甕福中低品味磷精礦漿管道輸送系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

陳潔　李馬鎖

摘 要：甕福集團(tuán)針對(duì)磷礦石品位較低，大量資源不能利用的現(xiàn)狀，為提高資源利用率，投資7億元進(jìn)行了中低品位磷礦石的擴(kuò)建工程，其中新建磷精礦管道輸送系統(tǒng)，將磷精礦漿從新龍壩選礦廠輸送至馬場(chǎng)坪工業(yè)場(chǎng)地，輸送距離46.9km。文章主要介紹了磷精礦漿管道系統(tǒng)的輸送工藝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到實(shí)際生產(chǎn)中不可避免的產(chǎn)量波動(dòng)，設(shè)計(jì)背壓可調(diào)的消能站實(shí)現(xiàn)流量多級(jí)調(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)泵速和消能站中消能孔板組合的運(yùn)行模式，礦漿可控制在最低能耗下輸送，生產(chǎn)靈活性較高，噸礦運(yùn)輸成本大幅降低，由原來(lái)的0.2元/噸·公里降低到0.1元/噸·公里，經(jīng)濟(jì)效益顯著。新管道系統(tǒng)于2013年5月成功投產(chǎn)使用，技術(shù)裝備和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

關(guān)鍵詞：磷精礦；漿體管道輸送；沉積流速；過(guò)渡流速；水力高程線

前言

凡是能制作成漿的物料均可以用管道進(jìn)行輸送，即水力管道輸送技術(shù)。該技術(shù)是進(jìn)行大宗能源物料運(yùn)輸?shù)木G色環(huán)保專(zhuān)業(yè)技術(shù)，在節(jié)能環(huán)保方面有零排放、無(wú)污染、無(wú)噪音、直埋地下，不破壞當(dāng)?shù)刈匀?、人文景觀和居民環(huán)境，地上還可以綠化、恢復(fù)原生態(tài)，受天氣變化影響小，利用地形落差來(lái)進(jìn)行輸送等方面的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于邊遠(yuǎn)地區(qū)、距離終端用戶較遠(yuǎn)、運(yùn)輸量較大的礦山企業(yè)，礦產(chǎn)品管道運(yùn)輸方式在經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)境影響等方面比傳統(tǒng)的公路、鐵路運(yùn)輸具有明顯優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于金屬礦山和非金屬礦山生產(chǎn)的各種精礦、尾礦、煤碳等能源的輸送。

1995年甕福集團(tuán)建成了中國(guó)第1條長(zhǎng)距離磷精礦漿管道輸送系統(tǒng)，輸送距離46.7km，輸送管道外徑229mm，設(shè)計(jì)年輸送磷精礦干基190萬(wàn)噸～210萬(wàn)噸。2008年建成平行的回水管道，將終端磷肥廠的廢酸水送回到首端選礦廠循環(huán)使用，使整個(gè)企業(yè)做到廢水零排放。

甕福礦區(qū)磷礦石地質(zhì)儲(chǔ)量8.2億噸，平均品位25%，約有50%的資源不能利用。為提高資源綜合利用率，2011年甕福集團(tuán)開(kāi)展了中低品位磷礦綜合利用項(xiàng)目，總投資7億元，包括中低品位磷礦選礦擴(kuò)建及尾礦庫(kù)、新建磷精礦管道輸送系統(tǒng)、磷精礦壓濾脫水系統(tǒng)。

文章主要介紹了磷精礦漿管道系統(tǒng)的輸送工藝設(shè)計(jì)，以設(shè)計(jì)依據(jù)為前提，確定合理的設(shè)計(jì)原則，充分評(píng)估并利用現(xiàn)有管道系統(tǒng)，在開(kāi)展磷精礦漿可輸送性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定安全流速、設(shè)計(jì)管道規(guī)格、水力高程線、泵送能力及輸送系統(tǒng)。設(shè)計(jì)新建的磷精礦管道輸送系統(tǒng)最大輸送量520萬(wàn)噸/年，實(shí)現(xiàn)新建與現(xiàn)有管道一起達(dá)到輸送磷精礦干基660萬(wàn)噸/年，極大地節(jié)省了投資成本。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）最大輸送礦石量：660萬(wàn)噸/年；

