管道輸送危險廢物泵送壓力試驗研究

郭光明，鄭曉雯，吳淼

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機電與信息工程學(xué)院，北京 100083

水泥窯協(xié)同處置危險廢物工藝大多采用SMP(破碎、混合和泵送)系統(tǒng)將危險廢物通過管道輸送到水泥窯分解爐進行焚燒處理[1]。通常料坑內(nèi)有盛放蒸餾殘渣的鐵皮桶和危廢污泥的編織袋，屬于沾染物，一般將其破碎后與危廢污泥、蒸餾殘渣等按照一定比例配伍后進行泵送，由于物料黏稠使得管道輸送時呈現(xiàn)膏體柱塞流。泵送壓力是管道輸送系統(tǒng)非常重要的基礎(chǔ)參數(shù)，如果泵送油缸設(shè)計壓力低，則會造成無法輸送；反之，會增大設(shè)備的成本。在混凝土輸送領(lǐng)域，采用塌落度作為泵送指標(biāo)，輸送管內(nèi)流動產(chǎn)生的壓力損失采用Morinaga公式[2-3]計算。在煤泥管道輸送領(lǐng)域，潘越[4]、吳淼等[5]提出煤泥管道輸送管線內(nèi)壓力變化服從復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系。郝雪弟等[6]提出煤泥管道輸送壓力損失與流速成一次函數(shù)關(guān)系。在膏體尾礦充填領(lǐng)域，屈服應(yīng)力是管道輸送系統(tǒng)的一個重要技術(shù)指標(biāo)。Bauer、Ky Gawu、吳愛祥等[7-9]提出了膏體尾礦屈服應(yīng)力檢測及優(yōu)化的方法。水泥窯協(xié)同處置危險廢物系統(tǒng)中管道輸送設(shè)備全天候運行，溫差對物料的黏性影響非常大，同時停泵檢修造成管道內(nèi)物料凝結(jié)后重啟泵送時管道壓力比正常輸送時要高；由于物料的非牛頓流體特性，動態(tài)屈服應(yīng)力也是不可忽略的因素。因此，如果泵送壓力設(shè)計安全系數(shù)不夠，很容易造成泵送失敗。

本文根據(jù)固體泵脈動式工作原理分析了泵送壓力曲線，基于穩(wěn)態(tài)流動時泵送壓力損失，結(jié)合溫度系數(shù)、固體泵重啟系數(shù)、屈服應(yīng)力系數(shù)，提出了工程應(yīng)用泵送壓力的數(shù)學(xué)模型，并通過工程試驗得到驗證。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 固體泵工作原理

如圖1所示，固體泵的工作原理有6個階段[10]。

圖1 固體泵工作原理Fig.1 Working principle of solid pump

(1) 吸料階段：當(dāng)活塞在最末端等待數(shù)秒時，物料在自重及無軸雙螺旋輸送機的作用下進入進料口。

(2) 擠壓階段：物料油缸推動活塞向前擠壓物料，使料缸內(nèi)物料形成密閉容積。

(3) 閘板打開階段：打開閘板，料缸與高壓管道相通。

(4) 排料階段：活塞向前推送物料至閘板位置，物料被擠壓進入管道。

(5) 閘板關(guān)閉階段：關(guān)閉閘板，防止料缸與管道相通造成物料返流。

(6) 后退階段：活塞后退，準(zhǔn)備循環(huán)進入第(1)步。

1.2 泵送壓力分析

危廢污泥與蒸餾殘渣進行混合配伍形成固-液兩相流：固體是污泥，液體是蒸餾殘渣及污泥中的水分。固-液兩相流表現(xiàn)為膏體柱塞流，典型的柱塞流在管道中的流速分布[11]如圖2所示。鐵皮、木材被混合物包裹在柱塞流中流動，速度恒定，管道輸送剪切速率梯度則發(fā)生在剪切區(qū)。

圖2 膏體柱塞流在管道中的流速分布Fig.2 Velocity distribution of the paste plug in the pipeline

在固體泵完成1次泵送循環(huán)時監(jiān)測泵送壓力，其壓力曲線如圖3所示。由圖3可知，泵送壓力有3個階段。

圖3 泵送壓力曲線Fig.3 Pumping pressure curve

(1) 0～t4階段。采用槳式流變儀CSR法測量物料的屈服應(yīng)力與時間的曲線關(guān)系如圖4所示，主要分為4個區(qū)域。OA區(qū)域：當(dāng)槳葉開始旋轉(zhuǎn)時，由于流變儀內(nèi)部機械作用造成瞬時效應(yīng)，可以忽略不計；AB區(qū)域：線性區(qū)域，由漿體的彈性所造成；BC區(qū)域：隨著旋轉(zhuǎn)的繼續(xù)，物料逐漸表現(xiàn)為黏性；CD區(qū)域：扭矩最大值出現(xiàn)在C點，此處為屈服應(yīng)力點。圖4曲線中存在2 個屈服應(yīng)力：第1 個屈服應(yīng)力發(fā)生在黏彈性體的終止階段，稱為靜態(tài)屈服應(yīng)力τy(s)，這是因為剪切作用并未產(chǎn)生明顯的流動；第2個屈服應(yīng)力發(fā)生在應(yīng)力-時間曲線的峰值，稱為動態(tài)屈服應(yīng)力τy(d)，表示黏性流動的開始[12]。

