淺談牛頓體礦漿管道輸送的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

肖祖容 陳建利

(1. 攀鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院，四川 攀枝花 617063；

0 引言

鐵精礦漿最佳輸送濃度介于60%～68%間，此時(shí)礦漿流態(tài)為賓漢體。長(zhǎng)距離礦漿管道輸送要求輸送管徑不宜小于150 mm[3]。

對(duì)于小產(chǎn)量的選廠，受到管徑的限制，輸送濃度不能滿足要求，須在低濃度、牛頓體條件下輸送。本次論文中以某選廠年產(chǎn)次鐵精礦20萬(wàn)t，平均TFe品位50.61%，礦漿流態(tài)為牛頓體為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 某選廠鐵精礦管道輸送設(shè)計(jì)

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)年正常輸送鐵精礦干礦量20萬(wàn)t，小時(shí)輸送量25.8 t。

(2)輸送起點(diǎn)、終點(diǎn)高差35 m，輸送距離約3.55 km。

(3)輸送方式：連續(xù)輸送。

1.1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(1)固體密度4.54 t/m3。

(2)粒度組成見(jiàn)表1。

表1 鐵精礦粒度組成表[5]

(3)流變參數(shù)

①屈服應(yīng)力:由于次鐵精礦礦漿顆粒組成粗，濃度又比較低，沉降比較快，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中又一直攪拌，因此礦漿的很小的屈服應(yīng)力被攪拌破壞，因此，測(cè)不出屈服應(yīng)力τ0。

②剛度系數(shù):切應(yīng)力τW與虛切變速率8V/D的關(guān)系線，詳見(jiàn)圖1[5]。

通過(guò)圖1可求出不同濃度漿體剛度系數(shù)η，并把它列于表2中[5]。表2最下邊一行所列即為消除溫度對(duì)剛度系數(shù)的影響后的相對(duì)粘度，其中μ0為同溫度的清水粘滯系數(shù)。

圖1 次鐵精礦漿切應(yīng)力τW與虛切變速率8V/D的關(guān)系線

表2 鐵精礦礦漿流變參數(shù)表T=22～23℃

(4)臨界淤積流速：試驗(yàn)在80、100、125、140、150 mm五種管道、不同濃度下的臨界流速，結(jié)果詳見(jiàn)表3[5]。

表3 不同濃度不同管徑的鋼管臨界淤積流速

1.2 方案設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行精礦管道長(zhǎng)距離輸送中，既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理的礦漿管道水力學(xué)及工藝參數(shù)的選擇按下列步驟來(lái)完成：

1)確定工藝生產(chǎn)波動(dòng)下的礦石輸送量；

2)通過(guò)計(jì)算和與工業(yè)化管道運(yùn)行數(shù)據(jù)比較，確定最小流速和濃度參數(shù)；

3)根據(jù)上述結(jié)果確定可接受的礦漿濃度范圍，同時(shí)根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判斷；

4)根據(jù)設(shè)計(jì)的尾礦輸送能力、濃度范圍和流速，選擇最合適的管道尺寸；

5)計(jì)算管道摩阻壓力損失；

6)依據(jù)流變參數(shù)進(jìn)行管道輸送的穩(wěn)定性驗(yàn)算。

7)在管線縱剖面上繪制水力坡度(摩阻損失)線，進(jìn)行測(cè)壓管水頭線分析，為選擇以下參數(shù)提供依據(jù)：

①確定滿足最大許可運(yùn)行壓力要求的管道壁厚；

②確定管線沿途控制點(diǎn)(易產(chǎn)生氣蝕、加速流等點(diǎn))；

③為所有的工藝流程確定礦漿流量和參數(shù)；

④為所選擇的系統(tǒng)建立運(yùn)行范圍(輸送能力界限、流量、濃度以及加壓泵站能力)。

1.2.2 輸送能力的確定

年正常輸送次鐵精礦干礦量20萬(wàn)t，小時(shí)固體量25.8 t/h；最大輸送固體量27.09 t/h，最小輸送固體量24.51 t/h。

1.2.3 輸送濃度的確定[1]

在管道輸送時(shí)，管道中需要有最小礦漿濃度來(lái)保持偽均質(zhì)礦漿流的特點(diǎn)，以便提供足夠的流變特性參數(shù)。最低的濃度要求將能使預(yù)知的粗顆粒得以懸浮，以減少對(duì)管道底部的過(guò)度磨損。低濃度可能引起礦漿的非均勻性、過(guò)多的水量輸送造成能量浪費(fèi)，同時(shí)增加終端站廢水處理費(fèi)用。較高礦漿濃度將更加經(jīng)濟(jì)，但同時(shí)可能導(dǎo)致壓力損失及運(yùn)行不穩(wěn)定。