（2）運(yùn)行時(shí)間：330天/年，7920小時(shí)/年；

（3）輸送濃度（質(zhì)量含固量）：62%±2%；

（4）管道設(shè)計(jì)壽命：30年；

（5）管線路由：新龍壩選礦廠現(xiàn)有隔膜泵站至馬場(chǎng)坪工業(yè)場(chǎng)地，全長(zhǎng)46.9km，地形起伏較大。

2 設(shè)計(jì)原則

現(xiàn)有磷精礦漿管道輸送系統(tǒng)年可輸送精礦干基190萬(wàn)～210萬(wàn)噸，經(jīng)對(duì)該管道的使用壽命評(píng)估后，按照年輸送精礦干基200萬(wàn)噸計(jì)算，還可繼續(xù)使用20年。因此，新管道的設(shè)計(jì)時(shí)，充分利用現(xiàn)有管道系統(tǒng)，以降低投資成本。

（1）現(xiàn)有管道系統(tǒng)聯(lián)合進(jìn)行輸送，兩條管道的設(shè)計(jì)輸漿能力如下：

現(xiàn)有老礦漿管道：精礦干基200萬(wàn)噸/年；

新建礦漿管道：精礦干基460萬(wàn)噸/年；

新老管道一起達(dá)到660萬(wàn)噸/年。

（2）現(xiàn)有管道系統(tǒng)主泵做為新建管道系統(tǒng)主泵的備用泵，新建管道系統(tǒng)不設(shè)備用泵?？稍诂F(xiàn)有管道出口和新建管道泵房出口設(shè)連通管和隔離閥，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)有管道系統(tǒng)的電氣與自控部分進(jìn)行相應(yīng)改造，使其具有此功能。既可節(jié)省投資、節(jié)省場(chǎng)地，還可盤(pán)活原有資產(chǎn)。

3 輸送工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 礦漿可輸送性試驗(yàn)

首先對(duì)采樣的待輸送磷精礦漿進(jìn)行可輸送性試驗(yàn)[1]，包括如下內(nèi)容：

（1）輸送特性評(píng)估試驗(yàn)。固體比重實(shí)驗(yàn)、粒級(jí)分布實(shí)驗(yàn)、礦漿流變實(shí)驗(yàn)（3個(gè)濃度水平），用于確定泵壓和管道最小壁厚。（2）停車(chē)再啟動(dòng)特性評(píng)估試驗(yàn)。沉降實(shí)驗(yàn)、安息坡度實(shí)驗(yàn)、沉積穿透重實(shí)驗(yàn)，用于確定管線最大容許坡度和停車(chē)再啟動(dòng)可行性。（3）磨蝕性評(píng)估試驗(yàn)。礦樣對(duì)鋼管的磨蝕率實(shí)驗(yàn)，用于確定管道壁厚裕量。

3.2 工藝參數(shù)確定

3.2.1 安全流速。為保證正常安全輸送，輸送流速應(yīng)大于或等于臨界沉積流速和過(guò)渡流速中的較高值，稱(chēng)之為安全流速[2]。

3.2.2 過(guò)渡流速。由層流狀態(tài)到紊流狀態(tài)的過(guò)渡流速是礦漿粘度和礦漿屈服應(yīng)力的函數(shù)。因粘度和初始屈服應(yīng)力又是濃度的函數(shù)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合漢克斯公式，建立過(guò)渡流速和礦漿濃度的關(guān)系。圖2是過(guò)渡流速和磷精礦漿濃度的曲線關(guān)系。當(dāng)?shù)V漿濃度為64%時(shí)，只要流速超過(guò)1.15m/s，礦漿即進(jìn)入紊流狀態(tài)。

