對輸送系統(tǒng)影響的泥漿性能研究*

康建喜 王榮杰

(咸陽陶瓷研究設計院 陜西 咸陽 712000)

前言

固體粒狀物料與液體的混合物稱為漿體。漿體根據(jù)液相的不同可分為：液相是水的稱為水系泥漿和液相是水以外的其他的液體的稱為非水系泥漿兩種。

水系泥漿在實用領(lǐng)域內(nèi)占有很大比例，作為大宗物料輸送的有煤漿，礦漿，水泥生料漿(石灰石漿)，化工磷灰石漿，城市污泥漿和工業(yè)廢渣(電廠灰渣漿，礦山尾礦漿)等。

研究泥漿的性能對輸送系統(tǒng)具有非常重大的意義；對于輸送系統(tǒng)泵型的選擇，管道的選擇，輸送系統(tǒng)的經(jīng)濟投資，輸送系統(tǒng)運行的成本，輸送系統(tǒng)功率的選擇等方面具有非常重要的意義。

1 泥漿的分類

按照流動性的差別，泥漿可分為均質(zhì)體，非均質(zhì)體，偽均質(zhì)體的帶滑移沉積層的泥漿，有固定沉積層的泥漿等。

1.1 均質(zhì)體

在均質(zhì)體當中，固體顆粒在300～400目，顆粒非常小。在流速較低或靜止的情況下，泥漿不會發(fā)生沉淀或分層，為均勻狀態(tài)的懸浮液。 這類泥漿為牛頓流體性狀，但大多為非牛頓流體性狀，一般把它們按照賓漢體或偽塑體來研究。均質(zhì)體在管道輸送當中，按照非沉淀性的漿體來對待。

1.2 偽均質(zhì)體

在泥漿當中，其中的固體顆粒比較大或者固體顆粒的容重比較大，只有保持一定的流速才能使泥漿上下的固含量變化不大，這類泥漿叫做偽均質(zhì)體，只有保持一定的流速才能變成均質(zhì)體。

1.3 非均質(zhì)體

在泥漿當中的固體顆粒直徑大于0.05 mm時，或者容重較大時，即使有一定的流速泥漿中上下固含量差別也非常大。只有隨著流速的增大才能改善其狀況，當流速達到一定時非均質(zhì)體可變成偽均質(zhì)體。

對于某種特定的漿體，都有一個沉淀流速，當管道的流速低于沉淀流速時，在管道的底部就會有一層跳躍或者滑動的固體底層，稱做滑移層非均質(zhì)體。當流速低于沉淀流速時，這層固體底層就會沉淀下來，這個時候的這個狀態(tài)就稱做固定沉積層非均質(zhì)體。非均質(zhì)體屬于固液兩相流動狀態(tài)，其研究方法按照固液兩相流的方法來研究。非均質(zhì)體的研究方法按照沉降性泥漿來研究。

2 粒料及泥漿的物理性能研究

粒料及泥漿的物理性質(zhì)有粒料容重，粒徑及其分布，顆粒形狀系數(shù)，顆粒沉降阻力系數(shù)和沉降末速，泥漿濃度和最大沉降濃度，粘度或剛度系數(shù)，初始切應力，泥漿比熱和導熱系數(shù)以及磨蝕率和磨蝕米勒數(shù)等。

2.1 固體物料容重

單位體積粒料的質(zhì)量稱為粒料的容重，常以γg表示，單位為t/m3或kg/m3。

常用泥漿輸送各種粒料的容重見表1。

表1 各種粒料的容重

2.2 粒徑及其分布

粒徑是指該種粒料通過某種篩孔和不能通過的下一級篩孔的平均值，以d表示，單位為mm。

實用的篩孔標準有泰勒篩和國際標準篩。對于工程實際情況，粒料是不均勻的，較為常見的是粒徑在一個按指數(shù)函數(shù)分布的范圍內(nèi)變化。為了表征這種大小不均勻的顆粒粒徑特征，常用所謂特性粒徑來表示。

表2 粒料允許上限粒徑

最常用的特征粒徑有加權(quán)平均粒徑，中值粒徑 (小于該粒徑所占質(zhì)量為50%)，上限粒徑 (小于該粒徑所占質(zhì)量為95%)等。

dp=∑di·Δpi/∑Δpi

式中：di——某級粒徑值；

Δpi——該級粒徑所占質(zhì)量百分數(shù)。

常用于泥漿輸送的粒料允許的上限粒徑見表2。

2.3 顆粒沉降阻力系數(shù)和沉降末速

2.3.1 顆粒沉降阻力系數(shù)

