礦漿自動加熱系統(tǒng)研究

張晶

（金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100）

在礦石生產(chǎn)系統(tǒng)中，礦石首先通過采礦區(qū)經(jīng)過初步破碎形成塊狀礦石，然后通過自磨與半自磨中碎設備進行進一步破碎，再通過球磨機與棒磨機進行細碎，產(chǎn)出適合浮選粒度的礦粉，然后進入多段浮選流程將礦漿分選為高品位精礦與低品位精礦，最后進入精礦脫水環(huán)節(jié)，精礦通過濃密機的進一步富集，將底流礦漿輸送至臥式高能壓濾機進行過濾與脫水流程。為冶煉廠提供具有合格水分的濾餅，通過皮帶運輸至粉礦倉備用。一般來講，精礦車間主要是完成高品位精礦與低品位精礦的濃縮、過濾、脫水任務。隨著礦山機械的發(fā)展，為了選出更多的有價金屬，礦石的粒度進一步提高，對過濾設備的過濾性能與效率提了來更高的要求，金川集團的過濾設備先后經(jīng)歷了立式壓濾機、陶瓷過濾機以及目前最先進的臥式壓濾機。立式壓濾機的濾板既用于脫水，也作為皮帶進行精礦的運輸，但是該設備的一個致命缺陷是濾餅水分不均勻，最底層的濾餅由于壓力不足導致水分過高，如果進一步提高擠壓壓力，會極大降低設備的使用壽命，同時整體上濾餅水分也難以達到冶煉所要求的水分，需要單獨進行進一步干燥。陶瓷過濾機的缺點也顯而易見，由于精礦粒度很小，導致陶瓷過濾機經(jīng)常發(fā)生堵塞，設備故障率高，同樣，該設備也不能一次性達到冶煉所需要的濾餅水分。濾餅水分過高所帶來的最直接結果就是冶煉時由于水分的存在導致爐子炸裂，后果非常嚴重。而臥式高能壓濾機與前兩種設備不同，最大的特點就是處理量大，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，同時濾餅水分均勻，可以達到冶煉要求，省去了干燥過程，因此大幅度提高了生產(chǎn)效率，簡化了流程。因此，目前只需要經(jīng)過濃縮與過濾就可以生產(chǎn)出合格的精礦礦粉。

在精礦車間脫水過程中，由于毛細現(xiàn)象的存在，固體顆粒表面具有吸附作用，水分子被吸附在其表面，通過顆粒之間的空隙通道，在遇到水時滲透到固體精礦顆粒的內(nèi)部。附著在顆粒內(nèi)部的水分叫吸附水分，滲透到顆粒內(nèi)部的水分叫吸收水分，僅僅通過機械脫水很難將滲透到礦漿中的水分子除盡。在生產(chǎn)中所采取的方式是升高溫度，因此，需要采用熱能脫水的方法，將水分子從固體顆粒中分離出來。但如果加熱溫度過低，水分子無法完全析出，固液分離效果差，影響產(chǎn)品質(zhì)量，依然會導致炸爐，而溫度過高又會造成能源的浪費及設備損傷。

目前為止，熱能脫水方法主要是礦漿管浸沒式加熱方式，具體有：套管換熱器、螺旋套管換熱器、端焊式套管換熱器、管束式套管換熱器、螺旋式偏心套管換熱器等。該類設備主要是在礦漿脫水前的攪拌槽體內(nèi)直接引入蒸汽加溫，加溫裝置為插入1只加熱汽管并沒入礦漿液面。是一種傳熱介質(zhì)與被處理流體進行直接接觸的加熱方式，熱氣主要是通到液面以下的浸沒管，經(jīng)過溶液上升進行高效傳熱而使水分蒸發(fā)。此方法結構簡單，存在很多問題。首先蒸汽為長流，能源浪費嚴重；其次，由于礦漿管受熱面積較小，導致攪拌槽內(nèi)礦漿介質(zhì)受熱不均勻，極大影響了產(chǎn)品質(zhì)量；同時受下級工序影響較大，若下級工序處理礦漿速度較慢，將導致礦漿介質(zhì)在攪拌槽內(nèi)長時間滯留，使其溫度降低，影響脫水效率。因此該文將改變傳統(tǒng)的浸沒管加熱方式，設計一種預加熱自動加熱系統(tǒng)，以提高能源利用效率。

1 設計條件

首先在設計前，應對系統(tǒng)的整體硬件部分進行分析，該系統(tǒng)的設計涉及到的參數(shù)主要有：管道材質(zhì)的選擇、管道尺寸的計算、力學性能以及蒸汽需求量等參數(shù)。

1.1 管道材質(zhì)