(1)不同濃度的礦漿剛度系數(shù)估算值見(jiàn)表4。

表4 不同濃度的礦漿剛度系數(shù)估算值 T=22～23℃

(2)不同濃度、不同管道內(nèi)徑下的阻力系數(shù)估算值見(jiàn)表5?？梢钥闯觯赫＿\(yùn)量時(shí)，阻力系數(shù)以32%濃度最低，由于37%濃度礦漿粘度較32%濃度高，管道輸送穩(wěn)定性好；同時(shí)考慮最小輸送管道內(nèi)徑不宜小于100 mm，設(shè)計(jì)濃度范圍采用35%～39%。

表5 阻力系數(shù)估算值

(3)不同濃度、不同管道內(nèi)徑下的水力坡降計(jì)算值[2]。

在管道設(shè)計(jì)中，輸送濃度的選定主要是為了減少管道的的工程投資和管道建成以后的運(yùn)行費(fèi)用，提高管道輸送的經(jīng)濟(jì)效益。在管道運(yùn)量一定時(shí)，輸送濃度的選擇決定于管道輸送臨界流速、管徑。因而濃度選擇存在一個(gè)最佳濃度，最佳濃度決定于輸送能耗和工程投資的綜合經(jīng)濟(jì)比較，對(duì)于距離短，初期投資少的管道，最佳輸送濃度主要決定運(yùn)行費(fèi)用，即所謂的最佳節(jié)能濃度，即每噸公里干礦輸送水平距離所消耗能量最低時(shí)的濃度。

噸公里能耗計(jì)算可采用公式E=1 000γm·Q·i/367.2·η·Gh計(jì)算。

式中：E—噸公里能耗，單位：kW·h/t·km；γm—礦漿容重，單位：t/m3；Q—輸送漿體流量，單位：m3/h；i—漿體的水力坡降，單位：m泥漿柱/m；η—效率，η=0.92；Gh—每小時(shí)的固體物料的運(yùn)量，單位：t/h。

理論上對(duì)輸送能耗微分求出輸送能耗最小的濃度。實(shí)際由于微分復(fù)雜，理論解難以求出，一般利用以上公式計(jì)算不同管徑、濃度、流速時(shí)的水力比降，進(jìn)行估算，估算成果見(jiàn)表6。

表6 次鐵精礦管道輸送水力坡降估算值

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)可以看出：若輸送管道內(nèi)徑103 mm，輸送濃度35%～39%，最小運(yùn)量、正常運(yùn)量和最大運(yùn)量時(shí)，方案水平直線段噸公里能耗依次介于0.2160～0.2599、0.2170～0.2602和0.2176～0.2595度之間。

1.2.4 輸送管徑的確定

(1)設(shè)計(jì)濃度和管道內(nèi)徑下的臨界淤積流速計(jì)算見(jiàn)表7。

表7 設(shè)計(jì)濃度和管道內(nèi)徑下的臨界淤積流速計(jì)算值

(2)運(yùn)行流速的確定

由表8可以看出：采用內(nèi)徑110 mm的管道，正常運(yùn)量、輸送濃度37%時(shí)的運(yùn)行流速小于臨界淤積流速；采用內(nèi)徑95 mm的管道，正常運(yùn)量、輸送濃度37%時(shí)的運(yùn)行流速較臨界淤積流速富余太多。因此輸送管道內(nèi)徑宜介于95～110 mm之間。

表8 運(yùn)行流速計(jì)算值

(3)輸送管徑的確定：設(shè)計(jì)擬選用D140×(8+10)鋼橡復(fù)合耐磨管，內(nèi)徑103 mm(鋼橡復(fù)合管粘結(jié)層厚度按1 mm考慮)。最小運(yùn)量時(shí)，輸送濃度35%～37%，流速介于1.57～1.70 m/s之間；正常運(yùn)量時(shí)，輸送濃度36%～38%，流速介于1.59～1.72 m/s之間；最大運(yùn)量時(shí)，輸送濃度37%～39%，流速介于1.61～1.74 m/s之間；均大于對(duì)應(yīng)的淤積流速，且有適當(dāng)?shù)母挥嗔?，安全可靠?/p>

