深海礦石輸送設(shè)備工作性能

徐海良，饒星，楊放瓊

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083；2.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410083)

深海蘊(yùn)藏著極為豐富的礦產(chǎn)資源，其中最具開采價(jià)值的是錳結(jié)核、富鈷結(jié)核以及多金屬硫化物等。一些發(fā)達(dá)國家對(duì)深海礦石開采技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，普遍認(rèn)為清水泵水力管道提升系統(tǒng)最具工業(yè)應(yīng)用前景[1-3]。LIU 等[4]與印度聯(lián)合研制了1 臺(tái)清水泵礦石輸送設(shè)備，并在海底500 m采礦系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得成功；法國大洋結(jié)核研究開發(fā)協(xié)會(huì)生產(chǎn)了一套清水泵水力管道提升系統(tǒng)，其生產(chǎn)能力達(dá)到600 t/h[5]；ASEAPTY公司設(shè)計(jì)了1臺(tái)輸送管徑為250 mm的清水泵水力管道輸送設(shè)備用于煤炭運(yùn)輸，輸送能力為300 t/h[6]；楊放瓊等[7]根據(jù)水力輸送原理研制了1 種閥控式清水泵礦石水力輸送設(shè)備，該礦石水力輸送設(shè)備具有揚(yáng)程高、輸送效率高、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，通過試驗(yàn)取得了較好效果，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)一些問題，如當(dāng)流入礦石水力輸送設(shè)備的流量過大時(shí)，礦石顆粒不能有效地從分離器流入儲(chǔ)料罐內(nèi)，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，部分礦石顆粒也會(huì)隨海水流出輸送設(shè)備外?？紤]到深海礦石輸送設(shè)備工作性能研究的重要性，本文作者采用雙歐拉模型和RNGk-ε湍流模型，運(yùn)用Fluent流體分析軟件對(duì)礦石顆粒流入儲(chǔ)料罐的過程進(jìn)行仿真研究，分析進(jìn)料流量、顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒粒徑和活塞行程對(duì)礦石顆粒流入儲(chǔ)料罐的效率及礦漿分離效率的影響規(guī)律，以便為該礦石輸送設(shè)備的正常高效工作提供合理的設(shè)計(jì)參數(shù)和工作參數(shù)范圍。

1 基本原理

圖1所示為閥控式清水泵礦石水力輸送設(shè)備原理圖。礦石水力輸送設(shè)備的工作原理為：礦石輸送設(shè)備在工作前，先關(guān)閉電動(dòng)閥1、電動(dòng)閥2和電動(dòng)閥3，然后啟動(dòng)清水泵，海水經(jīng)處于右位工作狀態(tài)下的電磁換向閥進(jìn)入液壓缸上腔，使鐘閥活塞打開。從采礦車輸送上來的礦漿由進(jìn)料管流入到分離器內(nèi)，礦石在自身重力和慣性力作用下從分離器底部進(jìn)入儲(chǔ)料罐，并在罐底堆積一定時(shí)間，與此同時(shí)，罐內(nèi)的海水從分離器出口溢出；當(dāng)?shù)V石顆粒在儲(chǔ)料罐堆積到設(shè)定高度時(shí)，鐘閥活塞關(guān)閉，打開電動(dòng)閥1、電動(dòng)閥2 和電動(dòng)閥3；礦石顆粒在自身重力、噴射管海水的沖擊力以及文丘里管所產(chǎn)生的卷吸力作用下與海水混合形成礦漿流，被揚(yáng)送到海面采礦船上。

2 數(shù)值模擬基礎(chǔ)

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

圖1 閥控式清水泵礦石水力輸送設(shè)備原理圖Fig.1 Schematic diagram of valve-controlled hydraulic conveying equipment of deep-sea ore

依照中國大洋協(xié)會(huì)擬定的1 km 海試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求以及徐海良等[8-10]研究工作，設(shè)計(jì)一套閥控式清水泵礦石水力輸送設(shè)備。根據(jù)所要研究的問題及過程，對(duì)礦石輸送設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，得到由分離器、鐘閥和儲(chǔ)料罐組成的物理模型，并選取中間對(duì)稱截面，見圖2。仿真模型主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

表1 礦石輸送設(shè)備主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Main structural parameters of ore conveying equipment

