Снижение энергоемкости гидравлического транспортирования гидросмесей при высоких концентрациях твердой фазы

Одним из важных направлений интенсификации горнорудного производства, повышения его эффективности и конкурентоспособности в условиях современных рыночных отношений является создание мощной транспортной базы, способной значительно повысить производительность транспортных систем при одновременном снижении себестоимости транспортных перевозок минерального сырья и продуктов его переработки. Развитие такой базы связано с внедрением непрерывных видов транспорта, среди которых наибольшее распространение получил гидравлический трубопроводный транспорт.

В настоящее время в горнорудном промышленном комплексе функционирует около 400 напорных гидротранспортных систем, суммарная длина трубопроводной магистрали которых превышает 1300 километров. Этими системами ежегодно перемещается более 1,5 миллиарда тонн различных твердых сыпучих материалов, в основном хвостов обогащения минерального сырья и концентратов.

Вследствие истощения богатых месторождений горная промышленность стоит перед необходимостью вовлечения в переработку все возрастающих количеств бедных и забалансовых руд, содержание полезного минерала в которых составляет не более 1 — 2%. Это приводит к увеличению выхода твердых хвостов обогащения, с крупностью частиц до 80−90% класса — 0,044 мм и тем самым увеличивается нагрузка на гидравлический транспорт, так как в основном весь объем хвостов обогащения транспортируется гидравлическим способом. Практически все действующие в горной промышленности гидротранспортные системы работают на гидросмесях с низким содержанием твердой фазы. Средняя величина объемной концентрации твердого материала не превышает 8−10%. Из-за больших объемов выхода твердого и низкой его концентрации в транспортируемой гидросмеси снижается эффективность гидравлического транспортирования, повышается энергопотребление, обусловленное высокой удельной энергоемкостью процесса, то есть затратами энергии на 1 т или 1 ж3 транспортируемого твердого материала.

Низкие концентрации твердой фазы оправданы при транспортировании гидросмесей с частицами относительно крупных размеров в турбулентном режиме течения при средней скорости, определяемой критической скоростью. Повышение концентрации в этом случае приводит к дополнительной турбулентности потока гидросмеси и, как следствие, * к резкому повышению потерь напора и потребного напора системы гидротранспорта, величина которого ограничена применяемыми динамическими насосами центробежного типа.

Существующие методики расчета систем гидравлического транспортирования продуктов переработки минерального сырья базируются на утверждении турбулентного характера движения гидросмеси и устанавливают эмпирические и полуэмпирические зависимости кинематических и динамических параметров гидравлического транспортирования от характеристик твердого материала, гранулометрического состава частиц, их концентрации в объеме гидросмеси и критической скорости потока. Основой этих методик являются гравитационная модель взвесенесуших потоков, разработанная академиком М. А. Великановым и диффузионная модель проф. В. М. Маккавеева (в зарубежной практике гидравлического транспорта известные как Power Model). Главной задачей этих методик является определение значений потерь напора при минимально допустимых (по условиям гравитационного взвешивания твердой фазы в осредненном пуль-сационном поле скоростей) средних скоростях транспортирования и соответствующих значениях диаметров трубопроводов.

На протяжении нескольких десятков лет усилия многих ученых в области исследований взвесенесущих потоков были направлены насоздание основ теории — системы дифференциальных уравнений для двухфазных и многофазных потоков, построенных методами механики сплошной среды. Несмотря на значительный прогресс в этой области теоретических исследований, единая теория, охватывающая все многообразие гомогенных и гетерогенных жидких сред, требует дальнейшего развития. Области использования предложенных уравнений, как правило, ограничены малыми концентрациями и большими крупностями дискретной твердой фазы и, следовательно, эти уравнения применимы для решения лишь ограниченного числа задач гидравлического транспортирования сыпучих твердых материалов.

