王勇，那慶，吳愛祥，張海勝,2，王國立，王瑩瑩，張文明，王笑琨

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京，100083；2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京，100038；3.北京金誠信礦山技術(shù)研究院有限公司，北京，101500；4.徐州礦源環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇徐州，221151；5.北京科技大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院，北京，100083)

隨著工業(yè)化水平的提高和社會經(jīng)濟的發(fā)展，發(fā)電需求越來越大，導(dǎo)致粉煤灰和爐渣產(chǎn)量逐年上升。據(jù)統(tǒng)計，我國2018年粉煤灰總產(chǎn)量約達4.5億t，爐渣總產(chǎn)量約為1.6億t[1-2]。

粉煤灰是來源于熱電廠排放或在鍋爐燃燒過程中收集的廢氣、爐底渣的火山灰質(zhì)固體材料。其化學(xué)成分取決于原煤的性質(zhì)和燃燒程度，主要成分包括Al2O3，SiO2和Fe2O3等，我國部分粉煤灰中Al2O3質(zhì)量分數(shù)最高可達到50%，是一種隱形的非鋁土礦資源[2-5]。爐渣是煤炭在鍋爐燃燒過程中產(chǎn)生的區(qū)別于粉煤灰的另一種固體廢棄物，其化學(xué)成分與粉煤灰不盡相同，但也是以氧化物為主，其中Al2O3，SiO2和MgO等質(zhì)量分數(shù)較高[1]。

粉煤灰和爐渣物料輸送的方式主要有水力輸送和氣力輸送。氣力輸送中顆粒由高速氣流帶動，氣流速度過快容易造成管道磨損，過慢易造成管道堵塞[6]。水力輸送憑借效率高和成本低的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[7-8]。在以料漿形式輸送過程中，料漿中的固體顆粒會發(fā)生相對運動、碰撞，造成管徑磨損。管道磨損不僅會減緩施工進度[9]，還會增加財力和物力，甚者還威脅到工人人身安全。輸送參數(shù)的選擇、管輸阻力的計算尤為重要[10-12]。近年來，一些學(xué)者研究了料漿管道輸送特征，如：李鵬程等[13]在實驗基礎(chǔ)上，研發(fā)了管道輸送參數(shù)的電算模型；榮德剛等[14]引入流區(qū)判別因子，為灰管設(shè)計及運行速率的選取提供新依據(jù)；張杰等[15]通過毛細管黏度計找到流變系數(shù)與溫度的關(guān)系，進而劃分粉煤灰流動狀態(tài)；田鋒等[16]采用單因素與多因素相結(jié)合的方法得到了適用于粉煤灰料漿管道輸送阻力的計算公式；BHARATHAN 等[17]研究了管道輸送中料漿的壓力損失與摩擦因數(shù)的關(guān)系。上述研究大多針對料漿管道輸送阻力計算、數(shù)值模擬和影響因素等方面，但在工業(yè)級環(huán)管實驗、理論計算阻力和實際環(huán)管阻力對比分析等方面研究還較少。

為此，本文采用流變測試儀、環(huán)管實驗系統(tǒng)，測量粉煤灰和爐渣料漿的流變參數(shù)，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)Bingham 公式計算出不同條件下理論管輸阻力，并與工業(yè)級環(huán)管實驗測得的實際管輸阻力進行對比，以期揭示二者關(guān)系以及其影響因素。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料有爐渣和粉煤灰，其物理性質(zhì)如表1所示。粉煤灰中值粒徑小于74 μm的顆粒質(zhì)量分數(shù)為84.6%，粒徑小于37 μm 的顆粒質(zhì)量分數(shù)為55.47%，表明該粉煤灰屬于超細粉煤灰。爐渣的中值粒徑約為0.338 mm，顆粒較大。粉煤灰和爐渣粒徑分布如圖1所示。

1.2 實驗裝置

1.2.1 流變儀

實驗所用的流變儀為Brookfield R/S型流變儀，與傳統(tǒng)的毛細管黏度計相比，十字形轉(zhuǎn)子對樣品結(jié)構(gòu)的破壞最小，并可以在低轉(zhuǎn)速下測量流體的屈服應(yīng)力，十字形轉(zhuǎn)子克服了圓柱面的滑移效應(yīng)[18]，從而大幅提高了測量精確性。