網(wǎng)格劃分方法和網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果有很大影響[11]。本文利用ICEM CFD 網(wǎng)格劃分軟件對(duì)礦石輸送設(shè)備三維模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格模型如圖2所示?？紤]到仿真計(jì)算時(shí)間和精度，以礦石儲(chǔ)集效率和礦漿分離效率為檢驗(yàn)指標(biāo)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)不低于1.596×106個(gè)時(shí)，仿真模擬得到的礦漿分離效率和礦石儲(chǔ)集效率相對(duì)變化均小于2%，在可接受范圍內(nèi)，說明網(wǎng)格劃分合適。

2.2 數(shù)學(xué)模型

礦石輸送設(shè)備內(nèi)的固液流態(tài)屬于湍流流動(dòng)，為了得到連續(xù)相和離散相比較真實(shí)的流動(dòng)特征，采用雙歐拉模型，將離散的固相視作擬流體，使之具有與液相相同的動(dòng)力學(xué)特性[12-13]。不考慮相間熱交換和質(zhì)量交換，礦石輸送設(shè)備內(nèi)固液兩相流動(dòng)控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及湍流方程[14-16]。

2.2.1 液相控制方程

在直角坐標(biāo)系下，固-液兩相湍流的液相連續(xù)性方程為

液相動(dòng)量方程為

式中：φv為固相體積分?jǐn)?shù)；u1為液相速度矢量；ρ1為液相密度；τ1為液相所受的應(yīng)力張量；F1為液相單位質(zhì)量的外力；M1為相間作用力；P為等效應(yīng)力。

深海礦石輸送設(shè)備內(nèi)液相采用RNGk-ε湍流模型，該模型基于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)得出，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，RNGk-ε模型在更廣泛、復(fù)雜的流動(dòng)中能表現(xiàn)出更強(qiáng)的適應(yīng)性，具有更高的精度和可信度。具體的湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε的運(yùn)輸方程見文獻(xiàn)[17-18]。

2.2.2 固相控制方程

固相連續(xù)方程為

固相動(dòng)量方程為

式中：us為固相速度矢量；ρs為固相密度；τs為固相所受的應(yīng)力張量；Fs為固相單位質(zhì)量的外力；Ms為相間作用力。

2.3 邊界條件

1) 進(jìn)口條件：進(jìn)口邊界設(shè)為速度入口，假設(shè)入口為均勻來流，固液兩相速度根據(jù)流量和閥門開口度確定，方向垂直于進(jìn)口邊界面。

2)出口條件：定義礦漿出口為自由出流邊界。

3)壁面：采用無滑移壁面邊界。

3 礦石輸送設(shè)備工作性能

進(jìn)口流量、顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒粒徑和活塞行程對(duì)礦石輸送設(shè)備的工作性能有直接影響，輸送設(shè)備的工作性能直接決定著海底礦石開采和管道輸送效率。分析以上參數(shù)變化對(duì)礦石輸送設(shè)備工作性能的影響，對(duì)于輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)和入口流體特性參數(shù)的確定具有重要意義。

3.1 礦石輸送設(shè)備工作性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

深海礦石水力輸送設(shè)備在工作過程中，海底集礦車采集的礦石顆粒先通過給料機(jī)和單級(jí)Warman 砂礫泵輸送到分離器內(nèi)。一方面，隨著進(jìn)料時(shí)間增加，部分礦石顆粒能夠順利通過分離器進(jìn)入儲(chǔ)料罐，并在罐底堆積，小部分礦石顆粒則從分離器流入儲(chǔ)料罐時(shí)在分離器底部形成堆積堵塞，造成單位時(shí)間內(nèi)流入儲(chǔ)料罐的礦石質(zhì)量小于從進(jìn)料管流入分離器的礦石質(zhì)量；另一方面，還有小部分礦石顆粒則隨海水溢出分離器外。礦石顆粒流入儲(chǔ)料罐內(nèi)的速度及礦漿分離效率都會(huì)影響礦石輸送設(shè)備的工作時(shí)間，從而影響生產(chǎn)能力，因此，本文自定義礦漿分離效率η(即海水溢流口礦石顆粒的流出百分率)和礦石儲(chǔ)集效率γ(即礦石顆粒從分離器流入儲(chǔ)料罐的效率)作為評(píng)價(jià)礦石水力輸送設(shè)備工作性能的指標(biāo)。η和γ越接近100%，說明流入的礦石顆粒越能夠順利地從分離器進(jìn)入儲(chǔ)料罐，海水越不容易溢出分離器，礦石輸送設(shè)備的工作性能也越好。自定義評(píng)價(jià)指標(biāo)的表達(dá)式為：

