田达理
(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北武汉 430064)
摘要：文中对煤浆沉降特性进行了详细分析，结论表明质量分数和粒度是影响煤浆颗粒沉降速度的主要因素。然后，从煤浆沉降特性角度出发，总结了管道输煤工程中煤浆制备、筛检超粗颗粒、煤浆储存、长距离管道输送以及终端脱水等环节需采取的相应措施及要求，为煤浆输送管道安全、经济、可靠地运行提供参考。
关键词：两相流；沉降特性；煤浆；管道输煤工程
管道输煤是将煤粉和水的混合物采用高压煤浆泵通过管道从首端泵送至终端目的地，当输送距离较长、地势逆差较大时，需设中间泵站接力输送。煤粉和水的混合物称为煤浆，相对于高浓度水煤浆而言，适合长距离管道输送的煤浆质量分数一般在45%～55%，比高浓度水煤浆的质量分数低5%～15%，因此将其称为中浓度或常规浓度煤浆[1-2]。
与采用管道输送水、油或气等单一介质的输送相比，煤浆输送的流态更复杂。这是因为煤浆属于固液两相流体，固体煤颗粒的密度比水大，静置时容易发生沉降，所以，在储存、输送过程中需要为煤浆提供足够使煤颗粒悬浮的动力，确保煤浆不发生沉降。
煤浆中主要固体颗粒是煤，适合管道输送的煤浆大部分采用烟煤作为原料煤，其密度为1.2～1.4 g/cm3[3]。
当单一球形煤颗粒在水介质中时，水作为悬浮载体，对煤颗粒有向上托起的浮力，由于浮力小于重力，产生加速度，最终会导致煤颗粒向下沉降。
(1)
式中：ρs为颗粒密度，g/cm3；ρ为介质密度，g/cm3；Cd为范宁摩阻系数；w为颗粒运动速度，m/s；d为颗粒粒径，m。
在沉降过程中，煤颗粒与水发生摩擦，产生向上摩擦阻力。根据斯托克斯定律，速度越大，阻力越大。当煤颗粒向下速度达到一定值时，摩擦阻力和浮力之和正好与重力平衡，加速度逐渐趋于零，速度趋于稳定，煤颗粒以几乎恒定的速度沉降，将该速度称为终极沉降速度或自由沉降末速wt，此时，
wt=
(2)
在牛顿定律区，103Re<>5，Cd是常数，等于0.4[4]。
此时，可以得到：
wt=
(3)
从式(3)看出，当颗粒粒径d或密度ρs越大时，自由沉降末速wt越大[5]。
中浓度煤浆一般是将最大粒度为20 mm以下的煤粉与水一起经过磨煤机研磨制备而成，其中的煤颗粒是具有连续粒度分布的颗粒群。磨煤机的煤浆产品粒度最大可达10 mm，最小仅几μm。由式(3)计算，粒度为5 mm与0.005 mm颗粒的自由沉降末速分别为0.048 1 m/s、0.001 5 m/s。
里亚申柯[6]通过大量的干扰沉降试验，得到干扰沉降速度与自由沉降速度、煤浆体积分数之间的关系，如式(4)所示。
vg=v0(1-λ)n
(4)
式中：vg为干扰沉降速度；v0为自由沉降速度；λ为煤浆的体积分数；n为指数，一般取2.33～8.33，与粒度大小、形状、流态等有关。
苏联选矿研究设计院曾得出了n与物料粒度的关系，如表1所示。
表1 不同颗粒粒度对应的n值
颗粒粒度/mm2.01.40.90.50.30.20.150.08n2.73.23.84.65.46.06.67.5
由表1可知，物料粒度越细，n值越大。表1中粒度范围只有0.08～2.0 mm。经计算，2.0 mm煤颗粒和0.08 mm煤颗粒的干扰沉降速度分别为0.004 0 m/s、0.021 1 mm/s。但根据表1数据趋势可以预计到，5 mm和0.005 mm煤颗粒的干扰沉降速度差别还要大得多。保守估算，5.0 mm煤颗粒和0.005 mm煤颗粒的干扰沉降速度分别为0.006 3 m/s、0.005 3 mm/s。据此计算，二者在管径400 mm的管道完全静置的情况下发生沉降需要的时间分别为63 s、21 h。
工程上管道输送的时间一般在几小时或最长几天内可以完成，高压煤浆泵不断地给煤浆提供悬浮的动力，故可以近似地认为细颗粒基本不发生沉降，细颗粒煤与水形成近似均匀稳定的溶液体系，此时就不再只有水是煤颗粒的悬浮载体，而是细颗粒和水形成的混合溶液共同作为悬浮载体，由于煤的密度比水大，故新的悬浮载体的密度比水的密度大(见式(5))。
ρm=CV(ρs-1)+1
(5)
式中：ρm为新的悬浮液密度；CV为细颗粒体积分数。
根据颗粒沉降速度计算公式，wt因为悬浮液的介质密度ρ增大而减小，由此可以认为细颗粒的存在可以在一定程度上抑制粗颗粒的沉降。
通过式(4)还可以得出煤浆浓度变化对干扰沉降速度的影响趋势(如图1所示)。干扰沉降速度随煤浆质量分数升高而降低，粒度越大，降低的幅度越显著。因此，提高煤浆质量分数有利于克服煤浆沉降。
图1 不同粒度的煤浆质量分数变化对干扰沉降速度的影响
综上所述，可以得出：(1)煤浆的沉降速度随粒度减小逐渐降低，且粗颗粒的沉降速度远比细颗粒的沉降速度大；(2)细颗粒的存在一定程度上增加悬浮液的介质密度，可以降低粗颗粒的沉降速度；(3)煤浆的沉降速度随质量分数升高而降低。