1.2.2 工業(yè)級環(huán)管實驗系統(tǒng)

工業(yè)級環(huán)管實驗系統(tǒng)由配料系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、管道系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成[19]，實驗裝置如圖2所示。其中，攪拌系統(tǒng)分為二段臥式攪拌，一段為德國BHS 臥式雙軸強力攪拌機，物料拌合均勻后，下放到二段雙螺旋臥式攪拌機中進行均質(zhì)化攪拌；泵送系統(tǒng)采用S擺閥型柱塞泵，額定流量為120 m3/h，最大工作壓力為20 MPa，系統(tǒng)流量通過泵送頻率調(diào)節(jié)；管道系統(tǒng)由4種無縫鋼管組成，其管徑分別為50，100，150 及200 mm。每種管道又分別布置有上向傾斜、下向傾斜、垂直上行、垂直下行以及水平5種走向形式，其間通過液壓換向閥進行切換；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括管道上安設(shè)有36 塊隔膜式壓力傳感器，用以采集料漿輸送過程中管道內(nèi)的壓力，數(shù)據(jù)每秒采集1次，通過DCS控制系統(tǒng)實時采集、記錄。

1.3 實驗方法

1.3.1 流變實驗

圖3所示為不同質(zhì)量分數(shù)下的料漿形態(tài)。料漿質(zhì)量分數(shù)過低容易發(fā)生顆粒沉淀，不利于管道輸送；料漿質(zhì)量分數(shù)過高(圖3(b))會導(dǎo)致管輸阻力過大。通過前期探索性實驗，最終確定流變實驗料漿質(zhì)量分數(shù)為40%～65%，粉煤灰與爐渣之比為1.5∶1.0(由企業(yè)實際工況決定)。流變實驗方法如下。

1)在盆中配制不同質(zhì)量分數(shù)的料漿，攪拌約5 min，直至均勻，倒于500 mL燒杯中，料漿浸沒攪拌轉(zhuǎn)子。

2)將其放置于流變儀下，檢測0～120 s-1剪切速率下的表觀黏度和剪切應(yīng)力。

3)基于流變數(shù)學(xué)模型，得到其屈服應(yīng)力和塑性黏度等流變參數(shù)。

1.3.2 環(huán)管實驗

為了保證與流變實驗相一致，環(huán)管實驗制備的料漿質(zhì)量分數(shù)也為40%～65%，泵送頻率范圍為40～100 Hz時對應(yīng)的理論流量為48～120 m3/h，每種流量有效測試時間不少于5 min。為了保證實驗精確性并節(jié)省材料，實驗過程采用加水的方式使料漿質(zhì)量分數(shù)由高向低調(diào)節(jié)。加水量計算公式如下：

式中：mw為需要加水的質(zhì)量，kg；m為料漿總質(zhì)量，kg；w2為目標料漿質(zhì)量分數(shù)，%；w1為原料漿質(zhì)量分數(shù)，%。

環(huán)管實驗步驟如下。

1)連接實驗裝置。為了使實驗結(jié)果更精確，應(yīng)先進行清水實驗，檢查其氣密性、泵送流量是否具有調(diào)節(jié)能力。

2)按照預(yù)先計算好的粉煤灰、爐渣和水稱質(zhì)量，分別經(jīng)過一段攪拌機和二段攪拌機混合均勻。

3)調(diào)節(jié)液壓換向閥使管路對應(yīng)設(shè)計管徑，開啟柱塞泵動力裝置(不啟動活塞)，打開出料閥，料漿進入泵料斗內(nèi)至體積2/3時啟動活塞。

4)料漿在系統(tǒng)中連續(xù)運轉(zhuǎn)10～20 min，待料漿質(zhì)量分數(shù)基本穩(wěn)定后，開始各項數(shù)據(jù)檢測、測試工作。

