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梅山铁矿尾矿管道输送研究
2019-02-20
针对梅山铁矿尾矿浆高浓度长距离输送的安全稳定性问题,分别通过清水试验、环管 试验对尾矿物理特性及管道输送参数进行了研究。研究得到了梅山铁尾矿浆长距离高浓度输送的 规律以及经济、安全的输送浓度及流速;得出在合适的运行参数下,可实现尾矿浆的高浓度长距离 安全经济的输送。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 梅山铁矿尾矿管道输送研究 毕兵兵ꢀ 黄保平 南京梅山冶金发展有限公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 针对梅山铁矿尾矿浆高浓度长距离输送的安全稳定性问题,分别通过清水试验、环管 试验对尾矿物理特性及管道输送参数进行了研究。 研究得到了梅山铁尾矿浆长距离高浓度输送的 规律以及经济、安全的输送浓度及流速;得出在合适的运行参数下,可实现尾矿浆的高浓度长距离 安全经济的输送。 关键词ꢀ 物理特性ꢀ 环管检测ꢀ 临界过渡流速 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 026 Pipeline Transportation Research of Meishan Iron Mine Tailings Bi Bingbingꢀ Huang Baoping ( Nanjing Meishan Metallurgical Development Co. ,Ltd. ) Abstractꢀ Aiming at the security and stability problems of Meishan iron mine tailings transportation with high concentration and long distance,the tailings physical properties and pipeline transportation pa- rameters were researched via clear water experiment and loop-pipe experiment. The law of Meishan iron mine tailings transportation with high concentration and long distance,the safe transportation concentration and flow velocity were obtained. Under the appropriate operation parameters,safe and economic tailings pulp transportation with high concentration and long distance could be realized. Keywordsꢀ Physical properties,Loop-pipe detection,Critical transition velocity 3 ꢀ ꢀ 梅山新建尾矿库距选厂约 38 km,年排尾矿量 表 1ꢀ 两种矿样密度测量结果 kg/ m 约 120 万 t,拟采用隔膜泵 1 段输送至尾矿坝。 为了 安全、稳定、经济的进行矿浆输送,特委托清华大学 水利系进行了相关试验研究,包括流变参数测定、环 管试验和停泵再启动。 清华大学开发的伪均质流模 型,计算了诸多精矿、尾矿管线,通过试验验证也适 用于梅山铁尾矿管线,并提出了合适的流速及输送 浓度。 组别 密度 第 1 组 第 2 组 第 3 组 平均 3. 279×103 3. 28×103 3. 27×103 3. 28×103 说明梅山尾矿中铁含量较高,与实际生产情况相符。 1 . 2ꢀ 粒度组成分析 依据 《 土 工 试 验 方 法 标 准》 ( GB / T 50123— 999)和马尔文 Mastersizer 2000 型激光粒度仪对矿 1 样进行了筛析法+密度计法(传统法)和激光粒度仪 [ 2] 1 ꢀ 梅山管道输送矿样物理特性 法两种方法的粒度分析试验,实测结果 见表 2。 