管道输送技术在冶金矿山领域的应用前景.docx

*管道输送技术在冶金矿山领域的应用前景姜圣才，成秉任，温春莲( 中国冶金矿业总公司，北京，100011)摘 要:管道输送作为公路、铁路、水运、空运以外的第五种运输方式，在世界范围内获得迅速发展和应用。世界上已建成 100 多条输送管道，我国已建成尖山铁精矿、大红山铁精矿、翁福磷精矿和大峪口磷精矿等浆体 输送管线。管道输送具有更好的适应复杂地形; 缩短实际运输距离等优点，必将在我国冶金矿山领域获得广 阔的市场。关 键 词:管道输送; 冶金矿山; 应用; 工艺中图分类号:td928 7 文献标识码:a 文章编号:1001 0076( 2011) 06 0113 05the application prospect of pipeline transportation in metallurgical minejiang sheng cai，cheng bing ren，wen chun lian( china metallurgical mining corportion，beijing 100011，china)abstract: pipeline transportation which has become the fifth transportation means in addition to traditional transportation such as road，railway，water carriage and air transport is developing and applied rapidly in the world now more than 100 pipelines have been put into use including jians- han iron concentrate，dahongshan iron concentrate，wengfu phosphate concentrate and dayukou phosphate cncentrate in china pipeline transportation can adapt to complicated landform and re- duce the transportation distance it will be widely applied in metallurgical mines in the near future key words: pipeline transportation; metallurgical mine; application; technology交通运输是社会生产力发展的重要组成部分。在传统的公路、铁路、水运、空运等运输方式获得快 速发展的同时，近几十年又出现和发展了石油、天然 气和固体颗粒浆体的管道输送，并被称作第五种运 输方式。目前管道输送已在世界范围内获得迅速发 展; 输送物料的范围不断扩大，输送距离从短到长， 输送浓度由低到高，在矿山、水利、环境工程、化工等 诸多领域得到了广泛的应用。水冲走，并取得专利。但正式用于工业生产是在1914 年英国泰晤士河畔的一家电厂，该厂利用管径 为 200 mm、长 604 m 的管道水力运煤，这只是浆体 短管路输 送。 直 至 1957 年，美 国 固 本 ( consolida- tion) 煤炭公司在俄亥俄州建成了长 174 km、直径254 mm 的管路，使浆体管道输送的概念正式应用于 长距离的固体输送。随后亚利桑那州长 440 km、管 径 457 mm 的黑梅萨( black mesa) 管路的出现，更加 推进了浆体管路输送的现代化发展。1967 年澳大利亚建成世界上第一条铁精矿输 送管道萨凡奇河铁精矿输送管道。