大型管輸煤漿攪拌器的選擇和設(shè)計

田達理

(中煤科工集團武漢設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

管輸煤漿攪拌器作為管道輸煤工程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，在煤漿儲存環(huán)節(jié)對維持煤漿的均勻穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。由于煤漿屬于固液兩相流體，固體煤顆粒的比重比水大，靜置時容易發(fā)生沉降，所以，在儲存過程中需要設(shè)置機械式攪拌器，為煤漿提供足夠使固體煤顆粒懸浮的動力，確保儲罐系統(tǒng)的安全，保障整個管道系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

煤炭屬于大宗運輸貨物，管道輸煤工程的規(guī)模一般在每年百萬噸級甚至千萬噸級，其配套的儲漿罐的單座容積往往較大，一般在3000m3以上，有的甚至達到10000m3，屬于大型儲漿罐。

目前，國內(nèi)大型礦漿攪拌器主要是以燃料水煤漿、氣化水煤漿、鐵精礦漿以及磷精礦漿等介質(zhì)為主[1-3]，適用于管道輸煤工程的大型管輸煤漿攪拌器還屬于空白。

攪拌器屬于非標準設(shè)備，由于攪拌目的、工藝要求、物料性質(zhì)，各類攪拌器的型式差別較大[4]。但對于同類物料，攪拌器的詳細參數(shù)主要根據(jù)容器尺寸進行具體調(diào)整，因此對于管輸煤漿而言，攪拌器的型式選擇對于不同容器尺寸均有一定的指導意義。

1 管輸煤漿特性

管輸煤漿是由固體煤顆粒和水組成，無任何添加化學藥劑，是一種固、液兩相混合物。因其黏度較低，受環(huán)境溫度影響較小，因此能采用管道進行紊流狀態(tài)長距離大運量輸送。到達終端后，可根據(jù)用戶要求進行處理，對于燃用粉煤的用戶(如電廠等)，可以采用機械脫水；對于需要直接噴燒水煤漿用戶(如煤化工、直接燃燒水煤漿的發(fā)電鍋爐等)，可以適當脫去部分水，再進一步細磨，滿足直接噴燒的要求[5]。

相較于燃料水煤漿、氣化水煤漿、鐵精礦漿以及磷精礦漿等其他常見礦漿，管輸煤漿具有重量濃度較低、粒度較粗、黏度適中、固體密度和漿體密度均較小等特點，具體指標對比見表1[6-9]。

從漿體儲存攪拌方面看，管輸煤漿的粒度較粗、濃度較低是攪拌器的選擇和設(shè)計需要重點考慮的問題。由于粒度較粗、濃度較低，其沉降速度更快，需要合理選擇動力才能達到既節(jié)能又均勻懸浮的目的，否則可能在儲漿罐內(nèi)發(fā)生“沉槽”事故。

表1 管輸煤漿與其他常見礦漿特性對比

2 儲漿罐尺寸選擇

儲漿罐的功能主要是儲存工藝要求的煤漿容量，對上下游工藝或用戶形成緩沖作用。對于工藝要求的某一具體容量，儲漿罐的尺寸可以有多種形式，以不同高徑比(H∶D)為參考，可以有：①2∶1；②1∶1；③1∶2三種典型型式供設(shè)計選擇。

對于型式①，由于罐體高度較高，罐體側(cè)壁受壓較大，會導致罐體用材增加；由于罐體的直徑較小，罐體占地面積小，單層槳葉的功率也較小。但是，液位底部和頂部相距較大會導致攪拌槳葉層數(shù)增加，攪拌功率反而增加，且上下濃度相差較大，甚至難以滿足工藝要求。對于型式③，則反之，型式②為適中。國內(nèi)大多數(shù)設(shè)計院采取型式②或接近該型式尺寸是目前實際普遍的折中做法。但對于容積大于3000m3的大型儲漿罐及配套攪拌器，筆者建議針對項目的具體情況，綜合考慮占地面積、投資成本、運行成本、同類設(shè)備運行實例、廠家制造能力等因素進行詳細的方案比較，確定最優(yōu)的儲漿罐尺寸。

