固體料漿管道管道輸送

在管道中流動(dòng)的漿液是固液二相的混合物，其流態(tài)多變，必須在一定的流速下漿液才能穩(wěn)定流動(dòng)。在輸

量降低、流速減緩的情況下，會(huì)出現(xiàn)多種不均質(zhì)流態(tài)，甚至產(chǎn)生固體沉積現(xiàn)象。為了保持漿液穩(wěn)定流動(dòng)，須確定合理的輸送工藝，如篩選均質(zhì)固體、確定合理破碎篩分、確定顆粒級(jí)配、配制適合濃度的漿液；還要根據(jù)年輸送量選擇適宜的管徑、確定臨界流速等。此外，在確定固體粒徑和級(jí)配時(shí)，要考慮便于固液分離。因此，確定輸送工藝是十分復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。

在固體管道中漿液的濃度受固體的重度、粒徑等的限制。煤漿管道的漿液重量濃度在50%左右，而鐵礦漿液的重量濃度為66%左右。管道輸送工藝中應(yīng)注意的問(wèn)題有以下四點(diǎn)：

①漿液管道的流態(tài)。在相同的流速下，由于粒徑級(jí)配不同，可形成三種基本流態(tài)：均質(zhì)流態(tài)，在管道斷面上顆粒均勻懸浮，各點(diǎn)的固體濃度相同；半均質(zhì)流態(tài)，細(xì)顆粒均勻分布在管道全斷面上部，但大顆粒則在下部運(yùn)動(dòng)，因此下部濃度大，上部濃度小，但不出現(xiàn)固體顆粒沉淀；非均質(zhì)流態(tài)，全斷面上濃度分布很不均勻，出現(xiàn)固體顆粒沉淀，并在管道底部出現(xiàn)沉淀層。嚴(yán)格地說(shuō)，純均質(zhì)的漿液流是不存在的，同一種漿液當(dāng)流速變化時(shí)，可以在均質(zhì)流與半均質(zhì)流或半均質(zhì)流與非均質(zhì)流之間轉(zhuǎn)化。出現(xiàn)沉淀時(shí)的流速稱為漿液的臨界流速，這一流速也是非均質(zhì)流與半均質(zhì)流的分界點(diǎn)。固體管道應(yīng)在臨界流速以上輸送漿液。

②固體料粒徑的選擇。固體管道營(yíng)運(yùn)是否經(jīng)濟(jì)，與顆粒粒徑的選擇有密切關(guān)系。制漿和脫水費(fèi)用主要由設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用這兩項(xiàng)組成，而這兩項(xiàng)費(fèi)用都與顆粒粒徑有關(guān)。粒徑越小，需要破碎的設(shè)備就多，耗用動(dòng)力大；脫水也難，脫水的設(shè)備多，時(shí)間長(zhǎng)，能耗也多。粒徑與輸送費(fèi)用的關(guān)系更為復(fù)雜。粒徑越大，漿液流態(tài)不穩(wěn)定，臨界流速大，耗能也大；粒徑小，流態(tài)穩(wěn)定，臨界流速低，但也有一定的限度。如粒徑小于某一數(shù)值，則會(huì)使?jié){液的粘度增加，能耗上升，脫水更加困難，輸送費(fèi)用反而增加。粒徑的選擇又與固體的重度有關(guān)。根據(jù)黑梅薩煤漿管道的經(jīng)驗(yàn)，煤漿管道中的全部顆粒粒徑要小于1.19毫米，其中20%的粒徑要小于0.044毫米。當(dāng)粒徑小于0.044毫米的占 14%時(shí)，停輸時(shí)會(huì)造成管道堵塞；后改為16%通過(guò)0.044毫米篩孔，仍有堵塞，但較易于啟動(dòng)；最后改為19%的粒徑小于0.044毫米，再啟動(dòng)就比較容易。對(duì)不同的管道，上述條件還會(huì)改變。