输送管道全 长 85 km，输送管道的管径为 244 mm，年输送量达管道输送的应用现状国外管道输送的发展应用早在 1891 年美国就有人将煤捣碎在管道中用11 1* 收稿日期:2011 04 11; 修回日期:2011 08 24基金项目:十一五国家科技支撑项目( 编号: 2006bab02a12)作者简介:姜圣才( 1979 ) ，男，山东聊城人，工程师，硕士研究生。研究方向为选矿工程。矿产保护与利用2011 年114230 万 t。世界上目前已建成 100 多条浆体长距离输送管线，其中萨马柯( samarco) 铁精矿管线和黑梅 萨( black mesa) 输煤管线最具代表性1。1977 年巴西建成了世界上规模最大的铁精矿 输送管 道萨马柯铁精矿管 线，管 道 全 长 399 km，设有两座泵站和两座阀站。管道沿程地形较复 杂，起点标高约1 000 m，终点标高 24 m，中间翻过一 座高山，最高点标高1 180 m。为了克服加速流，在 二号阀站安装了 5 条调压旁路，在批量输送时可根 据压力的变化分别串接 1 5 条调压旁路进行消能。 该管线设计寿命为 20 年，从生产实际情况看，寿命 可达 35 年。黑梅萨管道全长 440 km，设有 4 座泵站。管道 沿程地形复杂，中间经过六座大小山峰和两条河流， 其标高从2 000 m 下降到 150 m，最后 21 km 高差降 落 914 m。输送管道管径由 457 mm 减至 305 mm， 借此提高管内煤浆流速增大阻力来消除加速流。该 管线已于 2005 年底关闭。随着长距离浆体管道输送工程的建设，国外在 输送参数、输送工艺、输送设备等方面开展了大量试 验研究和理论探讨工作，并取得了众多研究成果，极 大地推动了浆体管道输送技术的工程应用。目前较 为有名的专门从事浆体管道输送工程设计的公司有 美国的管道系统公司( psi) 、博而思( brass) 公司和 德国的萨尔茨吉特公司( salzcgitter) ，这些公司 都拥有一套较为成熟的浆体管道输送工程设计方 法。长距离浆体管道输送工程实例见表 11，2。表 1 长距离铁精矿管道输送工程实例国内管道输送的研究进展直到 20 世纪 80 年代初，我国才开始研究长距 离高浓度浆体管道输送技术，使浆体管道输送成为 我国大规模运送物料的运输方式之一。从 20 世纪80 年代初到 90 年代初，我国管道输送科研人员进 行了众多矿山物料浆体管道输送的研究、可行性分 析以及工程项目的前期准备工作，在铁矿方面长沙 矿冶研究院完成了尖山、攀枝花、白马、调军台、梅山 等矿山铁精矿矿浆管道输送试验研究3，为在 90 年 代中期长距离浆体输送管线的建设和应用及我国浆 体管道输送技术的实用化。奠定了坚实的基础。从90 年代初至今，我国浆体管道输送有了长足的、突 破性的发展，已从技术研发阶段进入实际应用阶段。 目前我国已建成了尖山铁精矿、大红山铁精矿、瓮福 磷精矿、大峪口磷精矿等浆体输送管线。1997 年 6 月 29 日，我国第一条铁精矿长距离 浆体输送管道太原钢铁集团( 公司) 尖山铁精 矿管线顺利投产，开创了我国铁精矿长距离浆体管 道输送的新篇章。该管线全长 102 km，年输精矿300 万吨，起点至终点标高落差 525 m，只设一座泵 站。管道输送系统包括管道模拟软件、检测环管系 统和矿浆流变特性测试技术、管道防腐蚀保护技术、 scada 数据采集和控制软件、管道制浆工艺、脱水 工艺和管道敷设技术。尖山管道输送系统工艺见图1 241。贵州省瓮福磷精矿浆体输送 管 线 全 长 45 6 km，年输送精矿 200 万吨，管线设一个泵站。管线 沿程地形不十分复杂，标高落差为 348 m，管道内径210 mm，管线最大敷设坡度 12% 。管道设计寿命为25 年，最大磨蚀量为 5 mm。该管线于 1995 年 5 月 建成投入运行。