高濃度KCl礦漿長距離輸送沉降流速探討.docx

1、高濃度KC1礦漿長距離輸送沉降流速探討黃柯'，孫愛軍2(1.化工部長沙設(shè)計(jì)研究院，湖南長沙410116；2.鎮(zhèn)江正漢金利特泵業(yè)有限公司，江蘇揚(yáng)州212200)摘要：中高濃度KC1礦漿長距離輸送在國內(nèi)尚未有工程先例，而合理的水力學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)系到管道輸送的安全性和經(jīng)濟(jì)性。文章通過實(shí)驗(yàn)評價(jià)礦漿流變特性和輸送的可操作性。將理論計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較確定沉降流速，根據(jù)上述結(jié)果確定礦漿輸送的濃度范圍，為管道輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。關(guān)鍵詞：KC1礦漿；長輸管道；沉降流速中圖分類號:TQ131.L3文獻(xiàn)標(biāo)識瑪:A文章編號：2096-3408(2017)12-0040-04DiscussiononS

2、edimentationVelocityofHighConcentrationPotassiumChlorideSlurryforLongDistanceTransportationHUANGKe1,SUNAi-jun2(1.ChangshaDesignandResearchInstituteofMinistryofChemicalIndustry,Changsha410116,China；2.ZhenjiangHanjinLitePumpCo.,Ltd.,Yangzhou212200,China)Abstract:Thereisnoprecedentabouthighconcentratio

3、nofpotassiumchlorideslurryforlongdistancetransportationinchina,whilesafetyandeconomyofpipelinetransportationisrelatedwiththedesignofrationalhydraulicpipe.Rheologicalbehaviorandtransportoperabilityofslurrywasevaluatedbytest.Comparisonofthecalculationandtestindicatedthatdeterminationofthecriticalveloc

4、ity.Acceptablerangeoftheslurrylevelwasdeterminedaccordingtoaboveresult,whichinsuredthesafeandeconomicrunningofthepipe.Keywords:potassiumchlorideslurry；longdistancetransportation；criticalvelocity鉀肥生產(chǎn)中，由于外部條件的限制，選礦裝置和包裝干燥裝置往往相距較遠(yuǎn)，KC1原料以礦漿的形式在裝置間輸送?，F(xiàn)有的礦漿輸送公式都是基于特定試驗(yàn)對象的半理論的經(jīng)驗(yàn)公式，輸送的物料一般為難溶性的固體顆粒，水作為載體。KC

5、1礦漿輸送較傳統(tǒng)的礦漿輸送還需注意以下幾個(gè)問題：(DKC1顆粒為可溶性固體，輸送時(shí)以KC1飽和溶液作為載體；(2) 過飽和溶液中，部分粒徑小于100am的固體顆粒形成的均質(zhì)礦漿,其性質(zhì)類似于清水；(3) 長距離輸送時(shí)，管線起點(diǎn)和終點(diǎn)的溫度差,導(dǎo)致粒徑的變化；(4) 礦漿易在管內(nèi)壁上結(jié)晶，輸送阻力增加，輸送效率降低。中高濃度KC1礦漿長距離輸送在國內(nèi)尚未有工程先例，文章結(jié)合剛果項(xiàng)目KC1礦漿輸送的設(shè)計(jì)實(shí)例和鹽湖應(yīng)用實(shí)例，對沉降流速和輸送濃度進(jìn)行分析和探討。1工藝設(shè)計(jì)依據(jù)剛果項(xiàng)目熱溶結(jié)晶工序產(chǎn)出的KC1結(jié)品顆粒與母液的混合物，用泵經(jīng)管道輸送到位于港口的造粒工廠，經(jīng)干燥造粒后產(chǎn)出KC1成品，KC1礦

6、漿正常輸送量為152t/h,輸送距離為18kmo固相主要成分為KC1顆粒，KC1約占98.40%,NaCI約占1.40%,收稿日期：2017-06-15作者簡介：黃何(1982)，男，湖南長沙人,工程師，碩士，從事K距離管道輸送和管道安全技術(shù)的設(shè)計(jì)研究工作。聯(lián)系方式616742193真比重為1.98g/cn?.液相為KC的飽和溶液，比重為1.22g/mLo礦漿管道入口溫度30出口溫度25對應(yīng)的中值粒徑范圍0.35mm-0.40mm,礦漿pH值46。設(shè)計(jì)礦漿輸送重量濃度為35%40%,最大42%,最小30%o礦樣的粒徑分布見表1,液相載體的組成見表2。KC1礦樣粒徑分布