③管道坡度。是造成管道堵塞的因素之一，因而管道坡度應(yīng)有嚴(yán)格限制。固體料漿管道常用間歇輸送來(lái)調(diào)節(jié)輸量，停輸后固體顆粒會(huì)沉淀。如果管道坡度大于沉淀物的自然安息角，沉淀物將向下滑動(dòng)堆積，形成堵塞。如果堵塞的長(zhǎng)度較短，可在啟動(dòng)壓力下恢復(fù)流動(dòng)。如果坡度大的管段過(guò)長(zhǎng)，而堆積長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)給再啟動(dòng)帶來(lái)困難。煤漿管道的敷設(shè)坡度一般不大于16°。

④水力坡降。某一輸量下，漿液在單位管長(zhǎng)的壓力降。在固體料漿管道的計(jì)算中，采用最廣泛的是杜蘭德與康多利奧斯的計(jì)算式。這種計(jì)算式可用于煤漿、鋁礬土固體管道計(jì)算，也可用于管徑在720毫米以下、固體重度在1.5～3.95之間、重量濃度在5%～60%之間、粒徑為0.509毫米左右的管道計(jì)算。計(jì)算式為： 式中im為漿液的水力坡度降；iω為水的水力坡降； iυ為體積濃度；D為管道直徑；S為固體重度； V為平均流速；g為重力加速度；Cd為固體顆粒阻尼系數(shù)。上式表明，漿液的摩阻是水的摩阻加上固體在漿液中所產(chǎn)生的摩阻之和，與固體重度和體積濃度成正比。

此外，還有瓦斯普半均質(zhì)流的計(jì)算式等多種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式。影響水力坡降的因素很多，既有流態(tài)，又有粒徑配比、粒狀、濃度、流速、管徑等等，因此，在試驗(yàn)中實(shí)測(cè)輸送各種漿液的摩阻，更有實(shí)際意義。

包括兩項(xiàng)工作：一是將所要輸送的固體破碎到要求的粒度范圍；二是將破碎的固體配制成符合管道輸送要求質(zhì)量的漿液。圖1 為制煤漿的流程。將儲(chǔ)倉(cāng)中的煤輸?shù)秸駝?dòng)篩上粗選，再進(jìn)入球磨機(jī)破碎，經(jīng)振動(dòng)篩篩分后再進(jìn)入棒磨機(jī)摻水濕磨，然后經(jīng)儲(chǔ)漿槽，安全篩篩分，合格的漿液最后進(jìn)入稠漿儲(chǔ)罐，罐中裝有攪拌器，進(jìn)行攪拌。用離心泵將經(jīng)摻水稀釋的稠漿進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，符合外輸要求的漿液即進(jìn)入外輸罐，準(zhǔn)備外輸。

1889年3月美國(guó)人 W.G.安德魯斯獲得用管道輸送固體的專利，并于1893年在芝加哥的世界博覽會(huì)上展出。1914年英國(guó)的G.G.貝爾工程師將堆在泰晤士河碼頭的煤，制成煤、水各半的漿液，通過(guò)534米長(zhǎng)、200毫米直徑的鑄鐵管，用離心泵輸往電廠鍋爐房，流速為1.2米/秒。到終點(diǎn)后，再將煤水分離，將水輸回到起點(diǎn)。這是最早用于生產(chǎn)的煤漿管道。

50年代中期開(kāi)始建設(shè)長(zhǎng)距離、大輸量的固體料漿管道。1957年美國(guó)固本煤炭公司在俄亥俄州修建了一條173公里長(zhǎng)、管徑為254毫米的輸煤管道，每年可輸煤130萬(wàn)噸，后因故停輸。從美國(guó)亞利桑那州北部黑梅薩地區(qū)的露天煤礦，到內(nèi)華達(dá)州的莫哈夫電廠的輸煤管道，于1970年11月建成投產(chǎn)，全長(zhǎng)439公里，管徑為457毫米，設(shè)計(jì)年輸煤量為500萬(wàn)噸，一直運(yùn)行至今。1977年5月在巴西建成并投產(chǎn)了全長(zhǎng)393公里、管徑為509毫米的薩馬科鐵礦漿管道，計(jì)劃年輸鐵礦石1200萬(wàn)噸。隨著固體料漿管道在技術(shù)上逐漸成熟，固體管道運(yùn)輸正在日益發(fā)展。