3 攪拌器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

3.1 安裝型式

管輸煤漿的攪拌屬于無特殊要求的容器攪拌作業(yè)，故采用中心頂入式安裝。

3.2 槳葉型式

攪拌器的槳葉型式直接決定了攪拌效果是否可以滿足工藝要求。同為固、液兩相流體，設(shè)計的工藝要求不同，推薦攪拌槳葉的型式、評估攪拌效果的特性參數(shù)、過度攪拌對物料的影響均不同，具體見表2[10]。

表2 不同工藝要求和攪拌槳葉各因素關(guān)系

根據(jù)管道輸送工藝要求，管輸煤漿儲存過程攪拌的目的主要是固、液懸浮，故槳葉宜選擇推進式、軸流旋槳葉。該槳型以葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生平行于軸線的射流推動物料，使容積內(nèi)的流體大范圍內(nèi)循環(huán)流動形成主體對流，產(chǎn)生很多小旋渦，形成高度湍動的攪拌效果。同時，借助容器內(nèi)周圍的擋板，使物料觸底后沿著擋板方向折返上升形成回路循環(huán)再回到葉輪區(qū)，通過這種循環(huán)使物料反復(fù)通過葉輪區(qū)，從而使容器內(nèi)所有物料得到充分混合均勻，達到固、液兩相懸浮的攪拌目的。軸向流體流型如圖1所示。

圖1 軸向流體流型示意圖

由于管輸煤漿中固體煤顆粒的磨蝕作用，需要對槳葉局部加強耐磨處理，主要的加強區(qū)域位于迎流面，耐磨處理有表面襯套耐磨橡膠和涂覆或堆焊高硬度金屬等方式。表面襯套耐磨橡膠的方式較為經(jīng)濟，但磨損較快，而涂覆或堆焊高硬度金屬的方式雖耐磨效果更好但成本較高。需要注意的是，在大型攪拌器攪拌過程中，槳葉的四周形成一個負壓區(qū)，在負壓區(qū)的上下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)相反的渦流，容易造成背流面的“氣蝕”作用，因此，在背流面也需要做耐磨處理。

為了降低槳葉自身重量及節(jié)省材料，通過設(shè)計計算確保各部分受力滿足強度要求的前提下，應(yīng)采用空心槳葉型式(如圖2所示)，槳葉背面的加強板采用弧面設(shè)計，以降低槳葉與液體摩擦阻力[11]。

圖2 空心槳葉結(jié)構(gòu)型式

3.3 攪拌軸型式

為了保持煤漿固體顆粒盡可能不被槳葉剪切碎化，要求攪拌槳葉的設(shè)計轉(zhuǎn)速低于設(shè)備臨界轉(zhuǎn)速，故設(shè)計采用剛性軸。大型攪拌器的攪拌軸直徑一般大于300mm，采用空心軸結(jié)構(gòu)更有利于降低設(shè)備自重，減少自身功耗。軸的直線度允差要求見表3。

表3 攪拌軸的直線度允差 mm/m

3.4 槳葉轉(zhuǎn)速

攪拌槳葉轉(zhuǎn)速是攪拌器設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)之一。轉(zhuǎn)速過低，無法達到攪拌的目的；轉(zhuǎn)速過高，將造成過度攪拌，物料可能會被剪切碎化導致漿體特性改變，同時也屬于設(shè)計浪費[12]。因此，從保持漿體物料特性和節(jié)能的角度，在達到攪拌目的的前提下，設(shè)計應(yīng)盡可能地降低攪拌轉(zhuǎn)速，一般在5～20r/min范圍內(nèi)。由于不同煤種的碎化特性不同，可以在不同轉(zhuǎn)速條件下測試該煤漿粒度的變化情況，以合理確定轉(zhuǎn)速。