固體顆粒在粘性液體中與其作相對運動時，由于固液邊界上流速梯度的存在，使液體對固體邊界產(chǎn)生剪切力，也就是產(chǎn)生阻力。對于不同顆粒的大小和不同流體運動的特性，這種外流阻力在顆粒沉降過程中用沉降阻力系數(shù)CD來表示。

在紊流狀態(tài)下，即雷諾數(shù)1 000≤Re≤2×105時:CD=0.4。

在過渡狀態(tài)下，即雷諾數(shù)1≤Re≤1 000時：

式中:W——顆粒沉降末速,m/s；

μ——液體(水)的粘度；

rs,r0——顆粒和水的容重,t/m3、kg/m3；

d——粒徑,m；

g——重力加速度。

2.3.2 沉降末速

顆粒在液體中在重力條件下達到的最終沉降速度稱沉降末速，其通用計算式為：

上式是隱函數(shù)形式，計算時要試算，逐步逼近求解。為了簡化計算，給出了近似計算的顯函數(shù)式，其在常用的0.05≤Re≤20區(qū)域內(nèi)為：

式中r為水的粘度；其余符號同前。

2.4 泥漿濃度和最大沉降濃度

2.4.1 泥漿濃度

泥漿濃度有幾種表示方式：體積濃度Cv為泥漿的固體體積Qs和泥漿體積Qm之比。質(zhì)量濃度Cw為泥漿的固體質(zhì)量Qsrs和泥漿體積Qm之比。

2.4.2 最大沉降濃度

對一種特定的泥漿而言，其固含量在由小變大的過程中，泥漿始終未流動，當固含量最大時，泥漿開始沉淀，這個時候的體積濃度叫做最大沉降濃度或沉降時候的極限濃度。其符號為Cmv。這個數(shù)值為泥漿輸送前需要濃縮到的最大濃度值。對于泥沙，經(jīng)驗計算公式為：

Cmv=0.755+0.222logd50

對于金屬砂漿，經(jīng)驗公式為：

以上兩式中d50和dp分別為中值粒徑和加權(quán)平均粒徑，其他符號同前。

通常情況下最大沉降濃度應根據(jù)試驗確定。

2.5 粘度和剛度系數(shù)

流體各個相鄰部分以不同速度流載時，在使速度成為“均一”的方向上會出現(xiàn)剪切應力，這種性質(zhì)稱為液體的粘性，度量這種粘性稱為粘度。

泥漿的粘度比單一液體(如水)的粘度大，對于體積濃度較小的由較粗的剛性小球組成的稀泥漿，呈現(xiàn)牛頓流體的性狀。當濃度增加而固體顆粒甚小時，則會呈現(xiàn)非牛頓流體性狀。

式中μ為液體的動力粘度。

泥漿動力粘度μm與水的動力粘度μ0之比稱為相對粘度，它是泥漿體積濃度(Cv)的函數(shù)。

對于非牛頓流體，特別是常見的賓漢體τ為：

式中η為剛度系數(shù)。

對一般泥漿而言，剛度系數(shù)與泥漿的體積濃度、泥漿當中的顆粒大小、泥漿的溫度都有函數(shù)關(guān)系。同樣，相對剛度系數(shù)η/μ0也是泥漿體積濃度(Cv)、細顆粒含量百分數(shù)、顆粒容重和溫度的函數(shù)。

2.6 粘稠度系數(shù)和流動指數(shù)

非牛頓流體是冪律體，其流變議程為:

式中：K為泥漿粘稠度的系數(shù)，K值越大粘稠性越大。n=1為牛頓流體，因此n是表示泥漿偏離牛頓流體的程度，稱為流動指數(shù)，一般n<1。

2.7 泥漿腐蝕率和磨損米勒數(shù)

泥漿腐蝕是一種電化學現(xiàn)象，由于顆粒的存在，特別在含氧的情況下，泥漿的腐蝕率比水大。腐蝕率用每年腐蝕管壁厚的毫米數(shù)表示(mm/a)，也可用每年腐蝕的米勒數(shù)表示(1米勒=0.025 4 mm)。

泥漿中的固體顆粒對輸送設備等有磨損作用。為了給泥漿的磨損性提供一個相對衡量的指示，用測定一個標準金屬塊在泥漿中往復運動后金屬的重量損失量來確定，即用米勒數(shù)Nm來表示。一般認為Nm>50的泥漿具有較大的磨損性。

3 泥漿的流動特性

對于泥漿流動特性的研究，我們主要研究泥漿的過渡流速(臨界流速)，管道的壓力損失。 根據(jù)其流動性的差異，對于均質(zhì)的、非均質(zhì)的泥漿進行了研究。