瓮福磷精矿浆体输送系统由 2 个储浆罐、2 台 喂料泵、3 台主泵、1 条管道、1 个终端阀门站和 2 个 终端储浆罐组成，如图 2 所示5。昆钢玉溪大红山铁精矿输送管线是我国一条距 离最长、扬程最高、泵站最多的长距离浆体输送管 线，管线全长 171 km，沿程设三座泵站( 1 号泵站位 于戛洒镇、海拔 670 m，2 号泵站位于新化乡，海拔1 454 m，3 号泵站位于富良棚镇，海拔1 854 m) 和四 座中间压力监测站( 1 号站海拔2 010 m，2 号站海拔1 300 m，3 号站海拔2 232 m，4 号站海拔1 900 m) 。运距/ km管径/ mm输送浓 输送能力 投产度 / % / 万 ta 1 时间国家名称澳大利亚巴西 南非萨凡奇河萨马柯 博拉帕拉8524450 602301200440180450210100070020024030023019672007198219761976197619802005197519972007399 508 /457 60 702654062193502195055 6560 6855 65墨西哥 佩纳科罗拉达 48墨西哥阿根廷 印度 印度 朝鲜 俄罗斯 中国 中国拉赫库利斯斯拉格兰德 库德雷穆克 埃萨钢铁 茂山 清津3093250 510 /560 60 70268 360 /4109827550556565列别金斯克 26 5323太钢尖山 102 230 /212昆钢大红山171 168 /150第 5 6 期姜圣才，等: 管道输送技术在冶金矿山领域的应用前景115管线沿程地形复杂，需翻越三座山峰，穿过 12 条隧道、跨越河流沟谷 38 个。如大红山铁精矿管线采用光纤电缆通讯及监控和数据采集系统，管线全部控制由泵站控制室的人机交 互式界面完成，同时，每个泵站可独立于其它泵站运 行，即使泵站间失去联系，运行也不会因此而中断。22 1管道输送工艺管道输送工艺组成浆体制备系统2 1 1浆体制备系统的作用是制备适宜于浆体管道输送系统的浆体，浆体应该具备合格的浓度、粒度、浆 体 ph 值和除去浆体中多余的氧。主要制浆设备为 破碎、磨矿、筛分、浓缩、贮浆、ph 调整、除氧、监测设 施等。2 1 2中间输送系统中间输送系统主要是泵站和输送管道，其作用是将合格的浆体输送到目的地。浆体输送系统包括 喂料泵、主泵、阀门、输送管道、管道清洗水设施、清 管器的投加与回收设施、管道消能减压设施、中间贮 浆和浓缩设施、数据传输和监控设施、输送管道阴极 保护设施等。根据输送管道的长短、输送的物料和 管道经过的地形条件可适当增减。图 1 尖山铁矿管道输送系统工艺图2 1 3后处理系统浆体到达输送终点后通过一定的工序进行脱水，脱水后的物料可以直接使用或贮存。污水经处 理后可作为工业用水或循环使用。图 2 翁福矿浆管道系统示意图管道输送工艺流程由选矿厂来的铁精矿浆由输送浆泵给入精矿浓 缩池，其底流经泵给入矿浆分配箱，被分配后入搅拌 槽，经搅拌混匀并加入补给水和药剂后由喂料泵把 浆体给入主泵站前的检测环管，对将要被输送的矿 浆进行浓度、流量、压降等检测，系统中加入石灰乳 和脱氧剂，以保证浆体为碱性，并除去浆体和冲洗水 中的游离氧，消除游离氧对管道内壁的严重腐蚀。 不符合输送要求的浆体将不能进入主泵而返回搅拌 槽或浓缩池中，只有符合设定输送参数的浆体才允 许进入主泵( 隔膜泵) 。系统中的管道输送中心控 制室，将对整个管道输送工艺过程进行监视，并通过 计算机系统实现自动化控制。输送管线途经山区、 平原、市区和河滩。铁精矿浆体在管道中运行到达 终点后，直接进入过滤车间进行脱水，由胶带输送机2 2昆钢玉溪大红山铁精矿输送管线为我国复杂地形多级泵站输送管线的建设和生产提供了新的经 验，使我国浆体长距离输送应用技术更上一个台阶。长距离管道输送技术发展的主要趋势是输送设 备能力的增大和自动化控制水平的提高。