2.1 对于管道输煤工程运行安全的重要性
在管道输煤工程中，需要注意克服煤浆沉降特性。当工艺系统不给煤浆提供向上托起的力或提供的力不够大时，会发生煤颗粒和水分离现象，在工艺设备和管道内造成上下浓度不均匀现象。
如果发生在泵内，容易损坏泵，造成不均匀磨损。如果发生在储浆容器类设备内，可能造成容器底部物料沉积，甚至会堵塞出料管，沉积在底部的物料清理起来十分困难。
如果发生在管道内，容易造成管道堵塞，形成堵点后再直接启动容易造成压力骤然升高引发爆管事故。
因此，为了保证输送过程中物料的均匀性，必须采取措施防止煤浆中煤颗粒和水分离。
2.2 对煤浆制备的要求
具有合适的质量分数和粒度的煤浆在一定程度上可以改善沉降特性，这就对煤浆制备有严格的要求。
质量分数越高，干扰沉降速度越低。因此，长距离管道输煤工程要求煤浆质量分数不能太低，否则固体颗粒沉降太快，质量分数太低还会造成输水比例加大，不经济。当然，质量分数太高会对浆体流动性产生不利影响。根据实际运行经验，一般要求煤浆质量分数介于45%～55%[7]。
粒度越小，干扰沉降速度越低。工业上采用球磨机或者棒磨机制备的煤浆粒度分布一般都呈现正态分布[8]。由于粗颗粒和细颗粒的沉降速度相差非常大，因此，需要设法缩小颗粒分布范围。为了使得煤浆产品的上限粒径与平均粒径更接近，一般采用棒磨机磨煤，而不采用球磨机。这是因为棒磨机具有选择性破碎功能，产品粒度分布比球磨机窄一些[9]。
由于细颗粒的存在可以在一定程度上抑制粗颗粒的沉降，所以，对0.045 mm细颗粒的含量有明确的要求。根据管道输煤工程设计经验，0.045 mm细颗粒的含量不能低于18%[10]。
2.3 筛检超粗颗粒措施
由于磨煤产品的粒度呈现正态分布，最大颗粒粒度与平均粒度相差较大。为了保证工艺系统运行安全，设计煤浆流速往往按照最大粒度计算。最大粒度越大，能耗越大。目前，长距离输煤管道工程中普遍采用的上限粒度为3 mm，大于1.18 mm的粗颗粒含量一般不超过2%。在生产过程中，由于煤质的变化、磨煤设备性能(如钢棒磨损、磨煤浓度波动等)等原因，最大粒度和粒度分布也会发生波动。
筛检超粗颗粒的具体措施是：(1)棒磨机尾部出口设滚筒筛筛检出粗颗粒或杂物，筛缝为5 mm；(2)在滚筒筛下再设有振动安全筛，筛缝为3 mm；(3)在喂浆泵的出口设有过滤器，进一步隔离粗颗粒或杂物。
2.4 煤浆储存过程中防沉降措施
为了储存各环节的煤浆并使其缓冲，一般在管道首端、沿线泵站、终端设有储浆罐。为了防止煤颗粒发生沉降，采取的措施有：(1)对煤浆进行连续搅拌，并采用双电源供电；(2)搅拌器桨叶采用中心推进式，在储浆罐内壁加挡板辅助煤浆流上升，使煤浆在储浆罐内形成内循环[11]；(3)在储浆罐壁底部设有沉降带。
2.5 长距离管道输送过程中防沉降措施
长距离管道输送时间较长，在密闭输送过程中，无法对煤浆状态实时监控，要求煤浆被泵送出泵站后能够在管道内一直保持均匀悬浮状态，直到进入下一级泵站或管道终端。采取的措施主要有[12-13]：(1)设计输送流速必须高于临界流速，给煤浆的煤颗粒提供足够向上托起的力，使煤浆在管道内达到紊流状态，而不是层流；(2)管线敷设坡度要求小于滑移角，否则容易形成局部堵塞点；(3)要求泵输系统具备停车再启动功能，一般要求8 h停机后仍能再启动；(4)当发生超过系统再启动时限的停车操作时，采用水推浆方式将管道内煤浆全部推出管道系统；(5)设置双电源，提高系统可靠性；(6)在长距离向下陡坡管段采用变径设计，防止加速流的出现。
2.6 终端脱水环节对煤浆沉降特性的利用
煤浆输送至终端后，为了给用户提供煤粉，需要进一步脱水。目前普遍采用的是沉降过滤式离心机分离粗颗粒、浓缩机浓缩后压滤机分离细颗粒联合工艺[14]，在这两个脱水环节中均利用了该特性。
在分离粗颗粒阶段，煤浆经给料管给入离心脱水机转鼓高速旋转产生离心力，利用煤颗粒受到的离心力远大于在水中的阻力从而形成加速度，使煤颗粒在沉降段沉降到转鼓内壁，同时脱出大部分水，然后将煤泥推送至离心过滤脱水段进一步脱除水分。
在分离细颗粒阶段，将离心液送入大型浓缩池内进行自然沉降，由煤浆沉降特性分析可知，细颗粒的沉降速度非常缓慢，因此，添加絮凝剂使细颗粒结团以加速沉降。
因此，煤浆质量分数越低或煤颗粒粒度越大，沉降速度越快，脱水则越容易，有利于提高管道输送的经济性。
沉降特性是中浓度煤浆作为固液两相流体的最重要特性之一，直接关系到工艺系统的安全性，在管道输煤工程中各个环节都需要重点关注并合理运用。
为了使粗颗粒有足够的向上托起的力并形成悬浮状态，要求煤浆具备一定的向上流速，流速越大，煤浆越容易达到紊流下的均匀悬浮状态。煤浆的质量分数越大，煤颗粒的干扰沉降速度就越小，越容易保持稳定。细颗粒对粗颗粒的沉降有一定的抑制作用，管道输送的中浓度煤浆应严格控制上限粒度和粗颗粒的含量，同时确定细颗粒的含量时，应充分保证浆体稳定性。
