煤浆管道输送浓度的分析研究

路 云

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064)

煤浆管道输送技术已被国外工程实践证明，是一种节能环保的运输技术，与传统的物料运送方式相比，具有安全可靠、经济效益明显等诸多优点。这种技术使煤浆中的颗粒保持良好的悬浮性，不至于沉降堵管，特别对于长距离输送，需要保证煤浆属性介于均质—非均质之间的复合流，即伪均质流，从而保证系统的可靠运行。同时，它要求管道系统在经济上具有合理性，通过优化设计减少工程建设投资及运营费用，从而使煤浆管道输送具有良好的经济效益。煤浆浓度是管道系统设计的一个重要基础参数，它一方面影响着浆体水力特性，决定着管道安全运行，另一方面决定着总体输浆量大小及管径选择，对管道工程建设投资及运营成本费用产生影响。因此，输送浓度的设计比较复杂，涉及技术和经济两方面的问题，在满足浆体悬浮性的技术指标前提下，还要满足运输能耗小、运营成本低等经济指标的合理性要求。本文从技术指标和经济指标两方面，对煤浆管道输送浓度进行探讨，就浓度对浆体特性的影响进行分析，以期得出具有一定规律的输送浓度确定方法，从而为煤浆管道的工程设计提供合理依据。

1 输送浓度对浆体特性影响分析

1.1 对粘度的影响

浆体中由于固体颗粒的存在，流体在流经固体颗粒周围时产生绕流，从而固体颗粒附近的流线发生变形，流通通道束窄，增加了流动阻力，宏观表现上使浆体的粘度增加。当浆体浓度较低，即固体颗粒含量较少时，只涉及流体对固体的绕流作用，粘度增加有限；当浆体浓度较高时，即液体中固体颗粒很多，颗粒间距减小，相互碰撞机率增大，增大了浆体流动时的内摩擦力，颗粒之间的相互影响也表现为浆体粘度增大。另外，随着浓度的升高，特别是粘性细颗粒所占比重的加大，容易形成絮网结构，粘性细颗粒自身的吸附水及絮网内产生的封闭水，使浆体的有效浓度增大，也会导致浆体粘度增大。

因此，总体上浆体中由于固体颗粒的加入，流速分布变形、颗粒之间相互碰撞、絮网结构等原因，使其粘度大于清水粘度，并且随着浓度升高，粘度呈增大趋势。以某矿浆体不同浓度时的粘度测试结果为例，η—CW关系曲线如图1所示。从图中看出，矿浆刚度系数η随质量浓度Cw的增加总体呈上升趋势，以质量浓度60%为界，Cw小于60%时，η与Cw成正比关系变化，增速较慢；Cw大于60%时，η与CW成指数关系变化，增速很快。

图1 质量浓度对粘度的影响

1.2 对临界流速的影响

浆体临界流速决定了浆体输送时的最低运行流速，国内外学者根据试验结果和分析方法，提出众多用于计算临界流速的公式。这些公式考虑的影响因素大体相同，只是形式各异，一般都能转换成式(1)形式[1]：

式中，UC——浆体临界流速，m/s；

D——管道直径，mm；

S——固液密度比；

d——颗粒粒径，mm；

CV——浆体体积浓度，%；

CD——颗粒沉降阻力系数。

从式(1)可见，浆体管道临界流速大小除与物料粒度、密度有关外，管道直径D及浆体浓度CV也为重要的影响因素。对于特定种类物料及粒度组成，在一定的管道直径下，影响浆体临界流速的主要因素为浆体输送浓度。国内外现有的试验资料表明，浆体浓度对管道临界流速的影响有具有双重性，一方面浆体粘度随浓度升高呈增大趋势，承载颗粒的浮托力增大，有利于颗粒悬浮，对水流紊动强度的要求变小，临界流速减小；另一方面它对水流的紊动具有抑制作用，减弱了紊动强度，又不利于颗粒悬浮，导致临界流速增大。根据这两个消长因素所占主导地位不同，出现临界流速UC随浆体浓度Cw不同的变化情况，其变化规律如图2[2]。

图2 UC—CW关系

从图2中分析可见，分为3个区间：

区间1：当浆体浓度较低时，浆体有效粘度较低，流体紊动作用在颗粒悬浮中占主导地位，随着浓度升高，需要更强的水流紊动承托固体颗粒，所需临界流速变大。

区间2：当浓度超过某一浓度后，浆体粘度与流体紊动在颗粒悬浮中发挥的作用比例相当，浓度升高将使浆体的有效粘度增大，对固体颗粒承托作用增强，固体颗粒的沉降速度减小，临界流速减小。

区间3：随着浆体浓度进一步提高，临界流速的变化呈现2种可能。一方面临界流速有可能增大，是因为浓度升高使浆体的有效粘度增大，雷诺数越小，对紊流抑制作用增强，紊流脉动强度变小，故须提高临界流速；另一方面临界流速也有可能减小，是因为粘度随浓度升高而增大，维持颗粒悬浮的浮托力增大，颗粒沉降变慢，临界流速减小。