表 2ꢀ 粒度分析实测结果 1 . 1ꢀ 密度测定 在进行管道输送试验前,对试验矿样进行了矿 筛析法+密度计法 激光粒度仪法 百分 含量 粒级 / mm 百分 含量 / % 样密度分析。 试验按国标 《 土工试验方法标准》 百分 粒级 含量 / mm 百分 含量 / % 粒级 / mm 粒级 / mm ( GB / T 50123—1999)进行,同时进行 3 组试样试验 / % / % [ 1] 且每组误差不超过规定限值,实测结果见表 1 。 3 ꢀ 由 表 1 可 知, 矿 样 密 度 均 值 为 3. 279 × 10 3 3 3 3 ꢁ ꢁ ꢁ 0. 50 98. 38 ꢁ0. 054 71. 63 ꢁ0. 50 98. 05 ꢁ0. 054 73. 85 0. 28 90. 85 ꢁ0. 037 66. 31 ꢁ0. 28 92. 64 ꢁ0. 037 60. 78 0. 15 80. 52 ꢁ0. 019 53. 02 ꢁ0. 15 88. 29 ꢁ0. 019 37. 63 ꢀ kg / m , 一 般 尾 矿 为 2. 75×10 ~ 3. 0×10 kg / m , ꢁ ꢁ 0. 098 75. 77 ꢁ0. 010 12. 16 ꢁ0. 098 85. 22 ꢁ0. 010 24. 21 0. 074 75. 17 ꢁ0. 005 3. 47 ꢁ0. 074 81. 68 ꢁ0. 005 14. 89 ꢀ ꢀ 毕兵兵(1990—),男,工程师,210041 江苏省南京市雨花区西善 桥。 1 18 ꢀ ꢀ ꢀ 毕兵兵ꢀ 黄保平:梅山铁矿尾矿管道输送研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 ꢀ 由表 2 可知,激光粒度法对于粗粒级( +0. 074 表 3ꢀ 梅山铁尾矿矿浆流变参数表 mm)的测定结果均高于传统法,这是由于激光法依 靠水泵将颗粒吸入光学区进行投影测量,而粗颗粒 吸入后的投影面积值偏高,使得激光法对粗颗粒的 测试值高于传统法。 对于 0. 074 ~ 0. 01 mm 粒级, 传统法的测试结果高于激光法,这是由于激光法在 测试时是依靠超声波将团粒打散,而密度计法的分 散效果弱于超声分散,因此测得值较高;土团打散后 会形成小颗粒, 导致小颗粒的含量增加, 因此对 于ꢁ0. 01 mm 粒级,激光法测得值偏高。 矿浆密度 浓度 / % 屈服应力 / Pa 刚度系数 / (m·Pa·s) 相对粘度 3 / (kg/ m ) 1 1 1 1 1 635. 5 597. 5 537. 8 480. 3 450. 5 55. 90 53. 81 50. 31 46. 68 44. 68 26. 10 22. 40 15. 90 11. 90 4. 31 17. 50 9. 80 6. 85 5. 84 9. 70 22. 89 19. 64 13. 94 10. 43 8. 51 ꢀ ꢀ 注:试验中浆体温度为 14. 8 ℃ 。 加,当浓度超过 50% ,屈服应力增加很快;若浓度高 于 50% 时,细小的波动也会导致明显的流变特性变 化,屈服应力显著提高造成管道矿浆运行失稳。 1 . 3ꢀ 尾矿浆的沉降特性 为了解不同浓度矿浆的稳定性及沉降特性,在 000 mL 量筒中进行了沉降试验,试验浓度分别为 4. 5% 、47. 4% 、49% 、51% 、53% ,利用试验数据分 2 ꢀ 管道输送清水试验 . 1ꢀ 管道输送设备 1 4 2 清华大学水利系泥沙试验室建有半工业管道试 析沉降特性对管道输送的影响。 梅山铁尾矿浆沉降 特性曲线见图 1。 验装置,共有 3 条试验管道,试验管径分别为 106. 5 mm、157 mm、209 mm,试验管道长 188 m,管道的尾 部安装透明有机玻璃管段,以观测矿浆及颗粒运动 情况,判别临界淤积流速。 2 . 2ꢀ 清水试验成果 对管道首先进行了清水阻力试验,试验的目的 主要测定管道的流速及水力坡度。 157、209 mm 试 验管径清水实测结果见表 4、表 5。 