但是，给煤浆提供的流速越高、煤浆的浓度越高或细颗粒的比例越高，都要求系统各个环节提供更多的能量。
为了找到工艺参数的安全性和经济性的平衡点，同时考虑到每个工程的实际条件不同，尤其是输送的原料煤性质不同，因此，一般要求在工程施工前进行系统的试验研究，结合相关工程实践经验，确定合适的输送技术参数。
值得注意的是：试验研究得出的结论与工程实际运行结果有较大的差别，在工程调试及运行前期，因系统完善程度、新设备磨合等因素，完全采用试验得出的既经济又安全的参数进行输送可能存在一定的风险，所以，应遵循安全第一的原则适当保守一些，待安全运行一段时间后再逐步摸索改进。
参考文献：
[1] 徐志强, 孙美洁, 刘建强,等. 水煤浆应用现状及技术进展[J].煤炭工程, 2014, 46(10):65-67.
[2] 涂昌德.常规浓度管道输煤煤浆脱水问题探讨[J].煤矿设计，1996(6)：63-67．
[3] 吴乐, 吴建群, 罗嘉,等. 煤样不同密度组分中致渣矿物特性的CCSEM研究[J]. 化工学报, 2014, 65(8):3221-3227.
[4] WASP E J．固体物料的浆体管道输送[M]．北京：水利电力出版社，1984．
[5] DAVIES R, KAYE B H. Experimental investigation into the settling behavior of suspensions[J]. Powder Technology, 1972, 5(2):61-68.
[6] 谢广元，张明旭，边炳鑫，等．选矿学[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2003．
[7] 欧阳增裕. 管道输煤工程煤浆制备工艺的研究与设计[J]. 煤炭加工与综合利用, 2015(5):78-80.
[8] 陈炳辰．磨矿原理[M]．北京：冶金工业出版社，1989．
[9] 李英. 大屯选厂磨矿流程改造[J]. 现代矿业, 2014, 30(5):60-61.
[10] 丁玉琪．管道输煤的煤浆制备简介[J]．煤矿设计，1983(2)：40-43．
[11] 李用芝. 煤浆储罐防沉淀措施探讨[J]. 当代化工, 2015(5):1169-1171.
[12] 费祥俊. 浆体的物理特性与管道输送流速[J]. 管道技术与设备, 2000(1):1-4.
[13] 汪东, 许振良, 孟庆华. 浆体管道输送临界流速的影响因素及计算分析[J]. 管道技术与设备, 2004(6):1-2.
[14] 张进才. 长距离管道输煤工程脱水工艺的选择[J]. 煤炭加工与综合利用, 2015(3):55-56.
Application Analysis of Coal Slurry Settlement Characteristic in Pipeline Coal Transmission Project
TIAN Da-li
(Wuhan Design and Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group, Wuhan 430064, China)
Abstract:The settlement characteristics of coal slurry were analyzed in detail and the results show that the mass fraction and granularity are the main factors affecting the settling velocity of coal slurry. Then, from the point of view of coal slurry settling characteristics, the corresponding measures and requirements for coal slurry preparation, screening coarse coal particles, coal slurry storage, long distance pipeline transportation and terminal dewatering in pipeline coal transmission project were summarized, which provide the reference for safe, economic and reliable running of coal slurry pipeline.
Keywords: two-phase flow; settlement characteristic; coal slurry;pipeline coal transmission project
联系客服
