高濃度礦漿輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、總第129期2010年12月工程設(shè)計(jì)與研究高濃度礦漿輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)張建剛摘要針對(duì)高濃度鋅精礦礦漿管道輸送問題,在分析鋅精礦礦漿特性參數(shù)和粒度分布的基礎(chǔ)上,介紹了臨界流速的確定及計(jì)算方法,輸送設(shè)備選型以及輸送系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。高濃度鋅精礦礦漿輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,操作和維護(hù)簡(jiǎn)單,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)連續(xù)性,且生產(chǎn)運(yùn)營成本低。關(guān)鍵詞鋅精礦;高濃度礦漿;管道輸送;設(shè)計(jì)隨著礦業(yè)的發(fā)展,高濃度礦漿的輸送越來越多的被應(yīng)用于一些工藝環(huán)節(jié)中,高濃度礦漿的長(zhǎng)距離管道輸送技術(shù)以及輸送設(shè)備等的發(fā)展也取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文中礦漿輸送是銜接前端磨礦與后段浸出的中間工藝環(huán)節(jié),由于后段浸出工藝要求鋅精礦礦漿固體濃度在70%以上,

2、礦漿比重大,針對(duì)如此高濃度、高比重的礦漿管道輸送國內(nèi)還鮮有經(jīng)驗(yàn)。本文中高濃度礦漿采用管道直接輸送,省去了原有流程中的濃縮設(shè)備,大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程,使得實(shí)際生產(chǎn)中操作更加便捷。高濃度鋅精礦礦漿輸送距離350m,垂直高差15m,礦漿具體參數(shù)見表1,礦漿的粒級(jí)分布見圖1。表1鋅精礦礦漿特性參數(shù)處理量(m3/s物料細(xì)度(m質(zhì)量濃度(%液固比(R礦物比重(t/m3礦漿比重(t/m3體積濃度(%0.0035-25,97%703/7 4.1 2.12436. 3圖1物料粒度分布從表1可看出,物料粒度較細(xì),-25m 占到97%。物料粒度細(xì)雖不容易沉淀,但物料過細(xì)會(huì)導(dǎo)致礦漿粘度增大,加上鋅精礦的比重大,造成輸送

3、阻力大。要求對(duì)礦漿輸送的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的選擇,包括輸送設(shè)備的選擇及管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。從理論設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化改造兩個(gè)方面進(jìn)行詳解。1臨界流速的確定在設(shè)計(jì)礦漿水力輸送系統(tǒng)時(shí),臨界管徑或臨界流速是礦漿壓力輸送水力計(jì)算中至關(guān)重要的一環(huán)。影響臨界流速的因素很多,很難找到一種適合于各種礦石性質(zhì)、濃度、粒度等的臨界流速計(jì)算公式。盡管如此,在輸送距離較近的情況下,可根據(jù)礦漿管道輸送經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算臨界流速。計(jì)算臨界流速的經(jīng)驗(yàn)公式有:杜拉德公式、托馬斯公式、克諾羅茲公式、尤芬公式等1,用于計(jì)算低濃度礦漿;用于計(jì)算高濃度礦漿的有:烏克蘭建工研究所方法、鞍山礦山設(shè)計(jì)研究院王紹周方法、費(fèi)祥俊公式及瓦斯普公式12。9工

4、程設(shè)計(jì)與研究總第129 期試驗(yàn)材料:鐵精礦,d p=0.05mm,g=4.35試驗(yàn)管徑:1D206mm;2D103mm;3D50mm圖2臨界流速與礦漿比重的關(guān)系圖2為輸送鐵精礦物料時(shí),臨界流速與礦漿比重的關(guān)系曲線1。鐵精礦物料的真比重及細(xì)度都與本文所討論的鋅精礦物料有一定的相似性,故借鑒該臨界流速與礦漿比重關(guān)系曲線。從圖2可以看出,臨界流速起初是隨著礦漿密度的增加(亦濃度的增加而增加,但當(dāng)?shù)V漿濃度增加到一定的數(shù)值時(shí),臨界流速反而隨之降低。分析其原因,當(dāng)?shù)V漿濃度達(dá)到一定數(shù)值(特別是細(xì)粒級(jí)含量較高時(shí),承載物料的載體不再是單純的水,可以看作是含有細(xì)粒級(jí)懸浮狀態(tài)的漿體,故臨界流速會(huì)出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。早期