3.2.3 臨界沉積流速。臨界沉積流速為固體顆粒在輸送中保持懸浮狀態(tài)而不產(chǎn)生滑動(dòng)層和淤積層的最低流速。一般運(yùn)行流速都應(yīng)高于臨界流速，以保證管道長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)漿體的穩(wěn)定性，并保證管底不發(fā)生嚴(yán)重磨蝕。影響臨界沉積流速的因素有固料比重、粒級(jí)分布、顆粒沉降系數(shù)和漿體濃度等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合沉積流速計(jì)算公式，建立沉積流速與濃度的關(guān)系。圖1是磷精礦漿臨界沉積流速與濃度的曲線關(guān)系。漿體濃度在62%-64%時(shí)，臨界沉積流速為1.8m/s。

3.2.4 安全流速

通過(guò)圖1及圖2可以判斷，安全流速應(yīng)取臨界沉積流速和過(guò)渡流速中的較高值1.8m/s。

3.2.5 管道規(guī)格

結(jié)合安全流速，選定管道外徑14 （356mm），能夠滿足輸送能力460-520萬(wàn)噸/年的設(shè)計(jì)要求。壁厚9.5mm～14.3mm，可滿足管道承壓及服務(wù)年限30年的設(shè)計(jì)要求。

3.2.6 泵送能力

管道設(shè)計(jì)輸漿能力：

老礦漿管道：200萬(wàn)噸/年；

新建礦漿管道：460-520萬(wàn)噸/年；

新老礦漿管道一起達(dá)到660萬(wàn)噸/年。

根據(jù)以上工況要求，新建礦漿管道輸送泵選型如下：

主泵：隔膜泵，4MPa出口壓力，350m3/h流量，2臺(tái)并聯(lián)工作，采用現(xiàn)有老礦漿管道系統(tǒng)老主泵做為備用泵；

喂料泵：離心泵，620m3/h流量，50m揚(yáng)程，2臺(tái)并聯(lián)，1用1備。

新建礦漿管道年輸送磷精礦流量550-620m3/h。

4 輸送工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新建磷精礦漿管道系統(tǒng)，起點(diǎn)在選礦廠新儲(chǔ)漿罐，終點(diǎn)在磷肥廠儲(chǔ)漿罐，主要包括新喂料泵、新主泵、輸送管道和消能站，如圖3所示。

濃縮后的磷精礦漿排入選礦廠的2個(gè)新儲(chǔ)漿罐緩沖流量波動(dòng)，通過(guò)新喂料泵向新主泵喂料，經(jīng)過(guò)新主泵加壓后進(jìn)入管道進(jìn)行泵送，泵送至終端后，高壓礦漿先經(jīng)過(guò)消能站進(jìn)行減壓，再進(jìn)入磷肥廠儲(chǔ)漿罐。

4.1 儲(chǔ)漿罐

管道首端現(xiàn)有2個(gè)選礦廠老儲(chǔ)漿罐，新建2個(gè)儲(chǔ)漿罐，共4個(gè)儲(chǔ)漿罐，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，2個(gè)老儲(chǔ)漿罐空置備用，2個(gè)新儲(chǔ)漿罐滿漿待送。終端磷肥廠現(xiàn)有2個(gè)儲(chǔ)漿罐，新建3個(gè)，共5個(gè)儲(chǔ)漿罐。每個(gè)儲(chǔ)漿罐有效容積為2000m3。

儲(chǔ)漿罐具有如下功能：

穩(wěn)定作用：

儲(chǔ)漿罐吸收選廠生產(chǎn)量和礦漿濃度的波動(dòng)，使管道系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，減少水擊發(fā)生頻率和強(qiáng)度，減少消能站閥門(mén)關(guān)啟的頻率和閥芯磨損，延長(zhǎng)其壽命。

隔離作用：

一個(gè)系統(tǒng)的事故不會(huì)馬上波及另一系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)終端磷肥廠或管道發(fā)生事故停車(chē)時(shí)，首端選礦廠的2個(gè)空罐可使選廠在6-8個(gè)小時(shí)內(nèi)繼續(xù)生產(chǎn)，不需要停車(chē)。當(dāng)首端選礦廠發(fā)生事故停車(chē)時(shí)，選礦廠的2個(gè)滿罐可繼續(xù)供漿，使終端磷肥廠在8個(gè)小時(shí)內(nèi)繼續(xù)生產(chǎn)，不需要停車(chē)。