3.1 均質(zhì)泥漿的流動特性

均質(zhì)體的泥漿有兩種狀態(tài)：一種為牛頓流體，一種為非牛頓流體，一般大部分狀態(tài)為非牛頓流體。

3.2 均質(zhì)性泥漿的判定

用懸浮指數(shù)Z作定量判斷的標準，認為Z≤0.19為均質(zhì)體。

Z=w/kv

式中:w——顆粒沉速；

v——磨阻流速；

k——系數(shù)。

從工程實際可操作性出發(fā)，瓦斯普等將管道截面上的濃度變化值作為一種區(qū)分標準。其內(nèi)容是：在管道界面直徑0.8處的濃度與管道中心的濃度之比值做為衡量的指標，大于0.8為均質(zhì)體泥漿。

3.3 過渡流速

對于大部分的均質(zhì)體為非牛頓流體，管道內(nèi)的流速與其壓力損失為函數(shù)關(guān)系。當管道內(nèi)的平均流速比較高時，管內(nèi)的流體狀態(tài)為紊流狀態(tài)，其流阻與管內(nèi)平均流速的1.75～2.00成正比；當管內(nèi)的平均流速比較低時，管內(nèi)的流體狀態(tài)為層流，其流阻與管內(nèi)的平均流速的一次方成正比。從層流變?yōu)槲闪鞯倪@一臨界點的流速就叫做粘性過渡流速。其計算方法會因流體的差異、雷諾數(shù)表達形式的差異，而有所不同。

3.4 磨阻損失

均質(zhì)泥漿的在管道中因流速的差異，分為紊流與層流，兩種不同的流動狀態(tài)在管道中的磨阻損失差異比較大，因而研究方法也有差異。

3.4.1 層流磨阻損失

3.4.1.1 賓漢體

對賓漢體而言，其簡化后的方程式為：

3.4.1.2 冪律體

泥漿的有效粘度μe與雷諾數(shù)Re3的關(guān)系如下：

3.4.2 紊流的磨阻損失

3.4.2.1 賓漢體

在泥漿的光滑過渡區(qū)，假定為布拉休斯型，其公式如下：

式中:A1——系數(shù)，取A1=0.18；

B——指數(shù)，取B=0.167；

Re——定義同前。

通過大量的數(shù)據(jù)測試，我們以剛度系數(shù)來確定雷諾數(shù)，在泥漿的過渡狀態(tài)及紊流狀態(tài)下，前面的f值均與雷諾數(shù)有對應的關(guān)系，并且牛頓流體的值大于賓漢體的值。在初步估算時，可取牛頓流體的穆苗圖上的f值乘以0.85或0.9作為修正值。

3.4.2.2 冪律體

在上式中，m與A1,B1的變化關(guān)系如表3所示。

表3 A1、B1與m的關(guān)系

當m=1.0時即為清水，此時A1=0.079，B1=0.25。

3.5 非均質(zhì)性泥漿的區(qū)分

根據(jù)流動環(huán)境的不同，我們把非均質(zhì)體泥漿看做偽均質(zhì)體泥漿來進行研究。在工程實例當中，金屬礦精礦泥漿和尾礦泥漿屬于這種情況。

在工程實際當中，我們更多采用托馬斯和查里斯理論。這個理論能更好的解決實際工程當中環(huán)境的影響，其方法與實際測試的結(jié)果比較相近。其理論為：采用兩個參數(shù)作為研究對象，泥漿中的固體顆粒沉降速度、輸漿管道當中的磨阻流速，并用兩個參數(shù)的比值作為一個數(shù)據(jù)來進行對比。

瓦斯普等仿照均質(zhì)性判定標準，仍采用濃度比C/CA≤0.1為非均質(zhì)泥漿。同樣ZC≈C/CA=10 。

在目前的工程設計中，輸送管道的泥漿固體顆粒必須達到C/CA≥0.5～0.6，將此數(shù)字作為設計標準之一。

3.6 臨界(沉積)流速

在泥漿的輸送過程中，一方面需要將管道內(nèi)的流速降到最低，節(jié)能節(jié)電；一方面泥漿在輸送過程中不能沉淀或泥漿當中固體顆粒盡可能在管道的下部沉淀磨擦管道。因此引入一個臨界流速滿足以上兩方面的功能，在輸送當中固體顆粒保持懸浮而不沉淀，一般在工程實際運行當中實際流速要稍高于臨界流速，以達到實際工程的要求。 對于不同的泥漿有不同的臨界流速，對于不同的工況有不同的臨界流速。影響臨界速度有內(nèi)部的因素，也有外部的因素。內(nèi)部因素有：固體顆粒的容重，固體顆粒的大小，泥漿靜止沉淀的速度，固體顆粒的形狀系數(shù)，泥漿的濃度，泥漿的臨界流速，泥漿的粘度，泥漿的最大沉淀濃度，泥漿的化學性質(zhì)等多種因素；外部因素有：管道的通徑，管道內(nèi)徑的粗糙度等因素。