5、的計(jì)算公式(如克諾羅茲公式、尤芬公式等都未反應(yīng)這一重要特征。而大多數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算都有其適用的條件,從表1可以看出,物料固體濃度70%,礦漿比重2.124t/m3,這種礦漿比重大于烏克蘭建工研究所方法的適用范圍(d p 0.5mm,k=1.251.70,故采用鞍山礦山設(shè)計(jì)研究院王紹周方法對(duì)臨界管徑進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表2。Q k=3.21D2.312L(k-1/k(g-k/(g-1nu p0.25(u95/u p0.2式中:Q k礦漿流量(m3/s;D L臨界管徑(m;k礦漿相對(duì)密度(t/m3;g干礦相對(duì)密度(t/m3;n干擾系數(shù),根據(jù)計(jì)算,n取4.35;u p加權(quán)平均沉降速度(cm/s,u

6、p=u i d i/d i,任取圖1物料粒級(jí)分布圖中某幾組粒度對(duì)應(yīng)的累計(jì)率,u i為某一粒級(jí)的平均沉降速度(cm/s;d i為某一粒級(jí)的的含量百分?jǐn)?shù);經(jīng)計(jì)算得u p值為1.213。通過計(jì)算所得,選擇D L=0.08m時(shí),流表2王紹周方法計(jì)算結(jié)果D L(mD2.312L(k-1/k(g-k/(g-1n u p u95/u p Q(m3/s 0.0650.00180.5290.637 4.35 1.2130.07330.0012 0.080.00290.5290.637 4.35 1.2130.07330.003 0.10.00480.5290.637 4.35 1.9130.07330.0050

7、量Q基本上接近0.0035m3/s,經(jīng)綜合考慮,選用89mm4.5mm的無縫鋼管3。2設(shè)備選擇輸送管道確定后,接下來就需要對(duì)輸送設(shè)備進(jìn)行選擇。高濃度礦漿輸送作為整段工藝中的一環(huán),在生產(chǎn)中必須保證連續(xù)性、穩(wěn)定性和操作便捷性,還必須考慮生產(chǎn)運(yùn)行成本。根據(jù)需輸送礦漿的特點(diǎn),可供選擇的輸送設(shè)備有隔膜泵、螺桿泵及蠕動(dòng)泵等。2.1隔膜泵隔膜泵的整個(gè)工作過程就是一個(gè)吸入和排出過程。在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)(活塞的行程由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來改01總第129期高濃度礦漿輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)變,經(jīng)液壓油推動(dòng)膜片來回鼓動(dòng)作功。這種頻繁往復(fù)式的工作方式使得和物料接觸的單向閥頻繁開閉,更為關(guān)鍵的是單向閥在開關(guān)過程中,會(huì)有高

8、速礦漿通過閥門,這樣就造成閥體及閥座磨損,而鋅精礦礦漿磨蝕性極強(qiáng),對(duì)閥體和閥座的磨損尤其嚴(yán)重。在此種工況條件下應(yīng)用隔膜計(jì)量泵,單向閥的閥體及閥座更換比較頻繁,生產(chǎn)成本相對(duì)較高,但在需要高揚(yáng)程的工藝中,這種設(shè)備使用較多。在本文論及的工藝中,不需要太高的輸出壓力,隔膜泵輸出壓力高的優(yōu)勢(shì)不能完全體現(xiàn),故認(rèn)為使用隔膜泵不是最佳選擇4。2.2螺桿泵單螺桿泵是一種內(nèi)嚙合偏心回轉(zhuǎn)容積泵,泵的主要構(gòu)件:一根單頭螺旋的轉(zhuǎn)子和一個(gè)通常用彈性材料制造的具有雙關(guān)螺旋的定子,當(dāng)轉(zhuǎn)子固定于型腔內(nèi)繞定子的軸線作行星回轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)子和定子之間形成的密閉腔就沿轉(zhuǎn)子螺線產(chǎn)生位移,從而將介質(zhì)連續(xù)地、均速地、而且容積恒定地從吸入口送到壓

9、出端。在本文所提到的工況條件下使用螺桿泵,前半個(gè)月流量及壓力都比較穩(wěn)定,操控性好,但連續(xù)運(yùn)行半個(gè)月后,輸送能力就大幅下降。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拆開泵進(jìn)行分析,由于螺桿泵在工作時(shí),物料與機(jī)械件直接接觸,加上鋅精礦礦漿磨蝕性極強(qiáng),導(dǎo)致螺桿泵的定子和轉(zhuǎn)子都有不同程度的磨損。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)來說,頻繁的更換定子和轉(zhuǎn)子一方面影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性,另一方面提高了生產(chǎn)運(yùn)行成本。故鋅精礦礦漿用螺桿泵輸送不是很理想。2.3蠕動(dòng)泵(軟管泵蠕動(dòng)泵是基于彈性軟管的交替伸縮來輸送物料。內(nèi)壁光滑、強(qiáng)度可靠的軟管安裝在泵體內(nèi)部,通過轉(zhuǎn)盤上的兩個(gè)突塊轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓。這種旋轉(zhuǎn)使得介質(zhì)往一個(gè)方向輸送而不至于有倒流。軟管在輸送介質(zhì)之后形狀復(fù)原可在管內(nèi)