式中：Mout為流出溢流口礦石顆粒總質(zhì)量，kg；Min為流進(jìn)設(shè)備內(nèi)礦石顆?？傎|(zhì)量，kg；Qc為儲(chǔ)料罐入口截面礦石顆粒的時(shí)均流量，kg/s；Qin為進(jìn)料管入口處礦石顆粒的時(shí)均流量，kg/s。

3.2 進(jìn)料流量對(duì)礦石輸送設(shè)備工作性能的影響

圖3 不同入口參數(shù)和活塞行程下進(jìn)料流量與礦石輸送設(shè)備工作性能的關(guān)系Fig.3 Relationship between feed flow rate and performance of ore conveying equipment under different inlet parameters and piston strokes

為了研究進(jìn)口流量的影響規(guī)律是否具有普遍性，本文設(shè)定其變化范圍為160～320 m3/h，并選擇4種不同參數(shù)的組合，根據(jù)大洋多金屬結(jié)核中試采礦系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)選取礦石輸送設(shè)備的1 個(gè)工作周期時(shí)間為8 min[19]進(jìn)行仿真模擬計(jì)算(以下所有計(jì)算值都是基于流程時(shí)間為8 min所得)。不同入口參數(shù)和活塞行程下進(jìn)料流量與礦石輸送設(shè)備工作性能的關(guān)系見圖3。由圖3可知：雖然不同入口參數(shù)和活塞行程對(duì)礦漿分離效率和礦石儲(chǔ)集效率的影響程度較大，但各組參數(shù)所對(duì)應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)基本相同，其規(guī)律表現(xiàn)為礦漿分離效率隨著進(jìn)料流量的增加基本上呈線性減少，進(jìn)料流量每減少50 m3/h，礦漿分離效率減少2.7%左右。礦石儲(chǔ)集效率隨著進(jìn)料流量增加大致呈拋物線形式下降。這主要是因?yàn)椋阂环矫妫S著進(jìn)料流量增加，入口處固液兩相流的速度變大，使分離器內(nèi)海水速度場(chǎng)變得更加紊亂，礦石顆粒受到的拖拽力增強(qiáng)，同時(shí)在自身慣性力作用下，海水溢出攜帶的礦石量隨之增加，導(dǎo)致礦漿分離效率下降；另一方面，隨著進(jìn)料流量增加，單位時(shí)間流入分離器的礦石量增加，礦石與礦石之間、礦石與分離器內(nèi)壁間碰撞概率增加，顆粒之間相互擠壓容易堵塞儲(chǔ)料罐進(jìn)口，導(dǎo)致礦石儲(chǔ)集效率下降?？傮w來說，礦石輸送設(shè)備可以通過減小進(jìn)料流量的方法來增加礦漿分離效率和礦石儲(chǔ)集效率，即提高礦石輸送設(shè)備的工作性能，同時(shí)考慮到過分減小進(jìn)料流量會(huì)使礦石產(chǎn)能過小，初步選擇進(jìn)料流量為220～240 m3/h。

從圖3還可以看出：當(dāng)?shù)V石體積分?jǐn)?shù)相同而顆粒粒徑和活塞行程不同時(shí)，礦漿分離效率和礦石儲(chǔ)集效率的差值分別為3.7%左右和2.3%～4.2%；而當(dāng)?shù)V石體積分?jǐn)?shù)不同而顆粒粒徑和活塞行程相同時(shí)，礦漿分離效率的差值小于1.5%，礦石儲(chǔ)集效率的差值不超過2%。這說明與顆粒體積分?jǐn)?shù)相比，顆粒粒徑和活塞行程對(duì)礦石輸送設(shè)備工作性能的影響更大。

