiáng)，固體顆粒的沉降速度減小，臨界流速減小。

區(qū)間3：隨著漿體濃度進(jìn)一步提高，臨界流速的變化呈現(xiàn)2種可能。一方面臨界流速有可能增大，是因?yàn)闈舛壬呤節(jié){體的有效粘度增大，雷諾數(shù)越小，對(duì)紊流抑制作用增強(qiáng)，紊流脈動(dòng)強(qiáng)度變小，故須提高臨界流速；另一方面臨界流速也有可能減小，是因?yàn)檎扯入S濃度升高而增大，維持顆粒懸浮的浮托力增大，顆粒沉降變慢，臨界流速減小。

1.3 對(duì)阻力特性的影響

漿體濃度的增加，一方面由于流速分布變形、顆粒之間相互碰撞、絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)等原因，使?jié){體粘度增大，從而導(dǎo)致管道輸送的摩阻損失增大；另一方面，漿體中固體顆粒懸浮所需能量來(lái)源主要為水流紊動(dòng)動(dòng)能，濃度增加使得漿體中固體顆粒含量增加，用于維持顆粒懸浮狀態(tài)的水流紊動(dòng)能量增加，紊動(dòng)動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為熱能消散，導(dǎo)致管道輸送摩阻損失增大。以某礦漿體不同濃度時(shí)的摩阻損失為例，如圖3所示，是在直徑為125 mm水平管中，以不同流速，輸送不同濃度礦漿時(shí)的i—Cw曲線。測(cè)試結(jié)果顯示，管道摩阻損失與漿體濃度近似為正比關(guān)系。

圖3 濃度對(duì)水力坡度的影響

2 漿體輸送濃度的選擇

在固體物料運(yùn)量要求一定的條件下，漿體的輸送濃度偏低，輸送漿體總量會(huì)加大，從而做功增多，使得輸送能耗加大，因此濃度提高，有利于提高運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，通過(guò)以上濃度對(duì)漿體特性影響的分析可見，隨著輸送濃度提高，漿體粘度及阻力特性相應(yīng)增加，特別是當(dāng)輸送濃度增加到一定程度以后，漿體粘度會(huì)急劇增大，由此造成摩阻損失所消耗的能量，將超過(guò)因濃度提高、物料多運(yùn)而節(jié)省的能量，導(dǎo)致總體耗能增加，運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益變差。由此可見，漿體輸送濃度對(duì)運(yùn)輸能耗的影響具有雙重性。因此，存在一個(gè)最佳節(jié)能濃度，此濃度可按每1 t干礦輸送1 km所消耗能量最低時(shí)來(lái)考慮[2-3]。

2.1 最佳節(jié)能濃度計(jì)算

噸公里能耗計(jì)算可采用公式(2)[2]：

其中：E——噸公里能耗，kW·h/(t·km)；

γW——清水容重，t/m3；

Q——輸送漿體流量，m3/s；

im——漿體的水力坡降，kPa/km；

η——效率，η=0.7～0.8，計(jì)算中取η=0.75；

Gh——固體物料的運(yùn)量，t/h。

在推算出一定管徑D下，不同濃度Cw、流速U時(shí)的水力坡降im，就可以應(yīng)用式(2)求出對(duì)應(yīng)的噸公里能耗E，從而查出噸公里能耗為最小的節(jié)能濃度。以某礦漿運(yùn)輸管道為例，在特定物料運(yùn)量下，選擇管徑為125 mm計(jì)算不同濃度、流速時(shí)的水力坡降及噸公里耗電量，計(jì)算結(jié)果見表1。

從表1看出，在管道直徑及物料運(yùn)量一定的情況下，隨著漿體質(zhì)量濃度Cw的提高，運(yùn)行流速和摩阻損失降低，同時(shí)由于漿體中含水量減少，因輸送水分而產(chǎn)生的無(wú)效做功減少，使得噸公里耗電量減少。

表1 D=125 mm不同輸送濃度噸公里能耗計(jì)算結(jié)果

2.2 輸送濃度確定

對(duì)于漿體管道輸送，為了防止因顆粒沉降而發(fā)生沉積堵管的情況，輸速流速的選擇必須大于臨界流速，同時(shí)為了降低摩阻損失和對(duì)管材的磨蝕速率，流速選擇又不可過(guò)大。為此，在最小噸公里能耗的基礎(chǔ)上，必須同時(shí)較確切地掌握臨界流速隨濃度的變化情況，以對(duì)噸公里能耗最低時(shí)的流速進(jìn)行驗(yàn)證，保證流速高于臨界流速一定裕量。計(jì)算得上述運(yùn)輸管道內(nèi)徑為125 mm，不同濃度對(duì)應(yīng)的臨界流速計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 D=125 mm 不同輸送濃度臨界流速計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1、表2的計(jì)算結(jié)果，運(yùn)輸管道在管道內(nèi)徑為125 mm時(shí)，輸送濃度選60%～65%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界流速為1.22～1.25 m/s，運(yùn)行流速為1.23～1.44 m/s，既可以滿足技術(shù)指標(biāo)，使運(yùn)行流速大于臨界流速，同時(shí)表征經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的噸公里能耗也小，運(yùn)營(yíng)費(fèi)較低。

當(dāng)漿體濃度為65%時(shí)，漿體運(yùn)行流速與臨界流速很接近。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，為了防止因時(shí)間積累而產(chǎn)生的顆粒淤積，從而保證管輸系統(tǒng)的運(yùn)行安全，運(yùn)行流速的選擇應(yīng)高于臨界流速，且應(yīng)留有不少于10%的余量。因此設(shè)計(jì)濃度的選擇以60%為宜。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)漿體管道輸送濃度影響著漿體的水力輸送特性(粘度、臨界流速、摩阻損失)及運(yùn)輸能耗，它不僅決定管道運(yùn)行安全，而且決定管道建成后輸送運(yùn)行成本。

(2)輸送濃度的選擇涉及兩方面標(biāo)準(zhǔn)。一是輸送的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即在物料運(yùn)量和管道直徑一定時(shí)，輸送濃度的選擇要滿足能保證管道輸送安全的技術(shù)要求；另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，輸送濃度的選擇要以減少管道建成以后的運(yùn)行成本為目標(biāo)，從而提高管道輸送的經(jīng)濟(jì)效益。因而存在一個(gè)最佳輸送濃度，需要對(duì)具體工程的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面因素進(jìn)行分析，綜合考慮后加以確定。

(3)在漿體管道設(shè)計(jì)中，通過(guò)計(jì)算求出最佳節(jié)能濃度后，必須根據(jù)臨界流速隨濃度的變化規(guī)律，對(duì)最佳節(jié)能濃度時(shí)的工作流速進(jìn)行驗(yàn)算校核，以保證滿足臨界流速要求。當(dāng)不滿足要求時(shí)，需在最佳節(jié)能濃度附近進(jìn)行調(diào)整，在保證臨界流速要求的前提下，選擇相對(duì)較節(jié)能的濃度作為設(shè)計(jì)的最佳輸送濃度。