路 云

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

煤漿管道輸送技術已被國外工程實踐證明，是一種節(jié)能環(huán)保的運輸技術，與傳統的物料運送方式相比，具有安全可靠、經濟效益明顯等諸多優(yōu)點。這種技術使煤漿中的顆粒保持良好的懸浮性，不至于沉降堵管，特別對于長距離輸送，需要保證煤漿屬性介于均質—非均質之間的復合流，即偽均質流，從而保證系統的可靠運行。同時，它要求管道系統在經濟上具有合理性，通過優(yōu)化設計減少工程建設投資及運營費用，從而使煤漿管道輸送具有良好的經濟效益。煤漿濃度是管道系統設計的一個重要基礎參數，它一方面影響著漿體水力特性，決定著管道安全運行，另一方面決定著總體輸漿量大小及管徑選擇，對管道工程建設投資及運營成本費用產生影響。因此，輸送濃度的設計比較復雜，涉及技術和經濟兩方面的問題，在滿足漿體懸浮性的技術指標前提下，還要滿足運輸能耗小、運營成本低等經濟指標的合理性要求。本文從技術指標和經濟指標兩方面，對煤漿管道輸送濃度進行探討，就濃度對漿體特性的影響進行分析，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計提供合理依據。

1 輸送濃度對漿體特性影響分析

1.1 對粘度的影響

漿體中由于固體顆粒的存在，流體在流經固體顆粒周圍時產生繞流，從而固體顆粒附近的流線發(fā)生變形，流通通道束窄，增加了流動阻力，宏觀表現上使?jié){體的粘度增加。當漿體濃度較低，即固體顆粒含量較少時，只涉及流體對固體的繞流作用，粘度增加有限；當漿體濃度較高時，即液體中固體顆粒很多，顆粒間距減小，相互碰撞機率增大，增大了漿體流動時的內摩擦力，顆粒之間的相互影響也表現為漿體粘度增大。另外，隨著濃度的升高，特別是粘性細顆粒所占比重的加大，容易形成絮網結構，粘性細顆粒自身的吸附水及絮網內產生的封閉水，使?jié){體的有效濃度增大，也會導致漿體粘度增大。

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、絮網結構等原因，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。以某礦漿體不同濃度時的粘度測試結果為例，η—CW關系曲線如圖1所示。從圖中看出，礦漿剛度系數η隨質量濃度Cw的增加總體呈上升趨勢，以質量濃度60%為界，Cw小于60%時，η與Cw成正比關系變化，增速較慢；Cw大于60%時，η與CW成指數關系變化，增速很快。

圖1 質量濃度對粘度的影響

1.2 對臨界流速的影響

漿體臨界流速決定了漿體輸送時的最低運行流速，國內外學者根據試驗結果和分析方法，提出眾多用于計算臨界流速的公式。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。

從式(1)可見，漿體管道臨界流速大小除與物料粒度、密度有關外，管道直徑D及漿體濃度CV也為重要的影響因素。對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。國內外現有的試驗資料表明，漿體濃度對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，承載顆粒的浮托力增大，有利于顆粒懸浮，對水流紊動強度的要求變小，臨界流速減?。涣硪环矫嫠鼘λ鞯奈蓜泳哂幸种谱饔?，減弱了紊動強度，又不利于顆粒懸浮，導致臨界流速增大。根據這兩個消長因素所占主導地位不同，出現臨界流速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關系

從圖2中分析可見，分為3個區(qū)間：

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

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

區(qū)間3：隨著漿體濃度進一步提高，臨界流速的變化呈現2種可能。一方面臨界流速有可能增大，是因為濃度升高使?jié){體的有效粘度增大，雷諾數越小，對紊流抑制作用增強，紊流脈動強度變小，故須提高臨界流速；另一方面臨界流速也有可能減小，是因為粘度隨濃度升高而增大，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、絮網結構等原因，使?jié){體粘度增大，從而導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源主要為水流紊動動能，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)的水流紊動能量增加，紊動動能最終轉化為熱能消散，導致管道輸送摩阻損失增大。以某礦漿體不同濃度時的摩阻損失為例，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的i—Cw曲線。測試結果顯示，管道摩阻損失與漿體濃度近似為正比關系。

圖3 濃度對水力坡度的影響

2 漿體輸送濃度的選擇

在固體物料運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，有利于提高運輸效率和經濟效益。同時，通過以上濃度對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增加，特別是當輸送濃度增加到一定程度以后，漿體粘度會急劇增大，由此造成摩阻損失所消耗的能量，將超過因濃度提高、物料多運而節(jié)省的能量，導致總體耗能增加，運營經濟效益變差。由此可見，漿體輸送濃度對運輸能耗的影響具有雙重性。因此，存在一個最佳節(jié)能濃度，此濃度可按每1 t干礦輸送1 km所消耗能量最低時來考慮[2-3]。

2.1 最佳節(jié)能濃度計算

噸公里能耗計算可采用公式(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，計算中取η=0.75；

Gh——固體物料的運量，t/h。

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

從表1看出，在管道直徑及物料運量一定的情況下，隨著漿體質量濃度Cw的提高，運行流速和摩阻損失降低，同時由于漿體中含水量減少，因輸送水分而產生的無效做功減少，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算結果

2.2 輸送濃度確定

對于漿體管道輸送，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，同時為了降低摩阻損失和對管材的磨蝕速率，流速選擇又不可過大。為此，在最小噸公里能耗的基礎上，必須同時較確切地掌握臨界流速隨濃度的變化情況，以對噸公里能耗最低時的流速進行驗證，保證流速高于臨界流速一定裕量。計算得上述運輸管道內徑為125 mm，不同濃度對應的臨界流速計算結果見表2。

表2 D=125 mm 不同輸送濃度臨界流速計算結果

根據表1、表2的計算結果，運輸管道在管道內徑為125 mm時，輸送濃度選60%～65%，此時對應的臨界流速為1.22～1.25 m/s，運行流速為1.23～1.44 m/s，既可以滿足技術指標，使運行流速大于臨界流速，同時表征經濟指標的噸公里能耗也小，運營費較低。

當漿體濃度為65%時，漿體運行流速與臨界流速很接近。根據工程經驗，為了防止因時間積累而產生的顆粒淤積，從而保證管輸系統的運行安全，運行流速的選擇應高于臨界流速，且應留有不少于10%的余量。因此設計濃度的選擇以60%為宜。

3 結 語

(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)及運輸能耗，它不僅決定管道運行安全，而且決定管道建成后輸送運行成本。

(2)輸送濃度的選擇涉及兩方面標準。一是輸送的技術標準，即在物料運量和管道直徑一定時，輸送濃度的選擇要滿足能保證管道輸送安全的技術要求；另一個標準是經濟標準，輸送濃度的選擇要以減少管道建成以后的運行成本為目標，從而提高管道輸送的經濟效益。因而存在一個最佳輸送濃度，需要對具體工程的技術和經濟兩方面因素進行分析，綜合考慮后加以確定。

(3)在漿體管道設計中，通過計算求出最佳節(jié)能濃度后，必須根據臨界流速隨濃度的變化規(guī)律，對最佳節(jié)能濃度時的工作流速進行驗算校核，以保證滿足臨界流速要求。當不滿足要求時，需在最佳節(jié)能濃度附近進行調整，在保證臨界流速要求的前提下，選擇相對較節(jié)能的濃度作為設計的最佳輸送濃度。