2 基于流變參數(shù)的管輸阻力計算

2.1 流變模型選擇

目前主要的流變數(shù)學(xué)模型(與時間無關(guān)的非牛頓體)可分為假塑性體、脹塑性體、Bingham 塑性體、屈服-假塑性體和屈服-脹塑性體等[20]，流變數(shù)學(xué)模型如表2所示。

表2 常見漿體流變模型Table 2 Common rheology models of slurry

三參數(shù)模型較兩參數(shù)模型能更精確地描述漿體的流變關(guān)系，但其水力學(xué)計算過程復(fù)雜，在工程中實用性不大。相比之下，Bingham模型的應(yīng)用更廣泛，且阻力計算公式是基于Bingham模型推導(dǎo)而來。為此，本研究采用Bingham模型進行流變參數(shù)擬合。

2.2 流變參數(shù)測試結(jié)果

根據(jù)上述實驗方法，得到不同剪切速率下的剪切應(yīng)力和表觀黏度?；贐ingham模型，對應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行回歸，得到不同質(zhì)量分數(shù)料下的漿屈服應(yīng)力、塑性黏度等流變參數(shù)如表3所示。料漿質(zhì)量分數(shù)與流變參數(shù)關(guān)系如圖4所示。

表3 流變參數(shù)測試結(jié)果Table 3 Test results of rheological parameters

由圖4可見：隨著料漿質(zhì)量分數(shù)增大，屈服應(yīng)力和塑性黏度均呈指數(shù)增大趨勢；當料漿質(zhì)量分數(shù)小于55%時，屈服應(yīng)力小于10 Pa；當料漿質(zhì)量分數(shù)由55%增長至60%時，屈服應(yīng)力增加11.14 Pa；當料漿質(zhì)量分數(shù)由60%增加至65%時，屈服應(yīng)力增加101.61 Pa。由于顆粒與顆粒之間會形成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致屈服應(yīng)力增加，阻礙料漿塑性變形，因此，料漿質(zhì)量分數(shù)越大，顆粒間相互作用力越大，相對滑動越難。

2.3 基于流變參數(shù)管輸阻力的計算結(jié)果

結(jié)合前述流變實驗測試結(jié)果，采用式(2)[21-22]計算管徑為100 mm，流速為4.25 m/s 情況下料漿管輸阻力，結(jié)果如表4所示。需要說明的是，本文只計算100 mm管徑的阻力，是因為考慮到實驗成本問題，環(huán)管實驗采用100 mm管徑進行實驗。

式中：i為管輸阻力，Pa/m；u為流速，m/s；D為管徑，m。

由表4可知：當管徑為100 mm，料漿質(zhì)量分數(shù)為65%時，管輸阻力達到最大為18.55 kPa/m，結(jié)合工程實際計算得到2 400 m 長的管道總阻力為44.52 MPa，阻力過大，需要柱塞泵才能輸送。由于料漿質(zhì)量分數(shù)增加，料漿中水分減少，吸附在顆粒表面的水薄膜逐漸變薄，導(dǎo)致顆粒間潤滑性變差，屈服應(yīng)力和塑性黏度呈指數(shù)增加，管道輸送阻力迅速增大。料漿質(zhì)量分數(shù)為65%時輸送阻力約為質(zhì)量分數(shù)為60%時輸送阻力的4.7倍。

表4 管輸阻力計算結(jié)果(管徑為100 mm)Table 4 Results of calculated pipeline resistance(DN100 mm)

3 基于環(huán)管實驗的管輸阻力計算

3.1 環(huán)管實驗結(jié)果

通過上述環(huán)管實驗步驟，對壓力表所測得的壓力數(shù)據(jù)進行處理。由于環(huán)管實驗系統(tǒng)中料漿的實際質(zhì)量分數(shù)與計算結(jié)果有差別，故以實際測得的數(shù)據(jù)為準，選取4 個質(zhì)量分數(shù)(40.1%，47.3%，56.7%和62.3%)進行分析。圖5所示為不同料漿質(zhì)量分數(shù)下壓力和流量隨時間變化情況。從圖5可見：隨著輸送流量逐漸減小，所測得的壓力逐漸降低；隨著料漿質(zhì)量分數(shù)增加，壓力變化的幅度越來越大。