От крупности частиц твердого материала и его концентрации зависят свойства транспортируемой гидросмеси. С уменьшением крупности и увеличением концентрации роль критической скорости снижается, а при некоторых предельных значениях этих характеристик влияние критической скорости на кинематические и динамические параметры потока исчезает, так как само понятие критической скорости в этих условиях теряет свой обычный общепринятый смысл. С уменьшением крупности твердых частиц и увеличением концентрации их в объеме смеси последнюю необходимо рассматривать как однородную, или гомогенную систему, отличающуюся по своим физическим свойствам от гидросмесей гетерогенных, с относительно крупными частицами и невысокими концентрациями.

Гидравлическое транспортирование гетерогенных смесей характерно лишь для турбулентного потока, при некоторых минимальных критических скоростях, соответствующих перемещению твердой фазы во взвешенном состоянии. При этом предполагается, что силы взаимодействия вмещающей жидкости и твердых частиц, обусловленные вязкостью жидкости достаточно малы по сравнению с силами тяжести, действующими на твердую фазу. Поэтому для перемещения твердой фазы во взвешенном состоянии необходим режим критической скорости, которая является функцией гидравлической крупности твердых частиц. Для обеспечения требуемой производительности системы по твердому материалу, при низких его концентрациях используются большие диаметры трубопроводов (600 — 1200 мм), что неизбежно связано с возникновением турбулентного режима течения.

Гидравлическое транспортирование смесей с относительно мелкими частицами, образующими гомогенные гидросмеси, теоретически возможно при сколько угодно малых числах Рейнольдса, так как в этом случае силы тяжести частиц компенсируются силами, обусловленными вязкостью вмещающей жидкости. С увеличением концентрации твердой фазы седимента-ционная устойчивость гидросмесей возрастает, так как к силам вязкости добавляются силы механического взаимодействия между отдельными частицами, что в итоге проявляется в возрастающем эффекте вязкости гидросмеси. Таким образом, при течении мелкофракционных высококонцентрированных смесей основными факторами, определяющими параметры гидравлического транспортирования, являются концентрация твердой фазы и вязкость гидросмесей, а не критическая скорость.

При гидравлическом транспортировании низкоконцентрированных смесей основная часть, сообщаемой взвесенесущему потоку от внешних источников (насосов) общей энергии (до 90%), расходуется на транспортирование жидкой фазы и лишь малая доля этой энергии, определяемая величиной объемной концентрации, расходуется на собственное транспортирование твердого материала. Вследствие малых концентраций твердого материала величина удельных затрат энергии относительно мала. Но величина общих затрат энергии на транспортирование всего объема гидросмеси достигает больших значений. Как показывают расчеты потребная мощность всех насосов систем гидротранспорта для перемещения указанного выше годового количества твердого материала при средних значениях потерь напора 0,01 м и средней объемной концентрации 0,1 составляет 3,5−10 кВт, что соответствует ОД29 кВт-ч/т-км удельной энергоемкости процесса транспортирования (по расчетным данным). Увеличение концентрации твердой фазы позволит понизить удельную энергоемкость и повысить эффективность систем гидравлического транспорта. Так при увеличении объемной концентрации твердой фазы до 0,4 и ориентировочном росте потерь напора до 0,02 удельная энергоемкость будет составлять 0,064 кВт-ч/т-км при потребной мощности.

1,75−107 кВт.

Транспортирование гидросмесей с высоким содержанием твердого материала неизбежно приводит к некоторому увеличению потерь напора и в большинстве случаев применение широко используемых грунтовых насосов становится неэффективным из-за недостаточности создаваемого ими давления нагнетания и зависимости рабочих характеристик этих насосов от параметров гидросмеси, в результате чего центробежные насосы работают в системах гидротранспорта с изменяющимися расходами и напорами. При транспортировании высококонцентрированных гидросмесей значительно расширяется область использования насосов объемного типа [1−4], которые в настоящее время, за некоторым исключением [5], практически не применяются для этих целей. Отечественной промышленностью выпускаются насосы объемные поршневые буровые по ГОСТ 6031–82, параметры которых удовлетворяют условиям эксплуатации в системах гидравлического транспорта.