10、產(chǎn)生全真空從而再將介質(zhì)吸入到管內(nèi)。如此反復(fù),介質(zhì)不斷地吸入和排出,從而形成連續(xù)輸送。由于軟管泵的機(jī)械部分不直接接觸物料,故物料不會(huì)對(duì)其造成磨損,易損部件只有軟管,但軟管更換比較簡(jiǎn)單?，F(xiàn)場(chǎng)有幾種類似的工況條件使用上述幾種輸送泵。根據(jù)這幾種泵的使用情況,經(jīng)綜合考慮,決定采用蠕動(dòng)泵輸送鋅精礦礦漿。3系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1管道設(shè)計(jì)(1管道設(shè)計(jì)包括管道管徑大小的計(jì)算和管道布置,根據(jù)物料的輸送量、輸送濃度、礦漿密度、粒度的不同計(jì)算確定物料輸送的臨界管徑。管道的設(shè)置根據(jù)具體的地形及廠房?jī)?nèi)的配置合理布局,管道應(yīng)盡量減少彎頭,設(shè)置一定的坡度以便物料在停機(jī)時(shí)順利排出,避免礦漿在管道內(nèi)沉積造成堵管。(2輔助防堵措施

11、。一是在泵的出口管段增設(shè)高壓空氣管,在停止輸送礦漿時(shí)通高壓空氣對(duì)管段進(jìn)行吹掃,防止在管道內(nèi)殘留礦漿造成堵塞;二是在管道的出口端增設(shè)三通閥和沖洗水泵,在停止輸送礦漿時(shí)啟動(dòng)沖洗水泵,按下軟管泵反轉(zhuǎn)按鈕,對(duì)輸送系統(tǒng)進(jìn)行反沖洗。(3其他方面的優(yōu)化。在軟管泵的出口端增加一段彈性軟管。根據(jù)軟管泵的工作原理,由于管道內(nèi)礦漿的反作用力,使得出口端的軟管承受的壓力最大,在泵出口管端增加一段彈性軟管,一方面可以有效地釋放一部分壓力,對(duì)泵體內(nèi)軟管起到保護(hù)作用;另一方面彈性軟管可有效地減低礦漿在管道內(nèi)的脈動(dòng)性,起緩沖器的作用。3.2礦漿輸送系統(tǒng)及其操作礦漿輸送系統(tǒng)見圖3。開始工作時(shí),操作01#Y型三通閥連通1#、2#

12、管段,關(guān)閉3#管段;啟動(dòng)軟管泵(正轉(zhuǎn)運(yùn)行,操作02#Y型三通閥連通4#、5#管段,關(guān)閉6#管段;打開03#閥門;此時(shí)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。需要停機(jī)時(shí),操作01#、02#Y型三通閥關(guān)閉1#、5#管段,打開03#、04#閥門,啟動(dòng)軟管泵(反轉(zhuǎn)運(yùn)行,打開沖洗水泵,沖洗整個(gè)管段511工程設(shè)計(jì)與研究總第129期min 左右,沖洗液通過3#管進(jìn)入事故池,作為前段的調(diào)漿用水循環(huán)利用。 圖3礦漿輸送系統(tǒng)16輸送管道;01,02Y 型三通閥;03,04閘板閥3.3輸送系統(tǒng)配置特點(diǎn)(1用Y 型三通閥取代旁管及管道閥門,從而縮短了管道長(zhǎng)度,避免了礦漿在管內(nèi)自然沉積造成管道堵塞。(2當(dāng)輸送系統(tǒng)停止輸送礦漿時(shí),利用軟管泵的反轉(zhuǎn)功能和沖洗水泵用水對(duì)整個(gè)輸送系統(tǒng)進(jìn)行徹底沖洗,避免高濃度礦漿沖洗不徹底造成局部堵塞。(3沖洗系統(tǒng)采用反沖洗方法,沖洗水不會(huì)進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)影響礦漿濃度。沖洗水及所帶走的礦物進(jìn)入前段的循環(huán)利用系統(tǒng),這樣,既不損失有用礦物也不浪費(fèi)水。4結(jié)語對(duì)于高濃度礦漿等兩相流物料的水力輸送計(jì)算公式紛繁復(fù)雜且多為經(jīng)驗(yàn)公式,故應(yīng)根據(jù)具體的物料參數(shù)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì),參考經(jīng)驗(yàn)公式必須注意其適用范圍。設(shè)備選型要具體分析設(shè)備的工作原理,參考以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),結(jié)合具體工藝環(huán)節(jié)的要求綜合考慮,兼顧生產(chǎn)成本及長(zhǎng)期效益等。管路系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)