7、Tab.1Potassiumchloridemineralsampleparticlesizedistribution粒徑/mm<80.18-0.250.25-0.430.43-0.85>0.85重ft/%1.623.7418.8530.8740.724.19«2液相蛆成Tab.2Liquidphasecomposition名稱KC1NaClMgCljCaCl2CaSO4H2°比$/(g,mL'T）備注組成/%10.6512.345.740.010.1471.121.2230圖1屈服應(yīng)力與礦漿濃度的關(guān)系曲線Fig.1Relation

8、shipbetweenyeildstressandslurryconcentration30354045505560質(zhì)量濃度/%卜I卜一20-O543.2J.O981n111«1la1oo304050質(zhì)量濃度/%2礦漿物理特性參數(shù)的測定2.1流變參數(shù)流變參數(shù)對了解礦漿的流動(dòng)特征和確定沿程阻力損失具有指導(dǎo)意義。在長距離礦漿管道工程中,應(yīng)以流變試驗(yàn)成果為依據(jù)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)和選擇工藝參數(shù)。根據(jù)項(xiàng)目工況，實(shí)驗(yàn)測定的主要流變參數(shù)見rEPEPWR®套理圖2粘度與礦漿濃度的關(guān)系曲線Fig.2Relationshipbetweenviscosityandslurryconcen

9、tration圖1表明屈服應(yīng)力隨著重量濃度的增加而上升。當(dāng)重最濃度超過45%時(shí)，曲線斜率上升較快,礦漿流動(dòng)需要克服的屈服應(yīng)力也就越大。當(dāng)?shù)V漿的濃度較低，顆粒較細(xì)時(shí)，此時(shí)的礦漿具有牛頓體的特性。特別是粒徑均小于100um的顆粒，即是被輸送的物料,又是輸送載體，這部分礦漿可視作均質(zhì)礦漿，其管路特性基本與清水一致。由圖2可見，當(dāng)重量濃度小于32%時(shí)，礦漿的粘度系數(shù)曲率較為平緩。超過此數(shù)值后曲線變陡,當(dāng)重量濃度超過42%時(shí)，曲線急劇變化。這揭示了礦漿粘度隨固體濃度增加而迅速上升的變化規(guī)律。管道的輸送阻力與流變特性密切相關(guān),阻力增大會增加能耗和初始投資。綜合考慮礦漿的流變特性，礦漿的輸送濃度不應(yīng)大于42

10、%o2.2沉降性能參數(shù)沉降速度反映了固體在液體中相互作用時(shí)的綜合特性和固體顆粒水力輸送的難易程度。根據(jù)固體顆粒沉降速度的計(jì)算公式，同時(shí)考慮顆粒的形狀系數(shù)，計(jì)算得平均沉降速度。上述計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測定的顆粒沉降速度見圖3。°計(jì)算沉降速度實(shí)驗(yàn)沉降速度圈3沉降速度關(guān)系曲線Fig.3Sodimentationvelocitycurrve計(jì)算的結(jié)果約為實(shí)驗(yàn)測定的1.3倍，沉降速度曲線的變化規(guī)律與粘度變化規(guī)律基本保持一致。當(dāng)重量濃度小于40%時(shí)，變化曲線較為平滑，斜率基本保持不變,這是因?yàn)闈舛容^低時(shí)，顆粒在沉降過程中相互的干擾較小，且礦漿粘度較低,顆粒需克服的阻力小;濃度較高時(shí)，對應(yīng)的粘度值也較大