固體料漿管道可按所輸物質(zhì)分為；按所用的載體，可分為液送管道、風(fēng)送管道等。液送管道的載體一般用水，也正在發(fā)展用甲醇等其他液體作載體。風(fēng)送管道用壓縮空氣作為載體。長(zhǎng)距離、大輸量的固體料漿管道都采用漿液輸送工藝。

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將固體破碎成粉粒狀，與適量的液體配制成漿液，利用管道進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送，這種管道稱為固體料漿管道，。因輸送的物質(zhì)是用液體載著固體的漿液，又稱漿液管道。固體料漿管道主要用于輸送煤、赤鐵礦、磷礦、銅礦、鋁礬土和石灰石等礦物。在礦業(yè)開(kāi)采中，早已應(yīng)用礦石與水摻和，通過(guò)管道由高處泄入低處的輸送形式。這種形式運(yùn)送距離較短，輸送動(dòng)力靠重力作用。而固體料漿管道是用增壓設(shè)備為輸送漿液提供壓力能，運(yùn)距遠(yuǎn)，輸量大。

固體料漿管道所輸送的漿液一般由固體和水組成的，輸至末站需進(jìn)行脫水，以分離出固體送給用戶。煤漿脫水流程見(jiàn)圖2。漿液先進(jìn)入受漿罐，以調(diào)節(jié)管道輸量和脫水量之間的不平衡。罐內(nèi)的漿液輸?shù)秸駝?dòng)篩區(qū)分為粗細(xì)粒度的漿液后再分別處理，粗粒漿液進(jìn)入離心脫水機(jī)，脫過(guò)水的煤直接輸給用戶，排出的廢液輸往濃縮池。細(xì)粒漿液直接進(jìn)入濃縮池，濃縮后的漿液經(jīng)壓濾機(jī)脫水得煤，供給用戶。

上述工藝流程都用裝有耐磨材料葉輪的大排量、低揚(yáng)程的離心泵。管道沿線中間增壓站的外輸泵都用高壓力、耐磨損的往復(fù)式活塞泵。

按這一分類原則，充填材料管道輸送分成均質(zhì)流充鎮(zhèn)材料管道拚送和非均質(zhì)流充湊材料管道榆送，均質(zhì)流和非均質(zhì)流分別是當(dāng)漿體流動(dòng)時(shí)固體顆粒均勻或不均勻分布于液相載體中，當(dāng)漿體水平流動(dòng)時(shí)，沿管道垂直斷面沒(méi)有或有明顯濃度梯度的漿體流態(tài)。固體顆粒含量高和粒徑小的漿體，其流態(tài)常常是均質(zhì)流。在均質(zhì)流槳體中靠固體顆粒間相互支撐來(lái)實(shí)現(xiàn)固體顆粒的懸浮，雖然存在固體顆粒慣性力的影響，但是慣性力比粘性力或紊動(dòng)力小，因而在水中不沉降或沉降很慢。若固體顆粒增加，則漿體粘度增大。固體顆粒含量低和粒徑大的漿體，其流態(tài)常常是非均質(zhì)流。在非均質(zhì)流漿體中，固體顆粒慣性力的影響很明顯，粘滯阻力和顆粒間的相互千擾力比慣性力小，液相和固相在很大程度上保持各自特性，而且漿體粘度通常稍大于運(yùn)載流體粘度。在這種漿體中，固體顆粒的懸浮主要靠水的紊動(dòng)力。因此需要以足夠大的紊流速度來(lái)輸送。瓦斯普提出了比較可靠的判別均質(zhì)流和非均質(zhì)流的標(biāo)準(zhǔn)，即根據(jù)管道橫斷面上漿體濃度變化的程度來(lái)判別 。