3.2 基于環(huán)管實驗的管阻分析

壓力儀表靈敏，檢測數(shù)據(jù)精度高，會導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)會受到一定的“噪聲”干擾，若直接取實驗管道的壓力差作為該段管道的阻力損失，則其結(jié)果較離散。根據(jù)儀表常見的數(shù)據(jù)處理方法，剔除無效數(shù)據(jù)，取料漿質(zhì)量分數(shù)穩(wěn)定、系統(tǒng)運行平穩(wěn)的環(huán)管壓力測試數(shù)據(jù)為樣本分析管輸阻力。采用最小二乘回歸分析方法，擬合獲得流速與管輸阻力之間的相關(guān)關(guān)系，擬合結(jié)果如圖6所示。

由于環(huán)管系統(tǒng)由柱塞泵提供動力，流量(流速)在一定范圍內(nèi)呈周期性波動，壓力也相應(yīng)地變化。按照擬合后的公式計算不同流量條件下的管輸阻力，如表5所示。

由表5可見：當料漿質(zhì)量分數(shù)為56.7%時，以管徑100 mm 管道輸送、輸送能力為120 m3/h，此時管輸阻力最大約為6.61 kPa/m。管輸阻力受料漿質(zhì)量分數(shù)和流量共同影響，管輸阻力與流量和質(zhì)量分數(shù)基本都呈正相關(guān)變化趨勢。這是因為料漿在管道中流動過程中動能轉(zhuǎn)化成摩擦力做功，從而產(chǎn)生阻力，而摩擦力與剪切應(yīng)力有關(guān)，剪切應(yīng)力受流速、料漿質(zhì)量分數(shù)和管徑粗糙度影響，流速或料漿質(zhì)量分數(shù)越大，剪切應(yīng)力越大，導(dǎo)致管輸阻力越大，管道磨損越嚴重[23]。

表5 不同工況條件下的環(huán)管實驗管輸阻力Table 5 Pipeline resistance of pipe loop test with different working conditions kPa/m

4 環(huán)管實驗和理論計算管輸阻力差異性分析

4.1 管輸阻力影響因素分析

根據(jù)表3流變參數(shù)實驗結(jié)果，利用插值法求得料漿質(zhì)量分數(shù)分別為40%，47%，57%和63%時的流變參數(shù)，并與不同泵送頻率下的流速一起代入式(2)，得到不同條件下管輸阻力計算值和實際值的變化情況，如圖7所示。

從圖7(a)可見：計算阻力與輸送流量呈正相關(guān)；當料漿質(zhì)量分數(shù)較低，為40%～47%時，計算阻力隨輸送流量增加變化并不大；但料漿質(zhì)量分數(shù)較高時，隨流量增大，計算阻力變化幅度越來越大，當料漿質(zhì)量分數(shù)為63%時，管輸阻力的增長率最高可達50%左右。這是由于在管徑相同情況下，流速隨流量增加而增大，導(dǎo)致克服阻力做功增加，從而導(dǎo)致管輸阻力隨流量逐漸增加。

從圖7(b)可見：隨流量增加，管輸阻力呈線性增大；當料漿質(zhì)量分數(shù)為40%～57%時，隨流量增加，管輸阻力增大的幅度越來越大；當料漿質(zhì)量分數(shù)增大到57%～63%，隨流量增加，管輸阻力增長幅度逐漸變小。

圖8所示為不同流量條件下料漿質(zhì)量分數(shù)與管輸阻力關(guān)系。從圖8(a)可見：隨著料漿質(zhì)量分數(shù)增大，管輸阻力計算值呈指數(shù)增大趨勢；當料漿質(zhì)量分數(shù)較低時，流量對管輸阻力的影響較?。浑S著料漿質(zhì)量分數(shù)增加，流量變化導(dǎo)致的管輸阻力差異性越來越明顯。從圖8(b)可見：當流量小于72 m3/h 時，管輸阻力隨著料漿質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢；當流量大于72 m3/h 時，管輸阻力隨著料漿質(zhì)量分數(shù)增加出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這說明存在1個“拐點”質(zhì)量分數(shù)，當料漿中顆粒質(zhì)量分數(shù)達到一定數(shù)值時，固體顆粒起到潤滑作用，有助于管道輸送。因此，料漿質(zhì)量分數(shù)是管輸阻力計算值和實際值的重要影響因素。