圖4 應(yīng)力-時間關(guān)系Fig.4 Shear stress-time profile

根據(jù)應(yīng)力-時間曲線關(guān)系，將0～t4階段分為4個時間段。

① 0～t1：起始壓力有2種情況，若長時間停泵，起始壓力為物料自重產(chǎn)生的重力；若在固體泵循環(huán)工作期間，起始壓力在p1～p2之間。在排料階段前期，物料逐漸受到擠壓，壓力逐漸升高，膏體經(jīng)過剪切作用并未產(chǎn)生明顯的流動，當(dāng)t1達到靜態(tài)屈服應(yīng)力時，該應(yīng)力是黏彈性體終止階段的屈服應(yīng)力。

②t1～t2：料缸內(nèi)物料被完全壓縮后壓力繼續(xù)升高，當(dāng)t2時，需要克服動態(tài)屈服應(yīng)力，該應(yīng)力是黏性流動的開始。

③t2～t3：物料在管道內(nèi)開始流動，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)在持續(xù)的剪切作用下被拉斷破壞，發(fā)生剪切變稀型觸變，膏體沿程阻力損失逐漸變小，物料在管道內(nèi)壁邊界逐漸形成邊界潤滑層，因此壓力開始逐漸下降[13-14]。

④t3～t4：絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)在剪切破壞下會不斷地修復(fù)，當(dāng)剪切作用和自我修復(fù)達到動態(tài)平衡時，物料在管道內(nèi)完全形成邊界潤滑層以穩(wěn)態(tài)流動，壓力達到穩(wěn)定值。

(2)t4～t5階段。閘板閥關(guān)閉，管道內(nèi)物料不發(fā)生流動，主要克服重力與靜態(tài)黏性力。

(3)t5～∞階段。當(dāng)閘板關(guān)閉后不進行泵送，管道的物料在余壓作用下變形，隨著時間的延長其出現(xiàn)逐漸衰減的現(xiàn)象，當(dāng)靜置時間足夠長，黏性力完全消失，只存在重力，說明物料出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象。這是因為蒸餾殘渣在常溫下呈現(xiàn)黏稠的半固體狀態(tài)，具有黏滯性，與危廢污泥混合后形成具有軟黏土特性[14-16]的膏體。

1.3 數(shù)學(xué)模型

大量研究表明，膏體在穩(wěn)態(tài)流動過程中表現(xiàn)出塑性結(jié)構(gòu)流體的特性[9，12-13，17-21]，可用Bing-ham流變模型描述。其流變模型的表達式為

(1)

式中，τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；μ為黏度系數(shù)，Pa·s；du/dy為剪切應(yīng)變速率，s-1。

根據(jù)流變學(xué)理論，其管道阻力損失的計算模型為

(2)

式中，Jm為管道輸送沿程阻力，Pa/m；D為管道內(nèi)徑，m；v為管道內(nèi)平均流速，m/s。

管道輸送的泵送壓力為

p=JmL

(3)

式中，p為泵送壓力，Pa；L為折算后水平總距離，m。

由于破碎機破碎鐵桶顆粒度大于200 mm，鐵皮過長容易堵管，同時蒸餾殘渣黏度大，成分復(fù)雜，因此一般采用DN350 mm的管道輸送。本文僅討論該管徑的危險廢物管道輸送。由圖3可知，泵送壓力的最高峰值壓力為

p=(K1+K2+K3v+ρgh)StSs

(4)

式中，K1為動態(tài)屈服應(yīng)力增加值，Pa；K2為靜態(tài)黏性力，Pa；K3為速度系數(shù)，(Pa·s)/m；ρ為物料密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為輸送高度，m；St為溫差系數(shù)；Ss為重啟系數(shù)。

長時間停止泵送靜置后，由于應(yīng)力松弛后泵送壓力為物料的重力，即

p1=ρgh

(5)

閘板關(guān)閉后，管道內(nèi)流速為0，泵送壓力要克服物料自重及靜態(tài)黏性力，即

p2=K2+ρgh

(6)

物料穩(wěn)定流動時的泵送壓力為

p3=K2+K3v+ρgh

(7)

動態(tài)屈服時的泵送壓力為

p4=K1+K2+K3v+ρgh

(8)