3.5 擋板

攪拌器以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使煤漿產(chǎn)生渦流。但如果煤漿始終以不變的渦流速度運動，粗顆粒受重力作用將沉降很快，細顆粒將沉降很慢，造成粗細分離，從而影響罐內(nèi)上下煤漿粒度級配，所以必須在儲罐中增加擋板，將切向流轉(zhuǎn)換為徑向流和軸向流，增加湍流和對流循環(huán)強度，保證煤漿攪拌效果。

對于轉(zhuǎn)速、葉輪形式都不變的攪拌器來說，功率會隨著擋板系數(shù)的增大而增加；但是，當擋板系數(shù)達到一定數(shù)值時，功率基本保持恒定，不再增大。此時的擋板系數(shù)稱為全擋板條件，即攪拌功率達到飽和[13]。

全擋板條件應(yīng)符合式(1)：

式中，nd為擋板數(shù)量；bd為擋板寬度，m；D為儲罐內(nèi)徑，m；0.35為全擋板系數(shù)。

一般認為，當取4塊擋板，其寬度W=(1/10～1/12)D時，即可接近全擋板條件。

3.6 其他輔助設(shè)施的設(shè)計

3.6.1 限位環(huán)

由于攪拌軸采取剛性軸設(shè)計，因此在儲漿罐底部無需底軸承。但設(shè)置限位環(huán)能夠在某些不正常工況下出現(xiàn)設(shè)備運行不穩(wěn)定時對攪拌軸底部起到一定的保護作用。例如，出現(xiàn)煤漿濃度過高導致負荷超出設(shè)計值或發(fā)生停電事故后重啟時，攪拌軸和槳葉因過載可能會發(fā)生劇烈偏擺，限位環(huán)對軸的底部可以起到限制偏擺的作用。

3.6.2 進料管和出料管角度的設(shè)置

進料管和出料管盡可能設(shè)置在180°對置位置，該方式可以使進料到出料的時間最長，對物料進行了充分混合之后進入下一環(huán)節(jié)。由于物料在擋板后方(順著攪拌旋轉(zhuǎn)的方向)容易形成渦流，難以形成與擋板前方同樣的上升流，對物料的混合不利，因此要求出料管設(shè)置在擋板前方。進料管和出料管角度的設(shè)置要求如圖3所示。

圖3 進料管和出料管角度的設(shè)置要求

3.6.3 罐底部死角處理措施

罐底部死角主要存在于兩處，一處位于罐底部四周的角落，另一處位于罐底部中心，即攪拌槳葉的正下方。罐底部四周的死角在攪拌器正常運行一段時間后會維持在一定的范圍內(nèi)，基本不影響設(shè)備運行和儲漿系統(tǒng)的安全。正下方的死角會影響底部限位環(huán)和攪拌軸之間的間隙，因此在底層槳葉下方增加小型軸向槳翼，該槳翼還有利于低液位時槳葉運行的穩(wěn)定。

4 實驗室模擬試驗

選定攪拌器的基本結(jié)構(gòu)型式之后，如何確定具體的各項技術(shù)參數(shù)是設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。目前雖然針對各類攪拌器的設(shè)計計算公式繁多，但主要是針對某些特定物料的中小型攪拌器，也有采取專業(yè)計算軟件進行模擬計算后確定[3.14]。對于大型管輸煤漿攪拌器來說，簡單地按照現(xiàn)有公式計算或其他礦漿的工程經(jīng)驗推算各項技術(shù)參數(shù)顯然是不妥的，設(shè)計系數(shù)的選取不當容易導致最終的設(shè)備參數(shù)偏差非常大。因此，進行模擬實驗的目的是通過改變攪拌器各項參數(shù)條件，得出最優(yōu)化的合理方案，為設(shè)計提供最直接的指導依據(jù)。