1.3 对阻力特性的影响

浆体浓度的增加，一方面由于流速分布变形、颗粒之间相互碰撞、絮网结构等原因，使浆体粘度增大，从而导致管道输送的摩阻损失增大；另一方面，浆体中固体颗粒悬浮所需能量来源主要为水流紊动动能，浓度增加使得浆体中固体颗粒含量增加，用于维持颗粒悬浮状态的水流紊动能量增加，紊动动能最终转化为热能消散，导致管道输送摩阻损失增大。以某矿浆体不同浓度时的摩阻损失为例，如图3所示，是在直径为125 mm水平管中，以不同流速，输送不同浓度矿浆时的i—Cw曲线。测试结果显示，管道摩阻损失与浆体浓度近似为正比关系。

图3 浓度对水力坡度的影响

2 浆体输送浓度的选择

在固体物料运量要求一定的条件下，浆体的输送浓度偏低，输送浆体总量会加大，从而做功增多，使得输送能耗加大，因此浓度提高，有利于提高运输效率和经济效益。同时，通过以上浓度对浆体特性影响的分析可见，随着输送浓度提高，浆体粘度及阻力特性相应增加，特别是当输送浓度增加到一定程度以后，浆体粘度会急剧增大，由此造成摩阻损失所消耗的能量，将超过因浓度提高、物料多运而节省的能量，导致总体耗能增加，运营经济效益变差。由此可见，浆体输送浓度对运输能耗的影响具有双重性。因此，存在一个最佳节能浓度，此浓度可按每1 t干矿输送1 km所消耗能量最低时来考虑[2-3]。

2.1 最佳节能浓度计算

吨公里能耗计算可采用公式(2)[2]：

其中：E——吨公里能耗，kW·h/(t·km)；

γW——清水容重，t/m3；

Q——输送浆体流量，m3/s；

im——浆体的水力坡降，kPa/km；

η——效率，η=0.7～0.8，计算中取η=0.75；

Gh——固体物料的运量，t/h。

在推算出一定管径D下，不同浓度Cw、流速U时的水力坡降im，就可以应用式(2)求出对应的吨公里能耗E，从而查出吨公里能耗为最小的节能浓度。以某矿浆运输管道为例，在特定物料运量下，选择管径为125 mm计算不同浓度、流速时的水力坡降及吨公里耗电量，计算结果见表1。

从表1看出，在管道直径及物料运量一定的情况下，随着浆体质量浓度Cw的提高，运行流速和摩阻损失降低，同时由于浆体中含水量减少，因输送水分而产生的无效做功减少，使得吨公里耗电量减少。

表1 D=125 mm不同输送浓度吨公里能耗计算结果

2.2 输送浓度确定

对于浆体管道输送，为了防止因颗粒沉降而发生沉积堵管的情况，输速流速的选择必须大于临界流速，同时为了降低摩阻损失和对管材的磨蚀速率，流速选择又不可过大。为此，在最小吨公里能耗的基础上，必须同时较确切地掌握临界流速随浓度的变化情况，以对吨公里能耗最低时的流速进行验证，保证流速高于临界流速一定裕量。计算得上述运输管道内径为125 mm，不同浓度对应的临界流速计算结果见表2。

表2 D=125 mm 不同输送浓度临界流速计算结果

根据表1、表2的计算结果，运输管道在管道内径为125 mm时，输送浓度选60%～65%，此时对应的临界流速为1.22～1.25 m/s，运行流速为1.23～1.44 m/s，既可以满足技术指标，使运行流速大于临界流速，同时表征经济指标的吨公里能耗也小，运营费较低。

当浆体浓度为65%时，浆体运行流速与临界流速很接近。根据工程经验，为了防止因时间积累而产生的颗粒淤积，从而保证管输系统的运行安全，运行流速的选择应高于临界流速，且应留有不少于10%的余量。因此设计浓度的选择以60%为宜。

3 结 语

(1)浆体管道输送浓度影响着浆体的水力输送特性(粘度、临界流速、摩阻损失)及运输能耗，它不仅决定管道运行安全，而且决定管道建成后输送运行成本。

(2)输送浓度的选择涉及两方面标准。一是输送的技术标准，即在物料运量和管道直径一定时，输送浓度的选择要满足能保证管道输送安全的技术要求；另一个标准是经济标准，输送浓度的选择要以减少管道建成以后的运行成本为目标，从而提高管道输送的经济效益。因而存在一个最佳输送浓度，需要对具体工程的技术和经济两方面因素进行分析，综合考虑后加以确定。

(3)在浆体管道设计中，通过计算求出最佳节能浓度后，必须根据临界流速随浓度的变化规律，对最佳节能浓度时的工作流速进行验算校核，以保证满足临界流速要求。当不满足要求时，需在最佳节能浓度附近进行调整，在保证临界流速要求的前提下，选择相对较节能的浓度作为设计的最佳输送浓度。