固體漿液管道是指將欲運(yùn)送的固體破碎成細(xì)小顆粒，與水混合成漿狀混合物，在泵的驅(qū)動(dòng)下用管道送往目的地的一種運(yùn)輸方式。由于管道輸送具有效率高、運(yùn)量大、占地少、無(wú)空行程、成本低、污染少等優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)50年代以來(lái)固體漿液管道已發(fā)展成為一種新型、可靠的運(yùn)輸方式。固體槳液管輸系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，即：槳液制備、泵站和管道以及漿液后處理系統(tǒng)。

固體漿液管道的適用范圍很廣，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，下列幾類固體均可制成漿液用管道輸送:①煤礦類，如煤，焦炭、煤矸石等。②冶金礦類，如鐵、銅、鋁、金、鈦、錳、錫等。③化工原料，如磷酸鹽、碳酸鉀、硫磺等。④輕工原料，如高嶺土(瓷土)。⑤建筑原料，如瀝青、石灰石等。⑥工業(yè)廢料，如煤灰渣、采礦廢渣等。早在1891年，美國(guó)人安得魯斯(W.C.Andrews)就取得了管道運(yùn)輸固體的第一個(gè)專利。至20世紀(jì)末，世界上成功運(yùn)行的漿液管道已超過(guò)100條，運(yùn)距超過(guò)4000km。參見(jiàn)“黑梅薩煤漿管道”和“巴西薩馬科鐵礦漿管道”。

第一章 緒論

第一節(jié) 概述

第二節(jié) 漿體管道輸送系統(tǒng)的三大環(huán)節(jié)

第三節(jié) 設(shè)計(jì)文件的編制原則

第二章 理論基礎(chǔ)

第一節(jié) 物料和漿體的基本性質(zhì)

第二節(jié) 漿體的輸送機(jī)理

第三節(jié) 漿體的流型及其特征

第四節(jié) 流變參數(shù)的確定

第三章 固體顆粒在漿體中的沉降

第一節(jié) 單體顆粒在靜止液體中的沉降

第二節(jié) 群體顆粒沉降的基本概念

第三節(jié) 濃縮池的固液分離

第四章 漿體管道的摩阻損失

第一節(jié) 固體物料在管道中的分布

第二節(jié) 最佳輸送粒度

第三節(jié) 均質(zhì)流與非均質(zhì)流的流動(dòng)特性

第四節(jié) 漿體管道摩阻損失計(jì)算的特殊性

第五節(jié) 漿體管道摩阻損失的物理圖形和數(shù)學(xué)模型

第六節(jié) 漿體管道的減阻措施

第七節(jié) 通用流型的摩阻損失計(jì)算

第八節(jié) 垂直管道的摩阻損失計(jì)算

第五章 臨界流速與輸送流速

第六章 漿體的濃縮

第七章 經(jīng)濟(jì)濃度與運(yùn)行制度

第八章 主泵壓力與管道壁厚

第九章 漿體管道輸送系統(tǒng)的熱工計(jì)算

第十章 泵型選擇與泵站設(shè)計(jì)

第十一章 加速流與水擊的防護(hù)

第十二章 漿體的無(wú)壓自流輸送

第十三章 尾礦粉狀

第十四章 特種管道輸送

第十五章 漿體管道的設(shè)計(jì)與施工

第十六章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)

第十七章 漿體管道輸送系統(tǒng)的管理

附錄1 論文選錄

附錄2 常用計(jì)量單位及換算關(guān)系

附錄3 水的動(dòng)力粘度

附錄4 常用篩制

附錄5 各種濃度、稠度的定義式和換算關(guān)系

附錄6 各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)

附錄7 各種土壤的導(dǎo)熱系數(shù)

附錄8 函數(shù)表k=f（a）

參考文獻(xiàn)與資料

后記