柱狀型煤管道水力輸送技術研究進展

束德方，孫西歡，李永業(yè)，許 飛，張樂元

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

管道水力輸送是以壓力水流作為載體，通過封閉管道來輸送物料的一種輸送方式。相對于鐵路、水路、航空、公路等運輸方式，具有運行成本低、效率高、占地少、管道布置易于適應地形變化、不受氣候影響、無污染和安全可靠等優(yōu)點，在國民經(jīng)濟各領域得到了廣泛應用。柱狀型煤管道水力輸送作為一種新型的管道水力輸送技術，代表了管道水力輸送技術的最新理論與科研成果。下文簡述了該種新型運輸方式在技術、理論等方面的研究現(xiàn)狀。

1 概念的提出

柱狀型煤管道水力輸送是實現(xiàn)管道水力輸煤的新技術，其基本思想是將散體煤顆粒壓制成剛性圓柱狀密實體——煤柱，然后注入有壓輸送管道，以具有一定濃度的煤漿作為動力載流體進行遠距離輸送。

管道輸送技術大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：流體管道輸送、漿體管道輸送和水力密封容器管道輸送。柱狀型煤管道水力輸送正是在水力密封容器管道輸送的基礎上發(fā)展起來的。在結構上，它類似于密封容器管道，但因無需裝載散體的密封容器，也不必另建返送空密封容器管道，故比通常概念的密封容器管道更經(jīng)濟、更易操作處理。此外，柱狀型煤水力輸送方式比煤漿管道具有煤輸送量大、水需求量少、能耗小、末端脫水簡單等優(yōu)點，因而更經(jīng)濟、更具市場競爭力[1]。

水力密封容器管道輸送首先由加拿大研究人員在20世紀60年代提出，之后日本、南非、荷蘭、澳大利亞、美國等國家都對其進行了研究。在此基礎上，美國密蘇里大學哥倫比亞校區(qū)密封容器管道研究中心在20世紀90年代提出了柱狀型煤管道輸送的概念，Henry Liu等人在水力特性及經(jīng)濟可行性等方面對其進行了研究[2]。

2 理論研究

國外的Henry Liu于1982年在量綱分析的基礎上，分析試驗數(shù)據(jù)得到了平直管段的起浮速度；在1992年，提出了囊體（可理解為柱狀型煤）運動的四個典型區(qū)域[3]；1992—1994年，又結合引入的一些特定系數(shù)，運用能量、動量連續(xù)性方程，在量綱分析的基礎上得到了囊體的起動速度[4-5]。

國內(nèi)的林愉、閻慶紱、李元宗等人也對其運動特征、懸浮機理及能耗進行了研究，并取得了一定的進展。文獻[6]介紹了以煤漿為載流體在管道中輸送煤柱的實驗研究，包括煤柱的起動、懸浮、運動速度及煤漿濃度和煤柱形狀比對管道流的影響，揭示出煤柱在煤漿管道內(nèi)的運動特征及進一步研究開發(fā)的意義。文獻[7]就這種管道輸煤技術的水力學原理，即壓制成圓柱形的煤柱在管道中的流動性狀進行了分析討論。文獻[8]在假設條件下，參照管道水力學理論，分別引入運動型料表面和靜止管道壁面的摩阻系數(shù)，建立了水平同心型料管道流的簡易數(shù)學模型。文獻[9]在動量定理和能量定理的基礎上，建立了靜止圓柱狀型料在漿體管道內(nèi)起動的動量方程和能量方程，并由此導出靜止型料在漿體管道內(nèi)的起動速度計算公式。文獻[10]通過對煤柱在煤漿管道中的輸送機理進行研究，建立了煤漿管道輸送煤柱的水力學方程和參數(shù)計算公式，通過實驗，探討了參數(shù)間的關系，并對理論方程和計算公式進行了驗證。文獻[11]在煤錠水力輸送實踐裝置上，對相對密度為1.3×103kg/m3、長度和直徑比為135/85的柱形煤錠，在不同工況下的平均能耗、沖擊能耗和煤錠的運動速度等進行了測試研究，分析了影響能耗的因素，并指出平均能耗有一個合理范圍，應在滿足輸煤量要求的前提下通過優(yōu)化組合來得到。文獻[12]和[13]分析了煤柱管道輸送中煤柱在不同運動狀態(tài)下的受力情況，通過大量試驗測出了靜止于管中的煤柱表面的壓強分布，繪制出了反映煤柱表面壓強分布規(guī)律的壓強系數(shù)曲線，為研究煤柱管道輸送的力學機理提供了必要的試驗依據(jù)。