本文基于穩(wěn)態(tài)流動時靜態(tài)屈服應(yīng)力為

K1=p3(Sy-1)

(9)

p2=pH+pV+pS

(10)

pH=ΔpHLH
pV=ΔpVLVpS=ΔpSHN+ΔpSVM

式中，Sy為屈服應(yīng)力系數(shù)；ΔpH為水平每米壓力損失，Pa/m；LH為水平距離，m；pV為總垂直管壓力損失，Pa；ΔpV為垂直每米壓力損失，Pa/m；LV為垂直距離，m；pS為總彎管壓力損失，Pa；ΔpSH為水平彎管損失，Pa；N為水平彎管數(shù)量；ΔpSV為垂直彎管壓力損失，Pa；M為垂直彎管數(shù)量。

泵送壓力為

p=(ΔpHLH+ΔpVLV+ΔpSHN+
ΔpSVM+K3v)×StSsSy

(11)

2 試驗系統(tǒng)

2.1 試驗設(shè)備

某項目水泥窯協(xié)同處置危險固體廢物管道輸送系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：管道長度為197 m，管徑為350 mm，N=2，M=4，90°彎頭曲率半徑為3 500 mm，水平90°彎頭長度為5.5 m，垂直90°彎頭長度為5.5 m，料缸行程為0～0.66 m，排料速度為0～0.12 m/s，電機功率為200 kW，液壓缸直徑為0.24 m，系統(tǒng)壓力為20 MPa。

為了能夠監(jiān)測出壓力損失，在泵的出口、水平直管、垂直直管、水平彎頭、垂直彎頭、閘板閥、噴槍等處安裝17個壓力傳感器(圖5)，同時在液壓油缸內(nèi)安裝位移傳感器、壓力傳感器，建立實時管道壓力監(jiān)控系統(tǒng)，如圖6所示[18-19]。

圖5 壓力傳感器管道布置Fig.5 Pressure sensor piping arrangement diagram

圖6 實時管道壓力監(jiān)控系統(tǒng)Fig.6 Real time pipe pressure monitoring system

2.2 有效距離的計算

采用自主研發(fā)的壓力傳感器，分別安裝在水平段、垂直段、水平90°彎頭和垂直90°彎頭的兩端，通過測量兩端的壓力數(shù)值計算摩阻損失。表1為污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35%、40%、42%與45%的摩阻損失折算系數(shù)，對折算系數(shù)1至4求平均值，可以近似得出摩阻損失折算系數(shù)比為水平1 m∶垂直1 m∶水平90°彎頭∶垂直90°彎頭=1∶3∶16∶18。

表1 折算系數(shù)Tab.1 Conversion factor

基于折算系數(shù)將壓力傳感器離泵出口距離進行換算，如圖7所示。工程中實際管道長度197 m，通過曲線擬合可見，在此工況下能夠水平輸送該物料達333 m。根據(jù)折算系數(shù)得到計算公式為

p=[ΔpH(LH+3LV+16N+18M)+K3v]StSsSy

圖7 壓力曲線Fig.7 Pressure curve

3 結(jié)果分析

3.1 不同污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對壓力的影響

圖8為塌落度檢測原理示意圖。將污泥與蒸餾殘渣進行配伍，得到污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、35%、40%、45%的混合物料(圖9)，塌落度試驗結(jié)果見表2。根據(jù)塌落度的不同，可將混合物分為大流動性物料(塌落度大于150 mm)、流動性物料(塌落度100～150 mm)、塑性物料(塌落度50～ 90 mm)、低塑性物料(塌落度10～40 mm)。因此，污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在35%～40%的物料為流動性物料[20]。

圖8 塌落度檢測原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of slump

圖9 塌落度檢測Fig.9 Slump test

表2 塌落度試驗結(jié)果Tab.2 Slump results

離泵出口距離與壓力關(guān)系如圖10所示。由圖10可知，泵送壓力與質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)增長，隨著污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，蒸餾殘渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，泵送壓力逐漸升高。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～40%時，泵送壓力增長很少，說明物流流動性好；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42%～45%時，泵送壓力明顯增加。

圖10 離泵出口距離與壓力關(guān)系Fig.10 Curves between distance from pump outlet and pressure

不同的污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)與壓力關(guān)系如圖11所示。由圖11可知，40%以下的物料流動性好，泵送壓力不高；40%以上的物料呈現(xiàn)出塑性物料，泵送壓力高。當(dāng)污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，污泥與蒸餾殘渣比對摩擦阻力損失影響不大，但隨著污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，污泥因素導(dǎo)致的差異越來越明顯，即污泥密度越大，摩擦阻力損失越大。

圖11 不同污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)與壓力關(guān)系Fig.11 Pressure curves for sludge at different concentrations