11、,細(xì)顆粒在電解質(zhì)容易形成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生屈服應(yīng)力,沉降速度也隨之減小。3沉降流速為使礦漿中適宜的固體顆粒得以懸浮，必須對沉降速度進(jìn)行限制，以保持偽均勻流體的行為，防止堵管并使管道底部磨損最小化。KC1礦漿輸送暫無可靠的經(jīng)驗(yàn)公式，參照尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范中的劉德忠公式、E.J.WASP公式和B.C.克諾羅茲公式以及KC1選礦工程中常用的凱夫公式計(jì)算沉降流速。根據(jù)設(shè)計(jì)輸送流址，選用管徑為DN250mm的輸送管,計(jì)算結(jié)果見表3。序號質(zhì)所濃度/%363840424446(1)劉德忠/(mMi)1.601.631.651.661.671.69(2)E.J.WASP/(ms_,)1.271.261.251.25

12、1.241.23(3)B.C.克諾羅茲/(m或)08(4)凱夫/(ms'1)1.501.481.471.451.431.42衰3礦漿輸送沉降流速Tab.3Slunytransportsettlingvelocity從表3可以看出，質(zhì)量濃度的增加對沉降流速變化影響不明顯，質(zhì)量濃度增加了10%,而沉降流速變化最大為0.14m/s,對整個(gè)管線的流速設(shè)計(jì)影響可以忽略。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)沉降流速基本穩(wěn)定在1.10m/s1.50m/so在質(zhì)量濃度36%46%范圍內(nèi)，公式(1).(3)和(2).(4)整體趨勢相反。主要是由于粘度對沉降流速有著雙重影響。隨著濃

13、度的增加，顆粒懸浮和流動(dòng)需要更多的能量，通過提高流速,使礦漿獲得更多的動(dòng)能;隨著濃度的增加，礦漿中的微小顆粒也隨之增加，這部分微小顆?？勺鳛榇箢w粒的載體，隨著載體密度和粘度的提高,使大顆粒更容易懸浮，上述結(jié)果與上文沉降性能參數(shù)論述是一致的。公式(1)的計(jì)算值與其他3個(gè)公式計(jì)算值偏差較大，與實(shí)測值約有1.2倍安全余量,適用工程設(shè)計(jì)計(jì)算。公式(2)和(3)計(jì)算值都在實(shí)測的流速范圍內(nèi)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮1.3倍的安全余量。公式(4)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值最為接近。從安全和經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，綜合考慮渣漿泵的揚(yáng)程極限和復(fù)合塑料管線的承壓能力，上述工況條件下，工程設(shè)計(jì)流速控制在2m/s是合適的。4輸送最高質(zhì)濃度的

14、確定圖4和圖5分別揭示了在正常設(shè)計(jì)輸送最(152t/h)和在最大輸送量(1.25倍設(shè)計(jì)輸送量:191t/h)工況下，工作流速、沉降流速和過渡流速分布。其中過度流速是礦漿從層流到紊流之間過渡段的流速，礦漿輸送要避免層流狀態(tài)。兩種輸送工況下,礦漿的工作流速都明顯大于過渡流速,可有效減緩管道下玄面的磨蝕。圖4表明當(dāng)質(zhì)量濃度上升到43.5%,工作流速與沉降流速相當(dāng)，也就是說在152t/h輸送量情況下，礦漿質(zhì)量濃度不能高于43.5%o圖5表明當(dāng)?shù)V漿達(dá)到最大輸送量時(shí)，工作流速高于沉降流速，管線不會堵管,同時(shí)可以提高管線輸送效率。但在實(shí)際生產(chǎn)中，過高的輸送濃度會加劇管內(nèi)壁磨蝕，當(dāng)表面形成腐蝕坑后，往往在腐蝕

15、坑周邊區(qū)域最先開始出現(xiàn)結(jié)品現(xiàn)象。流量*沉降流速T作流速。過渡流速50-0400-04146(T-C.E)面暴質(zhì)量濃度/%圖4礦漿流速、沉降流速、過渡流速與礦漿濃度的關(guān)系(設(shè)計(jì)輸送：152th")Hg.4Kelationhipofslurryflowrate,se<Jimen!ationvelocityttrasitionflowrateandslurryconcentration(designdeliveryvolume：152th'1):r！U364035302520151050:r！U36403530252015105041質(zhì)量濃度/%400350。流做沉降流速工作