Переход на транспортирование гидросмесей с высокими концентрациями твердой фазы является весьма актуальной проблемой для горной промышленности, так как при этом повышается эффективность гидротранспортных комплексов за счет снижения энергопотребления, удельной энергоемкости и металлоемкости процесса.

Решение проблемы связано прежде всего, с необходимостью разработки:

1) теоретических закономерностей течения взвесенесущих потоков с высокой степенью насыщения твердой фазой;

2) методики расчета систем для определения оптимальных соотношений кинематических и динамических характеристик взвесенесущего потока и выбора соответствующего сгустительного и насосного оборудования.

Эта проблема входит в федеральную целевую программу развития рудно-сырьевой базы металлургической промышленности Российской Федерации на 1997;2005 годы (ФЦП «Руда») по направлению «Производственные энергосберегающие технологии трубопроводного транспорта руды и продуктов ее переработки» — в комплексную программу научных исследований, проводимых отраслевой лабораторией гидравлического транспорта руды и продуктов ее переработки при кафедре горных транспортных машин по соответствующим координационным планам госбюджетных и хоздоговорных работ на предприятиях горнодобывающей промышленностив перечень НИОКР на 1999 г. Комплексного плана повышения технического уровня и эффективности производства АО «Норильский комбинат» .

Научная идея работы заключается в том, что гидросмеси мелкофракционных полидисперсных частиц при некоторых их концентрациях образуют седиментационно устойчивые однородные жидкие среды с равномерным распределением дискретных частиц по сечению потока, а силы тяжести, действующие на твердую фазу, компенсируются силами обусловленными вязкостью вмещающей жидкости и гидравлическое транспортирование таких смесей может производиться в ламинарной области течения при средних скоростях и градиентах сдвига, определяемых реологическими характеристиками гидросмесей как неньютоновских жидкостей.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Физическая модель деформации мелкофракционных вязкопластических гидросмесей, отличающаяся от модели для бингамовских пластиков и основанная на особенностях возникновения и проявления реологических свойств, обусловленных эффективной, структурной и пластической вязкостью.

2. Математическая модель течения вязкопластических гидросмесей по промышленным трубопроводам, отличающаяся тем, что устанавливает зависимость среднего объемного расхода смеси, как суммы расходов образующихся концентрических зон течения в функции напряжений сдвига, при линейном законе изменения концентрации твердой фазы в поперечном сечении трубопровода и соответствующим изменением вязкости гидросмеси в зонах течения.

3. Закономерности формирования и проявления реологических характеристик концентрированных гидросмесей, учитывающие структурные и пластические свойства вязкопластической смеси в виде структурной и пластической вязкости, являющихся функциями концентрации твердой фазы в ядре и кольцевой области потока, соответственно.

4. Закономерности изменения вязкости в поперечном сечении взвесенесу-щего двухфазного потока при линейном законе изменения концентрации в кольцевой области потока.

5. Теоретические зависимости потерь энергии при течении высококонцентрированных межофракционных гидросмесей от их реологических характеристик.

Обоснованность и достоверность научных положений, основных выводов и рекомендаций определяются использованием фундаментальных положений гидромеханики, прикладной математики, классических методов математического анализа, тензорной алгебры и подтверждается сопоставимостью результатов теоретических исследований с натурными измерениями, экспериментальной проверкой и использованием результатов исследований в промышленных условиях.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке новой математической модели и теоретических закономерностей течения псевдопластических жидкостей и интерпретации уравнений Бингама и Бу-кингама для условий гидравлического транспортирования высококонцентрированных полидисперсных гидросмесей по промышленным трубопроводам, а также в:

— разработке механизма формирования и проявления реологических свойств концентрированных межофракционных гидросмесей при течении их по трубопроводам;

— обосновании зависимости вязкопластических свойств гидросмесей от структуры потока и распределения концентрации твердой фазы по его сечению;

— в разработке новых безразмерных параметров вязкоплатического потока гидросмеси, устанавливающих функциональную зависимость объемного расхода от напряженного состояния и реологических свойств тела течения;

— в определении зависимости энергетических характеристик взвесе-несущего потока от его вязкопластических и реологических свойств и установлении закономерностей снижения единичных затрат энергии на транспортирование при изменении массового расхода системы.