图 1ꢀ 梅山铁尾矿浆沉降特性曲线 表 4ꢀ ϕ157 mm 管道水力坡度与流速实测结果 水力坡度 i2 i3 组 次 流量 / (L/ s) / (m/ s) 流速 ꢀ ꢀ 由图 1 可见,尾矿浆沉降速度很小,尾矿浆比较 i1 平均 i 稳定,因此对管道输送有利。 1 2 3 4 5 6 7 8 24. 407 1. 261 344 0. 009 45 0. 011 34 0. 011 34 0. 010 71 27. 818 1. 437 623 0. 014 099 0. 013 797 0. 013 175 0. 013 69 31. 033 1. 603 773 0. 017 577 0. 016 443 0. 014 364 0. 016 128 35. 463 1. 832 713 0. 0215 46 0. 021 168 0. 018 9 0. 020 538 39. 221 2. 026 925 0. 0266 49 0. 026 838 0. 022 68 0. 025 389 42. 481 2. 195 401 0. 0298 62 0. 028 917 0. 027 216 0. 028 665 47. 42 2. 450 646 0. 035 91 0. 035 91 0. 034 02 0. 035 28 52. 517 2. 714 057 0. 043 47 0. 043 659 0. 043 264 0. 043 464 经过 200 h 沉降后,5 种不同浓度的矿浆均达到 极限沉降浓度 CWr ,所谓极限沉降浓度则是压缩沉 降后的最大浓度 CWr ,该浓度表示矿浆颗粒组成特 性。 通过以上沉降试验,说明梅山尾矿浆不容易沉 降,矿浆比较稳定。 1 . 4ꢀ 尾矿浆的流变特性 梅山铁尾矿几种不同浓度的矿浆在浓度较高 表 5ꢀ ϕ209 mm 管道水力坡度与流速实测结果 时,均属于宾汉体,通过试验测定不同浓度尾矿浆的 τW 和8DV,试验中浆体温度为 14. 8 ℃。 可求出不同 水力坡度 组 次 流量 流速 / (L/ s) / (m/ s) i1 i2 i3 平均 i 1 2 3 4 5 6 40. 78 1. 189 268 0. 005 67 0. 006 048 0. 006 615 0. 006 111 46. 8 1. 364 829 0. 006 048 0. 008 127 0. 008 505 0. 007 56 52. 92 1. 543 307 0. 008 127 0. 010 773 0. 012 134 0. 010 345 58. 19 1. 696 996 0. 010 017 0. 012 096 0. 013 608 0. 011 907 63. 56 1. 853 602 0. 012 096 0. 014 931 0. 015 687 0. 014 238 71. 45 2. 083 698 0. 017 01 0. 020 79 0. 018 9 0. 018 9 浓度浆体的屈服剪切应力 τB ,刚度系数 η 和相对粘 度,试验数据见表 3。 南京梅山铁尾矿是即含粗颗粒又含细颗粒尾矿 砂,粗颗粒比其他尾矿粗,细颗粒比其它尾矿细,颗 粒分布呈典型的三峰分布。 梅山尾矿浆流变特性呈典型的宾汉体,可以采 用宾汉体模型描述,流变参数 τ0 、η 随浓度增加而增 ꢀ ꢀ 在充分紊流区水力坡度 i 与管道内流速 u 基本 呈二次方关系,在紊流过渡区、紊流光滑区接近二次 1 19 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 方关系。 由于管径越大,雷诺数越大,方次越接近二 次方关系,说明试验成果是合理的。 体 表 6ꢀ ϕ157 mm 管道临界过渡流速结果 通过管道的清水试验,可得到 ϕ157 mm 管道的 粗糙 度 为 0. 074 mm, ϕ209 mm 管 道 的 粗 糙 度 为 0. 079 mm。 浓度 实测过渡流速 屈服应力 矿浆密度 计算过渡流速 3 / % / (m/ s) / Pa 4. 63 5. 40 10. 99 9. 61 8. 18 / (kg/ m ) 1 462. 50 1 482. 10 1 588. 40 1 566. 00 1 540. 80 / (m/ s) 1. 24 1. 33 1. 60 1. 72 1. 