在一般的臨界流速計算中，建立數(shù)學模型的方法為量綱分析法、經(jīng)驗和半經(jīng)驗驗證法。

在工程設計中，我們最常采用杜蘭德公式，如下式所示：

式中F為—常數(shù)(此數(shù)值與泥漿的體積濃度、泥漿的固體顆粒的平均直徑均有關(guān)系) 。

式中FL為常數(shù)(此數(shù)值與泥漿的體積濃度有關(guān))，上公式也叫瓦斯普公式。

3.7 磨阻損失

在工程實際應用中，我們將非均質(zhì)泥漿的磨阻損失作為研究對象。經(jīng)過實驗驗證，管道的磨阻損失與泥漿的流速具有一定的關(guān)系。在大部分工程實例中，都是水-固混合的泥漿，在高、中、低流速下，泥漿會呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，并且管道的磨阻損失的坡降線差別非常大(磨阻損失坡降線都以水作為參照)。有的磨阻損失與清水的平行，有的呈下降為緩，有的呈上升趨勢坡降線。

在工程實際應用中，由3種不同的環(huán)境計算泥漿輸送管道的磨阻損失坡降。

3.7.1 均勻粒級組成的非均質(zhì)泥漿

在工程實際應用中，泥漿管道的磨阻損失坡降，先計算同類型清水的磨阻損失坡降，在加上折合成清水的磨阻坡降。

3.7.2 非均勻粒級組成的非均質(zhì)泥漿

在實際的工程中，泥漿中的固體顆粒非常復雜，從解決問題的角度出發(fā)，為了簡單化計算泥漿的磨阻坡降，我們假定固體顆粒為均勻的，其參數(shù)均可代表非均勻的固體顆粒的粒徑，或表征其固體顆粒的特性。

3.7.3 泥漿中固體顆粒直徑級別較大的非均質(zhì)泥漿

在輸送的泥漿當中，有些泥漿中細顆粒比較多(325目)，這部分顆粒與水形成一種混合體，呈現(xiàn)出均勻的偽均質(zhì)體，這部分在實際工程上也稱作“載體”。由于泥漿中固體顆粒直徑級別較大，這部分泥漿又與直徑比較大的固體顆粒形成非均質(zhì)體泥漿，這種狀態(tài)叫做“復合系統(tǒng)”。

在工程實際應用中，用瓦斯普的疊加法來計算“復合系統(tǒng)”的磨阻損失坡降。 先計算偽均質(zhì)體的磨阻損失，再計算非均質(zhì)體泥漿的磨阻損失，對兩部分進行疊加，所得的數(shù)值即為“復合系統(tǒng)”的磨阻損失坡降。

在計算磨阻損失坡降中，要進行多次假設，多次驗算才能獲取最佳的實際數(shù)值，同時又要對各種泥漿進行分類，按照不同的方法進行試算。

4 結(jié)語

在實際工程應用中，影響泥漿輸送的因素很多，但要對某種泥漿進行輸送時，就要對輸送的工況做出細致的分析。根據(jù)輸送漿體的濃度、容重、流動性能來選擇合適的泵型進行初輸送，再根據(jù)輸送泥漿的臨界速度，確定管道合適的管徑，根據(jù)泥漿對輸送管道的磨損或腐蝕來確定管道的材質(zhì)或壁厚，根據(jù)泥漿對管道的阻力損失，來確定輸送系統(tǒng)的管道損失，由起始壓力到輸送距離的壓降最后確定系統(tǒng)的最大壓力，從而確定系統(tǒng)的所需功率。在對一個輸送系統(tǒng)進行設計時，不同的泥漿的輸送方式可能會差別比較大。在日益專業(yè)化的設備使用的大背景下，追求最經(jīng)濟的運行成本，最小的投資，最少設備管理人員，這將是檢驗輸送系統(tǒng)設計的最優(yōu)化的根本。只有對輸送系統(tǒng)所要輸送泥漿的各種物理指標，流動性，化學指標進行詳致的研究，才能設計出合適的泥漿輸送系統(tǒng)。