— в обосновании методики выбора насосного и сгустительного оборудования для систем гидравлического транспортирования высококонцентрированных гидросмесей;

— в разработке методики расчета параметров гидравлического транспортирования при оптимальном соотношении массового расхода и энергетических потерь.

Практическое значение работы:

— теоретическое обоснование зависимости величины энергоемкости кости процесса гидравлического транспортирования от концентрации твердой фазы и установлении основных расчетных зависимостей;

— разработка методики расчета параметров гидравлического транспортирования высококонцентрировайных гидросмесей для выбора насосного и сгустительного оборудования;

— обоснование критериев повышения эффективности и снижения энергоемкости эксплуатации гидротранспортных систем на предприятиях горной промышленности;

— разработаны алгоритм и программа компьютерного моделирования и расчета систем гидравлического транспортирования продуктов переработки минерального сырья на горных предприятиях.

Реализация результатов работы:

— полученные научные результаты и разработанная методика расчета приняты институтом «Механобр инжиниринг» для использования при проектировании гидротранспортных систем на горно-обогатительных предприятиях металлургической промышленности. — результаты работы были использованы при реконструкции закладочных комплексов и системы гидротранспорта хвостовой пульпы ОФ № 3 на Джезказганском горнометаллургическом комбинатена рудниках «Тишинский», «40 лет ВЛКСМ» и «Риддерский» Лениногорского полиметаллического комбинатана шахте «Заполярная» ОАО «Воркутауголь» в схеме сгущения, транспортирования и утилизации угольной просыпи.

Апробация работы. Работа и ее отдельные положения докладывались на межкафедральных семинарах горно-электромеханического факультета СПГГИ (ТУ) — на 6-ой Международной конференции по цроблемам гидротехники (Шклярская Поремба, 6−8 мая 1996 г., Польша) — на Международной конференции по проблемам трубопроводного транспорта и качества воды (Познань, 3−7 июня 1996 г., Польша), на IV и V Международных горно-геологических симпозиумах (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ) — ноябрь 1996 г., октябрь 1997 г.) — на 9-й Международной конференции по проблемам гидравлического транспорта (Краков 2−5 сентября 1998 г., Польша).

Декларация конкретного личного вклада в разработку научных результатов, выносимых на защиту — формулирование научной проблемы, цели, научных положений и задач исследованийсоставление дифференциальных уравнений и решении ихсистематизации результатов экспериментальных исследованийразработке методик экспериментальных исследованийразработке методик расчета и рекомендаций для цромыпшенности.

Публикации. Научные результаты, полученные в диссертационной работе, опубликованы в 65 печатных трудах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературысодержит 300 страниц, 45 рисунков, 30 таблиц. В Приложениях приведены дополнительные материалы по экспериментальным данным и обработке результатов, информационно-техническая и справочная документация.

Общие выводы по результатам выполненных исследований сводятся к следующим основным положениям:

1. Теоретически и экспериментально установлено, что гидросмеси продуктов переработки полиметаллической руды образуют седиментаци-онно устойчивые неньютоновские жидкости, подобные бингамовским пластикам, проявляющие реологические свойства в виде начального (статического) напряжения сдвига, структурной и пластической вязкости, численные значения которых изменяются в поперечном сечении потока в зависимости от градиента скорости деформации и концентрации твердой фазы.

2. Доказано, что к высококонцентрированным относятся гидросмеси продуктов переработки руды, подобные неньютоновским жидкостям, течение которых сопровождается существенным проявлением начального (статического) напряжения сдвига, определяемого критической объемной концентрацией твердой фазы, среднее значение которой составляет 20%.