3 技術研究

3.1 煤柱成型

長距離的水力管道輸送對煤柱的強度性能提出了較高要求：一是耐磨；二是防水性能好，即煤柱經(jīng)過長距離輸送不被磨損破碎、不吸水膨脹。因此，研究煤柱壓力成型的機理、設計煤柱成型的工藝、探討影響煤柱強度的因素、制備防水耐磨的煤柱對柱狀型煤管道輸送技術至關重要。此外，為了實現(xiàn)煤柱的潔凈燃燒，在模壓成型過程中，還需考慮如何選用粘結劑、固硫劑等問題。

文獻 [14]從散體煤顆粒模壓成型的機理研究出發(fā)，闡述了煤柱模壓成型的制備工藝環(huán)節(jié)，分析了煤柱在模壓過程中的壓強分布以及模壓力和壓頭位移間的關系，建立了煤柱強度和密度的理論表達式，通過實驗探討了模壓力、添加材料和成型坯料含水量對煤柱抗壓強度的影響。文獻[15]針對管道輸送性和燃燒固硫高度匹配的潔凈煤柱的制備，研究煤柱成型方法和固硫機理，分析比較多種粘結劑和固硫劑，設計出了合理的潔凈煤柱制備工藝，配制出了兼具粘結和固硫作用的復合固硫粘結劑。

3.2 試驗系統(tǒng)設計

美國密蘇里大學密封容器管道研究中心為開展柱狀型煤管道輸送技術研究，建成的測試管線系統(tǒng)值得借鑒。在國內(nèi)，南方冶金學院（今江西理工大學）林愉等人自20世紀90年代起，設計建立了型料管道輸送試驗系統(tǒng)。文獻[16]根據(jù)煤柱管道水力輸送特點，對管道輸送系統(tǒng)各個技術環(huán)節(jié)，如煤柱注入和排出、管道泵動力增壓、管線折轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)等提出了可行的設計方案和設計參數(shù)。文獻[17]針對圓柱狀型料管道水力輸送的特點，提出了實驗管道輸送系統(tǒng)的設計思路，并就管線布置、動力裝置、型料注入和排出機構、測試裝置等設計方案進行了研究。文獻[18]專門就煤柱輸送管道系統(tǒng)中注入裝置進行了設計研究。文獻[19]專門就型料輸送管道動力驅(qū)動裝置進行了設計研究。文獻[20]在對型料砂漿管道輸送控制系統(tǒng)進行總體分析的基礎上，對試驗現(xiàn)場中的測試儀表和執(zhí)行機構進行了具體選型和設計，并利用模塊化設計方法，從硬件和軟件兩方面分別對控制部分進行了具體的構思和設計。此外，為了將其應用于生產(chǎn)，閻慶紱、李元宗等人在太原理工大學水流試驗大廳建立了測試管路總長達46 m的煤錠輸送試驗管道系統(tǒng)，開展了以應用為目標的試驗研究。張曉東等對柱狀型煤水力管道輸送和現(xiàn)有的煤運輸方法進行了比較，對試驗研究系統(tǒng)進行了介紹[21]。

3.3 輔助設備

在試驗和研究過程中，為提高試驗精度和準確性，便于工業(yè)應用，一些必要的輔助設備的研發(fā)也應運而生。

文獻[22]介紹了型煤管道輸送系統(tǒng)中用于測量型料（可直接理解為煤柱）與管道底壁之間間隙的一種電感間隙儀的設計思路和工作原理，并對儀器信號的處理和實驗參數(shù)的標定進行了討論。文獻[23]根據(jù)型料砂漿管道的輸送特點和超聲波傳感器的特性，結合型料注入管道的計數(shù)及注入速度的要求，設計了一種以超聲波傳感器檢測型料管道注入數(shù)和型料運行速度的型料砂漿管道超聲波計數(shù)器。

4 結語

柱狀型煤管道水力輸送技術作為一種新型的管道運輸方式，從誕生到現(xiàn)在僅有30多年的歷史，大量的研究還主要集中在試驗研究階段，雖然在基礎研究和技術參數(shù)的確定等方面取得了較為長足的進展，但在理論體系、系統(tǒng)數(shù)學模型的建立、管道減阻、管道磨損、系統(tǒng)自動控制、流動狀態(tài)等方面還有待進一步研究和完善，以便為其早日實現(xiàn)工業(yè)化奠定理論基礎。

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