1.2.5 設(shè)計(jì)管道工作壓力

輸送起、終點(diǎn)幾何高差-35 m。由于輸送管道出泵站后，存在一個(gè)至低點(diǎn)(絕對(duì)標(biāo)高約1 016 m，以下稱控制點(diǎn))，與加壓泵站高差依次約為-104 m，與加壓泵站間的管線長(zhǎng)度約630 m。該點(diǎn)的工作壓力高于泵出口壓力見(jiàn)圖2。

圖2 水力梯度線示意圖

設(shè)計(jì)流量和濃度時(shí)的加壓泵出口及控制點(diǎn)工作壓力計(jì)算值見(jiàn)表9。

表9 工作壓力計(jì)算值

由表9可以看出：加壓泵出口工作壓力介于1.77～2.19 MPa之間，控制點(diǎn)工作壓力介于2.73～3.07 MPa之間。

1.2.6 加壓泵

(1)加壓泵流量及水力揚(yáng)程計(jì)算見(jiàn)表10?？梢钥闯觯杭訅罕昧髁拷橛?7.13～52.10 m3/h之間，水利揚(yáng)程介于127～156 m之間。

表10 加壓泵流量及水力揚(yáng)程計(jì)算值

(2)加壓泵選擇：設(shè)計(jì)擬選用50ZJ-Ⅱ-B46型渣漿泵，單泵性能參數(shù)：Q=45～55 m3/h、H=86～85 m、η=30.5%～35.1%，n=1 480 r/min；配套電機(jī)功率75 kW/380V/臺(tái)。

(3)加壓泵站：泵站內(nèi)設(shè)4臺(tái)渣漿泵，兩臺(tái)串聯(lián)為一組，一組工作，一組備用。配管采用單泵單管，各管道均選用D140×8(10)鋼橡復(fù)合耐磨管。

兩條Ⅱ級(jí)渣漿泵出漿管在泵站內(nèi)合適位置合并為一條，合并點(diǎn)附近及兩條吸漿管上均設(shè)置閥門隔斷，閥門壓力等級(jí)4.0 MPa。

1.2.7 管道壁厚的選擇

經(jīng)過(guò)測(cè)壓管水頭線分析得知全線各點(diǎn)壓力，經(jīng)計(jì)算可知輸送管道設(shè)計(jì)承壓壁厚約2 mm?？紤]管道抗磨蝕厚度，設(shè)計(jì)管道壁厚采用8 mm。滿足管道試壓、水錘和停泵再啟動(dòng)條件下的壁厚要求。

2 牛頓體礦漿管道輸送設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)最佳輸送濃度：以靠近該礦漿賓漢體濃度為最佳。此時(shí)的礦漿粘度大、含水量少，管道阻力系數(shù)小。設(shè)計(jì)時(shí)兼顧最小管徑的約束，最終確定最佳輸送濃度。

2)臨界淤積流速：臨界淤積流速在已確定的輸送濃度基礎(chǔ)上計(jì)算。淤積流速以礦漿中的粗顆粒在管道底部跳躍前行，礦漿為擬均質(zhì)流標(biāo)準(zhǔn)確定；若按照賓漢體的辦法確定，會(huì)導(dǎo)致流速過(guò)大。

3)輸送管徑：輸送管徑在已確定礦漿體積量基礎(chǔ)上確定。礦漿運(yùn)行流速須在臨界淤積流速上留有適當(dāng)?shù)陌踩嗔縖4]。

4)管道輸送阻力系數(shù)：阻力系數(shù)依據(jù)現(xiàn)有理論計(jì)算，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。牛頓體礦漿由于管道內(nèi)底床附加損失大，因此，阻力系數(shù)較賓漢體為大。

5)管道敷設(shè)坡度：管道敷設(shè)坡度因礦漿特性不同而異，一般礦漿休止角采用8°。在地形條件不滿足要求時(shí)，休止角可適當(dāng)放大，且停泵后須沖洗干凈。

6)停泵再啟動(dòng)：依據(jù)礦漿特性和管道敷設(shè)情況綜合考慮。牛頓體礦漿不推薦帶漿停泵，停泵前應(yīng)計(jì)劃將管內(nèi)礦漿沖洗干凈或?qū)⒐軆?nèi)礦漿放空。

3 結(jié)語(yǔ)

1)牛頓體礦漿輸送濃度以靠近賓漢體濃度為最佳。

2)牛頓體礦漿臨界淤積流速、阻力系數(shù)等均較賓漢體大，剛度系數(shù)較賓漢體小。

3)牛頓體礦漿不宜帶漿停泵。