3. Теоретически получена новая реологическая модель потока вязко-пластической гидросмеси при рассмотрении деформационного состояния элементарного объема жидкости, подверженного воздействию внешней силы и общего тензора напряженного состояния, включающего сумму нормальных и касательных напряжений. На основе анализа изменений скорости деформации и пространственного положения через градиент скорости были получены значения деформаций.

4. Полученная математическая модель вязкоплаетических гидросмесей выражает собой общий случай течения гидросмесей с изменяющимися по сечению потока концентрацией твердой фазы, вязкости и относительного напряжения сдвига, являющимися основными параметрами состояния гидродинамической системы и устанавливает новую функциональную зависимость среднего объемного расхода гидросмеси от основных параметров.

5. Выведены новые функциональные зависимости основных параметров деформационного состояния (относительного напряжения сдвига, структурной и пластической вязкости) от концентрации твердой фазы и установлено, что критерием деформационного состояния вязкопластиче-ского потока гидросмеси является относительное напряжение сдвига, равное отношению начального (статического) напряжения к напряжению на стенке гидротранспортного трубопровода;

Относительное напряжение сдвига изменяется в интервале значений 1 — 0 и уменьшается с увеличением градиента скорости деформации и средней скорости потока.

6. Впервые математическая модель выражена в безразмерной форме, позволяющей производить ее анализ в широком диапазоне относительных значений основных параметров вязкопластического потока гидросмеси и его деформационного состояния как функцию двух аргументов — относительного напряжения и коэффициента структуры.

7. Экспериментальные лабораторные и промышленные результаты совпадают с основными теоретическими положениями физико-математической модели вязкопластических гидросмесей, как неньютоновских жидкостей, а полученные эмпирические формулы (относительное напряжение сдвига, вязкость и соответствующие коэффициенты) позволяют производить количественную оценку основных параметров, дополняют и расширяют область использования теоретических закономерностей.

8. Установлено, что затраты энергии на транспортирование вязко-пластических гидросмесей в ламинарном режиме течения, в виде потерь напора по длине трубопровода, определяются формулой Дарси-Вейсбаха и получена новая формула для коэффициента гидравлических сопротивлений, учитывающая деформационное состояние вязкопластического потока относительным напряжением сдвига и коэффициентом пластичности.

9. Методика расчета систем гидравлического транспорта устанавливает соотношения между основными параметрами деформационного состояния вязкопластичного потока, являющимися функциями одной переменной — концентрациивыведены новые расчетные формулы и разработан алгоритм расчета систем гидравлического транспорта для произвольного диапазона производительности гидротранспортной системы, который может быть использован для создания пакета новых прикладных программ по компьютерному моделированию при исследовании, расчете и проектировании гидротранспортных систем в САПР и IBM PC.

10. На примере реконструкции действующей системы гидротранспорта в технологии приготовления закладочной смеси доказана технико-экономическая эффективность гидравлического транспортирования гидросмесей с высокими концентрациями твердой фазы.

Экономический эффект достигается за счет снижения удельной энергоемкости процесса, уменьшения объема транспортируемой гидросмеси и диаметра трубопровода при одинаковых количествах твердого материала, с фактическим сокращением годового расхода электроэнергии на 15 905×106 кВт-ч и уменьшением металлоемкости системы гидравлического транспорта в 3,5 раза. л.

11. В диссертационной работе показано, что для гидравлического транспортирования гидросмесей высоких концентраций эффективно применение высоконапорных насосов (поршневых или плунжерных), а для приготовления гидросмесей с высокими концентрациями твердой фазы должны применяться тонкослойные сгустители пластинчатого типа, обеспечивающие высокую степень сг ущения исходной гидросмеси и осветления оборотной воды.

12. Основным методом исследования, использованным при разработке математической модели и методики расчета, являлся феноменологический с применением основных зависимостей классической гидравлики, гидромеханики, тензорной алгебры, дифференциального и интегрального исчисления и экспериментальный с использованием элементов математической статистики и регрессионного анализа для обработки результатов экспериментальных исследований.