4.2 料漿質(zhì)量分數(shù)和流量耦合效應(yīng)下管輸阻力分析

為揭示2種影響因素對實際管道輸送阻力與計算管道輸送阻力影響程度，應(yīng)用MATLAB 軟件擬合實驗數(shù)據(jù)，得到冪函數(shù)回歸模型：

式中：i1為計算阻力，kPa/m；i2為實際阻力，kPa/m；q為流量，m3/h；c為料漿質(zhì)量分數(shù)，%。

式(3)和(4)可靠性均較高。表6所示為管輸阻力與料漿質(zhì)量分數(shù)、流量耦合結(jié)果。由表6可見：在2個回歸方程中，料漿質(zhì)量分數(shù)的貢獻值大于流量的貢獻值，由于貢獻值越大，在方程中所起的作用就越大，故料漿質(zhì)量分數(shù)是管輸阻力的決定性因素，但也應(yīng)重視流量對其產(chǎn)生的影響。

表6 管輸阻力與料漿質(zhì)量分數(shù)、流量耦合結(jié)果Table.6 Coupling results of pipeline resistance with slurry mass fraction and flow rate

4.3 實際環(huán)管阻力與流變參數(shù)計算阻力關(guān)系分析

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合得到不同料漿質(zhì)量分數(shù)、流量下計算阻力與實際阻力的關(guān)系，如圖9所示。從圖9可見：在料漿質(zhì)量分數(shù)相同時，隨著流量變化，計算阻力與實際阻力基本呈線性正相關(guān)；當料漿質(zhì)量分數(shù)相對較小且不超過57%時，實際阻力基本大于計算阻力，但當料漿質(zhì)量分數(shù)增加到63%時，實際阻力小于計算阻力。在流量相同條件下，隨著計算阻力增加，實際阻力呈多項式關(guān)系增加，當流量較小(48 m3/h)時，計算阻力均大于實際阻力，且不受料漿質(zhì)量分數(shù)影響；但隨著流量增加，計算阻力與實際阻力的關(guān)系主要受料漿質(zhì)量分數(shù)影響，當料漿質(zhì)量分數(shù)分別為40%，47%和57%時，實際阻力基本大于計算阻力；當料漿質(zhì)量分數(shù)增加到63%時，則計算阻力大于實際阻力。

由以上分析可知，料漿質(zhì)量分數(shù)對實際阻力與計算阻力關(guān)系起決定性作用，輸送流量影響相對較小，與冪函數(shù)回歸模型分析結(jié)果相吻合。需要說明的是，本研究只是對流變參數(shù)計算阻力與環(huán)管實驗阻力對比的一個初步研究，是在粉煤灰與爐渣比為1.5∶1.0，管徑為100 mm 且在泵送條件下進行的。對于其他料漿種類、輸送管徑、輸送工況(比如井下充填自流)等條件下的流變參數(shù)計算阻力與實際(環(huán)管實驗)阻力的關(guān)系及影響尚有待進一步研究。

5 結(jié)論

1)隨著料漿質(zhì)量分數(shù)增加，屈服應(yīng)力和塑性黏度呈指數(shù)增加趨勢；通過Binghan公式計算得到料漿質(zhì)量分數(shù)為65%時輸送阻力約為質(zhì)量分數(shù)為60%時的輸送阻力的4.7倍。

2)以管徑為100 mm管道進行不同流量和料漿質(zhì)量分數(shù)環(huán)管實驗，當料漿質(zhì)量分數(shù)為56.7%、輸送流量為120 m3/h 時，管輸阻力最大約為6.61 kPa/m，此時阻力過大不利于管道輸送。

3)在料漿質(zhì)量分數(shù)相同條件下，計算的阻力與實際阻力基本上呈線性正相關(guān)；當料漿質(zhì)量分數(shù)不超過57%時，實際阻力整體上大于計算阻力，但當隨著料漿質(zhì)量分數(shù)增加到63%時，實際阻力小于計算阻力。