3.2 不同速度對壓力的影響

不同速度下泵送壓力參數(shù)及曲線見表3和圖12。

表3 不同速度下泵送壓力參數(shù)Tab.3 Pumping pressure parameters at different speeds

圖12 不同速度下壓力曲線Fig.12 Pressure curves under different speeds

由圖12可知，管道高度一定，ρgh不變，隨著流速的增大，K1、K2基本保持不變，K3v隨著流速的增大而線性升高，則泵送總壓力逐漸線性升高，符合Bing-ham流體管道阻力損失計算模型。線性擬合方程為

p=K3v+1 337.8
K3=12 365 Pa·s/m

在流速0.02 m/s以下，K3v不是最主要的阻力；在0.02 m/s以上，隨著流速的增大，K3v成為影響泵送的最大阻力。

3.3 溫差對壓力的影響

溫差對壓力的影響如圖13所示。在同一工況下，白天10：00氣溫為23 ℃時，泵送壓力為1 590 kPa；晚上23：00最低氣溫16 ℃時，壓力為1 035 kPa。溫差有7 ℃，因此溫差系數(shù)為

St=1 590/1 035≈1.5

圖13 24 h運行壓力曲線Fig.13 24-hour running pressure curve

混合物中的蒸餾殘渣黏度受溫度影響比較大。溫度高時，黏度低，流動性好；溫度低時，黏度高，流動性差。有些蒸餾殘渣夏天為半固體或者液態(tài)，冬天為固體。因此，對受溫度影響非常大的危險廢物盡可能在夏天進行管道輸送，同時管道進行保溫處理，在北方寒冷地區(qū)需要對管道增加伴熱系統(tǒng)。

3.4 重啟對壓力的影響

膏體在管路中靜置時間長，輸送過程的觸變現(xiàn)象勢必導(dǎo)致傳統(tǒng)的管道阻力計算模型誤差大，停泵重啟試驗結(jié)果見表4。根據(jù)試驗結(jié)果，固體泵在停泵2 h后重啟壓力為1 689 kPa，運行一段時間后阻力逐漸減少為1 590 kPa；停泵4 h后重啟壓力為1 721 kPa，運行一段時間后阻力逐漸減少為1 576 kPa；停泵6 h后重啟壓力為2 530 kPa，運行一段時間后阻力逐漸減少為1 583 kPa。重啟壓力與停泵時間成反比，主要原因是隨著時間增加，膏體處于靜置狀態(tài)，失去剪切作用的膏體絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)重新修復(fù)，屈服應(yīng)力與黏性等流變參數(shù)增大，導(dǎo)致管道阻力的增大。

表4 重啟與正常泵送壓力對比Tab.4 Restart and normal delivery pressure comparison

如圖14所示，根據(jù)工程經(jīng)驗，靜置超過4 h非常容易發(fā)生堵管，要重新啟動泵送。因此，4 h重啟系數(shù)為

Ss=1 721/1 590≈1.1

圖14 靜置4 h重啟與正常泵送壓力曲線Fig.14 Restart and normal transport pressure curve after 4 h set aside

3.5 屈服應(yīng)力對壓力的影響

在油缸內(nèi)安裝高精度位移傳感器，同步采集活塞位移與泵送壓力，得出活塞位置與壓力的關(guān)系如圖15所示。在物料流動時出現(xiàn)最大動態(tài)屈服應(yīng)力數(shù)值。這是因為推料初期，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性拉伸，當(dāng)應(yīng)力增加到某一點后，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)達到彈性極限產(chǎn)生局部破壞；在線性階段，曲線開始彎曲，物料表現(xiàn)為黏彈性體；當(dāng)達到曲線最高點時，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)完全破壞；最終，剪切應(yīng)力回落至靜態(tài)屈服應(yīng)力以下。屈服應(yīng)力系數(shù)為

圖15 活塞位置與壓力的關(guān)系Fig.15 Graph of the relationship between piston position and pressure

4 結(jié) 論

(1) 水泥窯協(xié)同處置危險廢物配伍污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～40%混合物料。根據(jù)塌落度試驗結(jié)果，污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～40%的物料為流動性物料，泵送壓力均隨污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈指數(shù)形式增加。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～40%時，泵送壓力增長很少，說明物料流動性好；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 42%～45%時，泵送壓力明顯增加。

(2) 根據(jù)不同污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)下摩阻損失試驗所得折算系數(shù)比為水平1 m∶垂直1 m∶水平90°彎頭∶垂直90°彎頭=1∶3∶16∶18。

(3) 泵送總壓力隨流速增大而漸線性升高，驗證了該流體屬于Bing-ham流體。

(4) 溫差系數(shù)St=1.5，重啟系數(shù)Ss=1.1，屈服系數(shù)Sy=1.1。