3.3 顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)礦石輸送設(shè)備工作性能的影響

根據(jù)前面分析，選擇進(jìn)料流量為240 m3/h，顆粒粒徑和活塞行程的組合分別如下：顆粒粒徑為10 mm，活塞行程為420 mm；顆粒粒徑為15 mm，活塞行程為440 mm；顆粒粒徑為20 mm，活塞行程為460 mm。研究這3種情況下，顆粒體積分?jǐn)?shù)在8%～24%范圍內(nèi)變化時(shí)礦石輸送設(shè)備的工作性能，結(jié)果見圖4。分析圖4可知：在這3 種工況下，礦漿分離效率隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增加而減小，而礦石儲(chǔ)集效率隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即存在1個(gè)最優(yōu)顆粒體積分?jǐn)?shù)。這是因?yàn)樵谳^小顆粒體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增加，漿體密度增加，顆粒與流體之間的曳力起主導(dǎo)作用，使顆粒能夠緩慢、平穩(wěn)地從分離器進(jìn)入儲(chǔ)料罐，同時(shí)，隨海水流出的礦石顆粒也相應(yīng)減少；當(dāng)?shù)V石顆粒體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時(shí)，同等體積下礦石顆粒數(shù)量增多，顆粒之間以及顆粒與分離器內(nèi)壁碰撞次數(shù)和范圍明顯增加，使得聚集在分離器出口的礦石顆粒數(shù)量越來越多，造成一定程度的堵塞，導(dǎo)致礦石輸送設(shè)備的工作性能越來越差。從圖4還可以看出：隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增加，礦漿分離效率下降值最大為4.72%，說明體積分?jǐn)?shù)對(duì)礦漿分離效率影響較小。

圖4中，礦石儲(chǔ)集效率隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加先增加后減小，效率出現(xiàn)最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的顆粒體積分?jǐn)?shù)稱為最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)。由圖4可以看出：隨著顆粒粒徑和活塞行程增加，最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)也隨之增大，3種工況所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)分別為12%，14%和16%。這是因?yàn)樵谙嗤w粒體積分?jǐn)?shù)下，礦石顆粒粒徑越小，數(shù)量越多，單位時(shí)間內(nèi)碰撞內(nèi)壁次數(shù)增多，顆粒間受擠壓的作用越大，因而聚集在分離器底部的礦石量亦越多，造成堆積堵塞，使得礦石儲(chǔ)集效率越來越小。在實(shí)際工作中，如何選擇入口處顆粒體積分?jǐn)?shù)，要根據(jù)礦石顆粒粒徑等因素確定，合理的顆粒體積分?jǐn)?shù)范圍為12%～16%。

圖4 不同粒徑和活塞行程下顆粒體積分?jǐn)?shù)與礦石輸送設(shè)備工作性能的關(guān)系Fig.4 Relationship between volume fraction and performance of ore conveying equipment under different particle sizes and piston strokes

3.4 顆粒粒徑對(duì)礦石輸送設(shè)備工作性能的影響

在進(jìn)料流量為240 m3/h 及顆粒體積分?jǐn)?shù)為14%的條件下，分別對(duì)活塞行程為400，420和440 mm的固液兩相流進(jìn)行仿真模擬，分析礦石輸送設(shè)備工作性能隨顆粒粒徑的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示(其中，顆粒粒徑在5～40 mm之間變化)。分析圖5可知：礦漿分離效率隨顆粒粒徑的增大不斷增大，當(dāng)粒徑大于25 mm 時(shí)，礦漿分離效率對(duì)礦漿分離效率的影響較小，3 種工況下礦漿分離效率幾乎都趨近于96.22%。這是因?yàn)殡S著顆粒粒徑增大，顆粒的重力作用顯著性增強(qiáng)，相對(duì)于海水的曳力作用來說起主導(dǎo)作用，海水溢出攜帶礦石顆粒十分困難。觀察礦石儲(chǔ)集效率隨顆粒粒徑的變化曲線發(fā)現(xiàn)：隨著顆粒粒徑增大，礦石儲(chǔ)集效率先增大后減小，且這3種工況下礦石儲(chǔ)集效率變化曲線相似。這是因?yàn)楫?dāng)顆粒粒徑小于20 mm時(shí)，隨著顆粒粒徑增大，顆粒在重力和慣性力作用下以比較緩慢的速度沉降，礦石顆粒能夠順利地從分離器流入儲(chǔ)料罐。當(dāng)顆粒粒徑超過20 mm 時(shí)，一方面，粗顆粒的礦石沉降速度增大，顆粒間碰撞概率增加；另一方面，大粒徑礦石通過分離器出口更加困難，導(dǎo)致單位時(shí)間流入儲(chǔ)料罐的礦石量較單位時(shí)間流入分離器的礦石量減少，使得礦石儲(chǔ)集效率整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)?？傮w而言，可以通過輸送破碎后大粒徑的礦石顆粒來提高礦石輸送設(shè)備的工作性能。綜合考慮顆粒粒徑對(duì)礦漿分離效率和礦石儲(chǔ)集效率的影響，在實(shí)際工作過程中，礦石顆粒粒徑選20～25 mm較合理。