83 4 4 5 5 5. 5 1. 20 ~ 1. 30 6. 8 1. 30 ~ 1. 40 3 ꢀ 梅山铁尾矿管道输送试验 0. 5 1. 60 1. 70 1. 90 3 . 1ꢀ 试验概况 2. 0 利用两条管道进行了不同浓度的输送试验, 53. 3 ϕ157 mm 管 道 的 试 验 浓 度 为 45. 5% 、 46. 9% 、 表 7ꢀ ϕ209 mm 管道临界过渡流速结果 5 4 0. 5% 、52. 0% 、53. 4% ,209 mm 管道的试验浓度为 4. 7% 、47. 1% 、48. 7% 、51. 6% 、54. 2% 。 由于梅山 浓度 实测过渡流速 屈服应力 矿浆密度 计算过渡流速 3 / % / (m/ s) / Pa 4. 20 5. 59 6. 71 9. 21 12. 05 / (kg/ m ) 1 450. 70 1 486. 70 1 511. 70 1 559. 20 1604. 40 / (m/ s) 1. 18 1. 35 1. 47 1. 69 1. 91 44. 7 47. 1 48. 7 51. 6 54. 2 1. 18 尾矿浆颗粒组成细颗粒多,矿浆粘度大,不容易沉 降,临界淤积流速观测不到,利用 iꢁu 线拐点判别临 1. 30 1. 40 [ 3] 界过渡流速 Ucr 。 1. 60 3 . 2ꢀ 管道输送临界过渡流速的试验成果 1. 90ꢁ2. 00 由于矿浆粘度较大,较小流速下管道输送矿浆 临界过渡流速的显著影响因子,而主要受浓度的矿 浆流变特性影响。 已经成层流输送,水力坡降 i 与流速 u 的一次方成 正比。 根据不同流态存在 iꢁu 关系拐点,可以确定 管道输送中临界过渡流速 Ucr ,见图 2、图 3。 3 . 3ꢀ 梅山铁尾矿管道试验结果分析 1)管道阻力试验结果分析。 根据环管检测试 ( 验结果可知,ϕ157、ϕ209 mm 两种不同规格管道,小 流速时为层流,尤其浓度较高时浆体流变参数较大, 当流速达到 2 m/ s 时才能实现层流过渡到紊流。 矿 浆在层流状态时只存在粘滞切应力,计算简单可采 用牛顿内摩擦定律,在紊流状态时增加了一个附加 切应力,采用伪均质流模型计算,计算结果见表 8、 表 9。 图 2ꢀ ϕ157 mm 管道实测临界过渡流速 表 8ꢀ ϕ157 mm 管道不同浓度不同流速水力坡降计算 CW U/ (cm/ s) 170 180 / % 140 150 160 190 200 220 0 . 45 21. 031 23. 395 25. 921 28. 605 31. 443 34. 433 37. 573 44. 295 . 47 21. 804 24. 296 26. 953 29. 771 32. 747 35. 878 39. 162 46. 184 . 50 23. 081 25. 767 28. 625 31. 651 34. 841 38. 193 41. 705 49. 202 . 53 24. 885 27. 841 30. 977 34. 292 37. 780 41. 440 45. 269 53. 429 . 55 26. 180 29. 321 32. 651 36. 165 39. 862 43. 737 47. 789 56. 415 0 0 0 0 图 3ꢀ ϕ209 mm 管道实测临界过渡流速 表 9ꢀ ϕ209 mm 管道不同浓度不同流速水力坡降计算 CW U/ (cm/ s) 170 180 / % 140 150 160 190 200 220 ꢀ ꢀ 根据图 2、图 3 确定的紊流到层流过渡流速见 表 6,表 7。 由表 6、表 7 可知,输送矿浆浓度为 50% 时,临 0 0 0 . 45 15. 031 16. 583 18. 248 20. 021 21. 901 23. 884 25. 969 30. 434 . 47 15. 605 17. 262 19. 035 20. 920 22. 914 25. 013 27. 218 31. 932 . 50 16. 552 18. 365 20. 299 22. 350 24. 515 26. 792 29. 178 34. 273 界过渡流速达 1. 