降氧作用：

滿罐可使罐內(nèi)漿體中的小氣泡有時(shí)間浮出液面，減少進(jìn)入管道的游離氧的含量，從而減小管道的內(nèi)腐蝕。

4.2 消能站

管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了今后生產(chǎn)中不可避免的產(chǎn)量波動(dòng)，采用通過(guò)調(diào)節(jié)泵速和消能孔板組合的操作模式達(dá)到輸送能耗最低。當(dāng)管道系統(tǒng)需要執(zhí)行不同的輸送計(jì)劃時(shí)，管道流量變化需要不同的消能孔孔板組合來(lái)調(diào)節(jié)，提供合適的管道背壓，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不滿管流。新管道的5km及35km處是兩個(gè)高點(diǎn)，下游地形總體坡度大于水力坡度。當(dāng)管道輸送流量不足時(shí)，高點(diǎn)到下游會(huì)產(chǎn)生不滿管流。礦漿在不滿管流區(qū)半管流動(dòng)，并形成真空，會(huì)引發(fā)汽蝕并快速磨損。

因此，在管道終端安裝消能孔板，設(shè)置消能站，在低流量時(shí)，增加消能站阻力，使高點(diǎn)不發(fā)生不滿管流。在高流量時(shí)，減小消能站阻力，使泵能耗達(dá)到最低。為達(dá)到該目的，設(shè)計(jì)消能站由3個(gè)帶有消能孔板的消能環(huán)管組成。在不同流量下選擇不同的環(huán)管組合，可實(shí)現(xiàn)8級(jí)調(diào)節(jié)與流量匹配。消能站組成示意圖見(jiàn)圖4所示。

消能站設(shè)計(jì)了超壓保護(hù)裝置——固定爆破壓力的爆破片，防止精礦漿管道以及消能站內(nèi)的管路設(shè)備發(fā)生過(guò)壓破壞。如有超過(guò)設(shè)計(jì)范圍的高壓導(dǎo)致爆破片破裂后，礦漿將沿爆破支路排至儲(chǔ)漿罐，同時(shí)爆破片的動(dòng)作信號(hào)傳到控制室報(bào)警。

消能站設(shè)計(jì)有3個(gè)出料口：1個(gè)用于將正常來(lái)流，即磷精礦漿導(dǎo)入儲(chǔ)漿罐；1個(gè)用于將非正常來(lái)流時(shí)，主要是水或水漿混合物，排入回水池；還有1個(gè)用于爆破支路，當(dāng)爆破片破裂后，管內(nèi)礦漿沿爆破管路導(dǎo)入儲(chǔ)漿罐。

5 結(jié)束語(yǔ)

新建磷精礦漿管道輸送系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有老礦漿管道系統(tǒng)，大大降低了系統(tǒng)投資，背壓可調(diào)的消能站實(shí)現(xiàn)了輸送流量多級(jí)調(diào)節(jié)，生產(chǎn)靈活性高，可適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)中的產(chǎn)量波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)礦漿在最低能耗下輸送，噸礦運(yùn)輸成本大幅降低，為甕福集團(tuán)中低品位磷礦石資源的開(kāi)發(fā)利用有效解決了能源輸送問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

相比于傳統(tǒng)運(yùn)輸，管道運(yùn)輸不僅符合國(guó)家實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略規(guī)劃，具有高效、低成本、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，也是開(kāi)發(fā)邊遠(yuǎn)山區(qū)礦產(chǎn)資源、緩解鐵路公路運(yùn)輸緊張狀況、解決精礦外運(yùn)和尾礦排放的有效方法。

參考文獻(xiàn)

[1]E.J. Wasp.固體物料的漿體管道輸送[M].黃委會(huì)水科所，譯.水利出版社，1980.

[2]沈仲棠.非牛頓流體力學(xué)及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，1989.

作者簡(jiǎn)介：陳潔（1977，8-），女，籍貫河南洛陽(yáng)，博士，高級(jí)工程師，主要從事漿體及膏體管道輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。