4.1 實驗裝置

圖4 攪拌實驗裝置系統(tǒng)組成

4.2 實驗內(nèi)容及方法

每組葉片的實驗內(nèi)容和方法相同。

1)懸浮效果測試。通過透明有機玻璃攪拌槽觀察攪拌過程中物料的懸浮效果。

2)上下濃度測試。在攪拌槽不同高度位置設(shè)置上下取樣口，取樣測試濃度差是否滿足工藝要求。

3)碎化試驗。測試在不同轉(zhuǎn)速下經(jīng)過一段時間攪拌后煤漿中煤顆粒粒徑變細的情況。

4)停機再重啟試驗?？紤]到實際生產(chǎn)中可能發(fā)生停電或設(shè)備本身故障，需要滿足設(shè)備停機一定時間后能夠順利重啟[15]。重啟試驗按照停機8h、16h、24h、48h、72h間隔依次進行。重啟試驗過程中視重啟過程的難易程度進行變頻調(diào)速。

5)實際功耗測試。在不同轉(zhuǎn)速下，通過扭矩傳感器測試設(shè)備運行的實際扭矩計算實際功耗。再通過功率準數(shù)公式(式2)，計算電機功率。

式中，NP為功率準數(shù)；P為攪拌功率，W；ρ為漿體密度，kg/m3；N為攪拌槳葉轉(zhuǎn)速，r/s；d為攪拌槳葉直徑，m。

5 工程應(yīng)用

采用上述大型管輸煤漿攪拌器的選擇方法和設(shè)計思路，成功地在陜西神木—渭南輸煤管道工程(規(guī)模：運量10.00Mt/a、運距約730km)應(yīng)用。該工程包括1條主干管道和2條分支管道，相應(yīng)設(shè)蒲城、渭南、華縣3個管道終端場站，各場站分別設(shè)計15座、3座、2座容積均為10000m3的大型管輸煤漿儲漿罐，并在每座儲漿罐配置1臺大型機械式攪拌器用于攪拌作業(yè)，儲漿罐直徑24m、高度24m，罐底部為平底，內(nèi)壁設(shè)四塊擋板。攪拌器采用中心頂入式安裝，推進式槳葉，攪拌軸和槳葉均為空心結(jié)構(gòu)，設(shè)有上下兩層槳葉，每層各四片，底部安裝小型軸向槳翼，槳葉轉(zhuǎn)速為15r/min，電機額定功率355kW，額定電流43.4A。這是目前國內(nèi)第一臺管輸煤漿攪拌器，也是最大的礦漿攪拌器。

在調(diào)試過程中，先按淹沒上下兩層槳葉由低到高液位依次帶水運行4h，確認設(shè)備整體運行正常后，再進行帶漿料滿負荷運行72h。滿負荷運行過程中，實測電流為34～42A，平均值38A；減速器定子溫度65～87℃，平均值76℃；減速器驅(qū)動端振幅1.2～1.8mm/s。各項指標均在設(shè)計允許值范圍內(nèi)，整體運行平穩(wěn)，證明該設(shè)備各項性能良好。

6 結(jié) 語

陜西神木—渭南輸煤管道工程拉開了我國管道輸煤技術(shù)應(yīng)用的序幕，將來隨著管道輸煤技術(shù)的發(fā)展和推廣，攪拌器將需要適應(yīng)更多不同技術(shù)工況。本文設(shè)計的管輸煤漿攪拌器為配套10.00Mt/a規(guī)模管道輸送工程關(guān)鍵設(shè)備，為今后各類大型煤漿攪拌器的設(shè)計開發(fā)提供了詳細的結(jié)構(gòu)選擇、可操作的模擬實驗等方法。設(shè)備運行可靠性、物料適應(yīng)性、單位物料能耗值、攪拌效果等將是今后儲漿罐攪拌器研究和設(shè)計的重點方向。