6 m/ s,随着浓度升高临界过渡流 速逐渐增大;ϕ157、ϕ209 mm 两种不同规格管道浓 度相同时,临界过渡流速相差甚小,说明管径不是浆 0. 53 17. 898 19. 926 22. 082 24. 362 26. 765 29. 286 31. 925 37. 548 0 . 55 18. 863 21. 037 23. 344 25. 781 28. 346 31. 036 33. 848 39. 836 ꢀ ꢀ (2)临界过渡流速的分析计算。 根据前述试验 1 20 ꢀ ꢀ 毕兵兵ꢀ 黄保平:梅山铁矿尾矿管道输送研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 数据,可推断临界过渡流速与矿浆流变参数相关性 较大,对于梅山尾矿浆这类宾汉体矿浆则主要受服 [ 4] 压力 τ0 影响。 根据瓦斯普 相关结论,可采用下式 对临界过渡流速进行计算: τ0 Ucr = k , (1) ρm 图 7ꢀ ϕ157 mm 管道停泵 144 h 再起动流量、 压力、坡降变化过程线 式中,系数 k 一般取 19 ~ 22,梅山尾矿浆试验计算 取 22。 利用公式(1) 计算临界过渡流速,试验值与 计算值基本一致。 ◆ ▲ ● —流量; —水力坡降; —压力 再启动主要困难是克服矿浆的屈服应力;只要泵出 口压力足够大,即可实现矿浆流量迅速增大,达到管 道运行正常的目的。 4 ꢀ 停泵再起动试验 采用 50% 浓度的矿浆进行停泵再启动试验,试 验管径 157 mm,管道长度 188 m,有两段垂直管段 分别为 3. 5、4. 0 m。 进行 1、3、6 d 不同时间的停泵 再启动试验。 试验过程中泵转速不断增加,管道流 量、压力和水力坡降变化数据,结果见图 4 ~ 图 7。 一般的固液两相流粗细颗粒含量相差不大,长 时间静置会发生颗粒分选沉降,这时进行停泵再启 动,清水、细颗粒和粗颗粒依次启动,粗颗粒聚集管 道压力增大极易造成管道堵塞。 由于梅山尾矿矿浆 颗粒细,只要浓度大于 45% 以上,短时间停泵不会 出现颗粒分选,只要克服矿浆屈服应力即可顺利实 现停泵再启动。 5 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)梅山铁尾矿浆含有大量细颗粒,极限沉降 图 4ꢀ ϕ209 mm 管道停泵 24 h 再起动流量、 浓度小,在 65% ~ 70% ,且沉降速度小,长时间停泵 静置后仍可顺利启动。 坡降变化过程线 ◆ ▲ —流量; —坡降 ( 2)梅山铁尾矿矿浆由于含大量细颗粒,流变 性能稍差,流变参数在 53% 浓度时,屈服应力 τ0 为 0 Pa,η 为 22 m·Pa·s,利用实测的梅山尾矿浆物 1 [ 5] 理特性和数学模型 可对管径进行放大。 ( 3)与梅山铁尾矿浆粒度组成类似的矿浆可参 考该变化规律,但是粗颗粒含量较高的矿浆还需进 一步研究。 图 5ꢀ ϕ209 mm 管道停泵 72 h 再起动流量、 压力、坡降变化过程线 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 ◆ ▲ ● —流量; —水力坡降; —管中压力 [ [ 1]ꢀ 黄保平. 梅山铁尾矿高浓度管道输送研究[J]. 现代矿业,2013 12):18-22. ( 2]ꢀ 韩文亮. 上海梅山铁尾矿管道输送参数试验研究报告[R]. 北 京:北京清华华新科技咨询中心,2007. [ [ 3]ꢀ 董曾南. 水力学:上册[M]. 北京:高等教育出版社,1995. 4]ꢀ 瓦斯普 E J. 固体物料的浆体管道输送[ M]. 北京:水利出版 社,1977. 图 6ꢀ ϕ157 mm 管道停泵 72 h 再起动流量、 压力、坡降变化过程线 [5]ꢀ 李鹏程. 高浓度管道输送参数计算模型的研究[J]. 金属矿山, 2005(4):60-66. ◆ —流量; ▲ —坡降; ● —压力 (收稿日期 2018-12-02ꢀ 责任编辑ꢀ 袁风香) 由图 4 ~ 图 7 可见,停泵时间即使达到 6 d,也 很容易启动,主要是由于梅山尾矿浆稳定性好,停泵 1 21
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