蒸汽管道要依據(jù)具體情況合理選擇。在設計管道過程中不僅有考慮流體的物理化學性質(zhì)，更要考慮實際生產(chǎn)中的工況。本次設計所圍繞的礦漿是基于精礦車間所處理的原料，該礦漿是由30%~40%的水與細粒級精礦組成，處理過程中是采用壓力輸送的方式，由于壓力作用，礦漿具有一定的流速，會與管道內(nèi)壁進行持續(xù)不斷的沖刷，該過程在礦漿流動過程中容易導致管道磨損。因此管道的材質(zhì)需要具備一定的耐磨性能，同時由于生產(chǎn)過程中存在各種酸性和堿性的浮選藥劑，管道需要具備耐酸、耐堿、耐腐蝕等化學性能。另外礦漿輸送過程屬于壓力輸送，則對管道的機械強度有一定要求。

在大量的實驗過程中，最終通過對比選擇管道材質(zhì)為C276哈氏合金材料，該材料屬于鎳-鉬-鉻-鐵-鎢系鎳基合金，具有良好的耐點蝕能力，在各種酸、堿環(huán)境中均有較強的耐蝕性。而且其耐高溫強度較好，可在1000℃環(huán)境下持續(xù)使用。具有高強度、高耐性的特點，極大程度上滿足了生產(chǎn)過程中高濃度礦漿的輸送，保障了設備的耐磨性。

1.2 蒸汽需求量計算

在選礦作業(yè)過程中，由于各種浮選藥劑的添加，會導致礦漿具有一定的粘性，在精礦脫水過程中，會影響到濃縮效果與過濾效率，對精礦加熱的目的就為了降低礦漿的粘度，使礦粒分開，將礦粒內(nèi)部的水分析出，降低濾餅水分的同時減小有價金屬的浪費。在設計一套蒸汽加熱系統(tǒng)時，確定蒸汽的使用量是至關重要的一步，因為蒸汽耗量的大小是確定蒸汽管口直徑的關鍵參數(shù)，直接關系著選用何種減壓閥門、控制閥門、疏水閥門以及其他附件，對于后期進行蒸汽管網(wǎng)的設計和優(yōu)化顯得尤為重要。

由于加熱過程受眾多因素影響，即使蒸汽溫度再高，也無法保證介質(zhì)加熱效率，在設計中需要考慮蒸汽壓力、介質(zhì)濃度、換熱面積以及金屬礦漿管的升溫汽損，根據(jù)相關熱傳導理論，一般熱量的計算方式如下式所示：

1.3 管道出口管徑計算

管道內(nèi)徑的大小直接關系到熱量輸送的大小，尤其是高濃度輸送過程中，熱量不足則起不到降低礦漿粘度、去除浮選藥劑的影響的目的，將極大降低脫水效果。因此下面將對管道內(nèi)徑進行計算。

由于蒸汽使用的是飽和蒸汽，而飽和蒸汽的計算公式與水是一樣的，只是流速不同，另一方面由于蒸汽的狀態(tài)和水的狀態(tài)不同，此處在計算流量時采用的是體積流量，綜上所述，管道出口內(nèi)徑就可以通過下式計算：

式中：

δ：計算系數(shù)—根據(jù)《動力管道設計手冊》取為594.5。

m：輸送的蒸汽量—2.1t/h。

V：單位質(zhì)量的蒸汽體積—0.6。

v：蒸汽流速—30m/s。

為了保證蒸汽在最低汽溫時，蒸汽使用量依然能夠達到2.1t/h，在設計中蒸汽管內(nèi)徑選擇為DN125mm。

2 設計方案

通過上述對蒸汽使用量與礦漿出口管直徑的計算與設計，加熱系統(tǒng)是最為重要的一個環(huán)節(jié)，因為加熱控制系統(tǒng)影響著熱輸入的大小。加熱系統(tǒng)原理如圖1所示：在礦漿流動管道中部上方開1個直徑為125mm的孔作為蒸汽入口，通過焊接的方式將蒸汽管道接入，在礦漿流動過程中，由于礦漿進口與出口位置是一段直徑更大的管道，在該段管道內(nèi)，蒸汽可以與礦漿進行更加充分的熱交換過程，保證了輸出的礦漿溫度更加均勻，有利于內(nèi)部水分子脫去，提高精礦的脫水效率。

該設計實際上是一種對礦漿介質(zhì)進行預加熱的節(jié)能設備，安裝在礦漿輸送管中部，實現(xiàn)對礦漿的直接加熱，同時引導蒸汽在內(nèi)腔中流動，增加其滯留時間，從而使礦漿持續(xù)受熱。為確保礦漿均勻受熱，蒸汽進入管口處設計發(fā)散式噴射口如圖1所示，該設計不僅增大了礦漿介質(zhì)受熱面積，同時提高了蒸汽輸送壓力，確保了礦漿介質(zhì)充分受熱。除此之外，該部分排放的蒸汽可以再次對攪拌槽中的介質(zhì)進行二次加熱，不僅提高了熱交換率，還增加了蒸汽循環(huán)利用率。