圖5 不同活塞行程下顆粒粒徑與礦石輸送設(shè)備工作性能的關(guān)系Fig.5 Relationship between particle size and performance of ore conveying equipment under different piston strokes

3.5 活塞行程對(duì)礦石輸送設(shè)備工作性能的影響

根據(jù)前面分析結(jié)果，選擇進(jìn)料流量為240 m3/h，顆粒體積分?jǐn)?shù)為14%，顆粒粒徑為20 mm，仿真分析活塞行程在360～520 mm 之間變化時(shí)礦石輸送設(shè)備的工作性能，仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6可見：活塞行程增加對(duì)礦漿分離效率的影響并不明顯，只呈現(xiàn)小幅度上升；而當(dāng)活塞行程小于440 mm時(shí)，隨活塞行程增加，礦石儲(chǔ)集效率基本上呈線性上升，這是由于隨著活塞開啟行程增大，礦石顆粒經(jīng)分離器進(jìn)入儲(chǔ)料罐時(shí)，不易在分離器出口附近造成堆積堵塞；當(dāng)活塞行程超過440 mm時(shí)，再增加活塞行程，礦漿分離效率基本不變。在實(shí)際工作中，應(yīng)綜合考量液壓缸的負(fù)載和行程范圍，建議選擇活塞行程范圍為420～440 mm。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)礦石輸送設(shè)備原理圖設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)備，在與長(zhǎng)沙礦冶研究院聯(lián)合搭建的深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的模擬顆粒采用密度與錳結(jié)核相近的結(jié)核代替，給定活塞行程為440 mm，改變不同漿體輸送參數(shù)，通過測(cè)量工作周期內(nèi)流出海水溢流口的礦石量和流入儲(chǔ)料罐的礦石量，然后通過計(jì)算得到礦漿分離效率和礦石儲(chǔ)集效率，與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果如表2所示。從表2可見：整體而言，礦漿分離效率和礦石儲(chǔ)集效率數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，兩者相對(duì)誤差均在9%以內(nèi)，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠較好地驗(yàn)證仿真結(jié)果的可信度。

圖6 活塞行程與礦石輸送設(shè)備工作性能的關(guān)系Fig.6 Relationship between piston stroke and performance of ore conveying equipment

表2 工作性能實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比Table 2 Comparison of experimental values and simulated values of working performance

5 結(jié)論

1) 隨著進(jìn)料流量增加，礦漿分離效率呈線性減少，礦石儲(chǔ)集效率大致以拋物線形式下降；進(jìn)料流量每減少50 m3/h，礦漿分離效率減少2.7%左右。

2)礦漿分離效率隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增大而減小，但總體減小幅度不大；礦石儲(chǔ)集效率隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增加先增加后減小，存在1個(gè)最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)，對(duì)于不同粒徑的顆粒其值也不同，顆粒粒徑越小，最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)也越小，但基本在10%～16%之間。

3) 礦漿分離效率隨著顆粒粒徑增大而增大，當(dāng)顆粒粒徑增大到25 mm 時(shí)，繼續(xù)增大顆粒粒徑，礦漿分離效率上升幅度很??；當(dāng)顆粒粒徑在20 mm 之內(nèi)時(shí)，礦石儲(chǔ)集效率隨顆粒粒徑增大而增大；當(dāng)顆粒粒徑增大到20 mm 后，效率出現(xiàn)大幅度下降。在實(shí)際工作中，建議選擇顆粒粒徑在20～25 mm范圍內(nèi)。

4) 隨著活塞行程增大，礦漿分離效率上升幅度很小，不超過1.5%，說明活塞行程對(duì)礦漿分離效率影響不大；礦石儲(chǔ)集效率隨活塞行程增大出現(xiàn)大幅度上升，當(dāng)活塞行程達(dá)到440 mm再繼續(xù)增大時(shí)，礦石儲(chǔ)集效率上升很小，幾乎不變。

5) 影響礦石輸送設(shè)備工作性能的因素其影響程度從大至小依次為進(jìn)料流量、顆粒粒徑、顆粒體積分?jǐn)?shù)、活塞行程。

6) 礦漿分離效率和礦石儲(chǔ)集效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合，相對(duì)誤差均在9%以內(nèi)，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠較好驗(yàn)證仿真結(jié)果。