16、流速。過渡流速。流做沉降流速工作流速。過渡流速-300：250王2(X)1-150100'-50-Jo46圖5礦漿流速，沉降流速和過渡流速與礦槳濃度的關(guān)系(最大輸送：191t-h-')big.5Relationshipofslurryflowratetsedimentationvelocity,trasitionflowrateandblurryconcentration(maxdeliverylolume；19lth"1)長距離的礦漿輸送已在青海鹽湖和國投羅鉀鹽田投用多年，已積累比較成熟的工程經(jīng)驗(yàn)。其礦漿輸送的主要固相成分為KCl.MgCl2和NaCl,輸送質(zhì)量濃度

17、一般控制在30%-40%,采用多級渣漿泵串聯(lián)輸送，流速保持在2m/s以上，單級輸送距離約為5km,總輸送距離最長可到14km。從項(xiàng)目的類比性分析，上述工藝計(jì)算過程在工程中是適用的。5防堵管和結(jié)晶的措施KC1顆粒處于不斷溶解、結(jié)晶和長大的動(dòng)態(tài)過程中,部分顆粒會不斷長大，在管底淤積，部分在管道內(nèi)壁結(jié)晶黏附。輸送過程中應(yīng)嚴(yán)格控制輸送流速，保證流速大于沉降流速。泵和管線需設(shè)置沖洗裝置,管線運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)用母液替換礦漿沖洗管道,確保管道內(nèi)的物料和結(jié)晶沖洗干凈。泵出口處不宜設(shè)置止回閥，管線不宜設(shè)置排氣閥。加強(qiáng)對泵電流和管線流量的監(jiān)控，當(dāng)電流異常增大或流量變小時(shí)，立即開啟管線沖洗裝置。管道敷設(shè)過程中應(yīng)注

18、意坡度設(shè)置，保證礦漿不會在局部管段內(nèi)淤積,否則應(yīng)設(shè)置放空閥和沖洗水接口。管線各閥門處應(yīng)設(shè)置沖洗水接口。管線的拐點(diǎn)、彎頭處做好曲率控制和內(nèi)防腐層處的質(zhì)量控制，減緩上述節(jié)點(diǎn)表面磨蝕點(diǎn)的形成。管線的承壓能力需考慮0.5MPa的安全余量，避免顆粒增大后，局部管道堵管后爆管。停泵后，礦漿容易沉積板結(jié)，且板結(jié)密實(shí)度隨時(shí)間增加很快，故管道故障后應(yīng)盡快修復(fù)后通水，有條件的情況下，管線保持小流量通水，可有效避免結(jié)晶。6結(jié)語KC1礦漿的管道輸送不僅經(jīng)濟(jì)、安全，又可避免輸送過程中的損耗、污染等間題，是一種理想的輸送方式。常用的水力計(jì)算模型修正后，可用于計(jì)算KC1礦漿長輸管道的沉降流速。通過試驗(yàn)確定的輸送質(zhì)量濃度，對

19、以后的類似工程有一定的參考價(jià)值。參耆文獻(xiàn)1 費(fèi)祥俊.礦漿的物理特性與管道輸送流速J.管道技術(shù)與設(shè)備.2000(1).1-4.2 CB50863-2013,尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范S.(編輯:崔樹芝)青海鹽湖開發(fā)探索鹽湖綠色循環(huán)發(fā)展新模式從鹽湖中的鹵水開始，青海鹽湖用科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)鉀鹽、鈉鹽、鎂鹽、鋰鹽等鹽湖資源綠色、梯級開發(fā)，逐步搭建起其與能源化工、有色金屬、新能源、新材料產(chǎn)業(yè)耦合發(fā)展的循環(huán)產(chǎn)業(yè)模式。多位國內(nèi)外專家分析認(rèn)為，青海當(dāng)前探索出的鹽湖“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、梯級開發(fā)、綜合利用”的綠色、循環(huán)發(fā)展模式，將為世界鹽湖開發(fā)提供新的參考。在素有“聚寶盆”之稱的青藏高原柴達(dá)木盆地分布有30多個(gè)鹽湖，鹽湖資源豐富。其中，總面積5856km2的察爾汗鹽湖是中國最大的可溶性鉀枝鹽礦床，其鈉、鍥、鉀、鈕的儲量均居中國之首。鹽湖有“無機(jī)鹽寶庫