圖1 蒸汽發(fā)散式噴射口

3 控制系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)控制原理如圖2所示：該設備自動控制系統(tǒng)是由PLC、中間繼電器、電磁閥、測溫元件以及執(zhí)行機構組成的智能控制系統(tǒng)，且與上游工序進行連鎖。適應物料負荷的需求，保證能源利用的經(jīng)濟性和礦漿加熱系統(tǒng)的安全運行，使物料溫度與蒸汽流量相適應。上游工序為自動來礦，當濃密機底流渣漿泵開始工作時，PLC接受輸入信號并執(zhí)行內(nèi)部程序，延時將輸出信號發(fā)送至電磁閥，以此來控制執(zhí)行機構動作。執(zhí)行機構依據(jù)電磁閥所給的數(shù)字信號來控制閥的開停。該自控系統(tǒng)中測溫元件采用紅外溫度傳感器，利用輻射熱效應，使探測器件接收輻射能后引起溫度升高，以此來直接測量攪拌槽中礦漿溫度，溫度作為模擬量信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號輸出到PLC中，通過改變變頻器的頻率控制加熱快慢的程度，換句話說，就是控制熱輸入的大小。在控制系統(tǒng)中設定了溫度的上限值與下限值，作用是使得礦漿溫度適應上游來量，使其處于一種動態(tài)平衡，若下游生產(chǎn)速率較慢，導致攪拌槽內(nèi)礦漿溫度降低于設定值時，PLC將通過變頻器自動控制執(zhí)行機構動作，實現(xiàn)攪拌槽內(nèi)二次加溫，以保證生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 礦漿加熱過程

圖3 礦漿加熱控制系統(tǒng)原理

4 效果對比

通過該預加熱自動控制系統(tǒng)的實施，在很大程度上降低了能耗，因此，在完成技術改進后，對單臺高能壓濾機7個月的蒸汽使用量與電能使用量進行了統(tǒng)計，并與上一年7個月的數(shù)據(jù)進行對比，如圖4與圖5所示。

由圖4所示：礦漿自動加熱系統(tǒng)應用前后單臺高能壓濾機的蒸汽使用情況有明顯下降，改進后單臺平均蒸汽使用量下降33.86%，最高下降84.62%，節(jié)能效果較為明顯，說明本套加熱系統(tǒng)在實用性方面效果是比較顯著的。

圖4 單臺蒸汽使用量統(tǒng)計

由圖5所示：在單臺高能壓濾機電量使用方面，雖然處于波動狀態(tài)，但是總體而言都維持在一個較低的水平，平均電單耗下降13.43%，最高下降20.81%，也就是說自動加熱系統(tǒng)在能源利用方面做到了充分利用的效果。

圖5 單臺電能使用量統(tǒng)計

5 總結與展望

本文主要是針對礦漿加熱系統(tǒng)進行了研究，通過查閱國內(nèi)外管道加熱系統(tǒng)的形式與加熱方式入手，設計了一種管道預先加熱系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)的浸沒式加熱方式，結合PLC自動控制，對基于上游來礦情況、下游生產(chǎn)情況對熱輸入量的大小進行實時控制，另外管道直徑的設計是通過計算得到的，而且在輸入管道與輸出管道之間設計的大管徑提高了熱交換效率，同時蒸汽管道入口處采用了噴射孔設計，提高了蒸汽壓力，使蒸汽與礦漿發(fā)生充分的熱交換作用。最后結合蒸汽使用量數(shù)據(jù)和單臺電耗與未進行改造前的7個月的數(shù)據(jù)進行了對比，驗證了該加熱系統(tǒng)的實用效果。

雖然該研究取得了可觀的研究結果，但是筆者認為在能源利用方面，依然存在以下2點不足之處。（1）除了控制礦漿溫度，還應將礦漿流量考慮在內(nèi)，結合自動化，靈活控制閥門開度大小，能夠保證攪拌槽動態(tài)調(diào)整下一道工序的礦漿實際使用量與高能壓濾機的給礦壓力，使得攪拌槽與高能壓濾機一直處于最優(yōu)的工作狀態(tài)。（2）該設計中蒸汽管道的安裝方式為垂直礦漿管安裝，雖然該管道的材質(zhì)具有抗磨性能，但是此種方式在長時間的供汽過程中，由于氣蝕作用會使得正下方管道的強度降低，因此，應該研究供汽管道，以一定的角度安裝或者對管道沖刷處進行額外的減磨設計，延長管道的使用壽命。