在输送设 备方面，由开始的活塞泵发展为柱塞泵直到后来的 隔膜泵，扬程也由 8 10 mpa 发展为 12 15 mpa 直 到现在的 25 mpa。输送泵扬程的提高，增大了单座 泵站的输送距离，减少了管线的泵站数量，从而降低 了运输成本。随着计算机技术和通讯技术的发展，长距离输 送管线自动化控制水平不断提高。一般都备有可靠 的通讯和计算机自控系统，各泵站之间可相互读取 利用相关数据和信息，首站可遥控其它中继泵站。矿产保护与利用2011 年116运到原料场; 滤液经精矿浓缩机浓缩后再进入过滤车间过滤脱水，溢流水经处理可作工业用水。当后 处理系统出现故障时，矿浆切换到流态化矿浆仓中 暂存，系统正常后，重新造浆送过滤车间脱水。长距 离管道输送工艺示意图见图 37。一但发生故障，会导致整个系统停止运转; ( 3) 要有足够的水源; ( 4) 不适用于脱水费用大的物料运输;( 5) 初期投资较高，基建费用较大; ( 6) 输送管路需 要定期或不定期徒步检查。管道输送的特点( 1) 管道输送对复杂的地形条件具有良好的适 应性，并可有多条线路选择，但一般沿着已有公路或 铁路修建居多，如为节省投资而新建线路，应修建一 条可通行吉普车的简易公路，以便定期沿线检查;( 2) 与其他几种( 公路、胶带、铁路) 运输方式相比， 具有投资和经营费用较低的特点; ( 3 ) 管道需要有 防腐设施，它是在起点站投放氢氧化钙使 ph 值达 到 10 5，并加入亚硫酸钠而脱氧，从而抑制管路腐 蚀速度; ( 4 ) 管道输送不提倡低质量浓度的输送方 法。如朝鲜茂山清津管道设计输送浓度为 54% ， 实际生产仅为 30% 40% ，且管壁磨损严重。运输 物料质量浓度增加，颗粒沉降速度降低，到了一定浓 度后，沉降速度几乎为零。为了减少管壁磨损而提 倡使用大于临界浓度的输送方法; ( 5 ) 运行流速要 大于临界流速。管道流速要达到一定值以产生足够 的紊流才能使固体颗粒悬浮，以保证物料安全输送。3 3图 3 长距离管道输送工艺示意图管道输送的影响因素长距离浆体管道输送主要影响因素包括: 管道 输送流速，管道输送阻力，管道输送浓度，管道直径， 管道敷设坡度及腐磨蚀量。针对以上因素，在实际输送中对输送的矿浆各 项指标有严格的要求。主要指标有: 矿浆的浓度、矿 浆固体颗粒的粒度、矿浆的 ph 值。对管道设计安 装的要求包括: 管道安装坡度、输送参数、泵的出口 流量。2 3管道输送技术在我国冶金矿山企业的应用前景我国金属及非金属矿产资源丰富，但多数分布 在交通不便的山区，离运输干线较远，新建铁路、公 路等运输干线投资大、建设时间长，而且要多占日益 减少的珍贵土地，加大了对环境的压力。随着国家 环保要求的提高，洁净生产技术的推广及环保政策 法规执行力度的加大，发展经济必须走“科技含量 高、环境污染少、经济效益好”的新型化道路。 因 此，发展固体物料的管道运输，并充分发挥其潜能， 作为现在运输体系的补充，对我国有更为重要的现 实意义。我国 20 世纪 90 年代建成的尖山铁精矿和翁福 磷精矿输送管线为矿山产品外运提供了良好的范 例，大红山铁精矿管线的建成投产进一步体现了长 距离管道水力输送技术的优越性和良好的经济效 益。对冶金矿山来说，长距离管线不仅能更好地适 应其复杂地形，缩短实际运输距离，而且也特别适合 其选矿产品铁精矿的输送，不需为输送而专门4管道输送的优缺点33 1优点( 1) 基建投资少、建设周期短、建设速度快; ( 2)能耗小、运营费低、运输成本低; ( 3 ) 受地形条件的限制少，易于克服自然地形的障碍; ( 4) 可以实现连 续运输，无铁路公路运输方式的车厢空载回程和寒 冷地区物料在车厢中的冷冻问题; ( 5) 安全可靠、作 业率高，几乎可不停顿地进行全年输送，几乎没有物 料损耗; ( 6 ) 由于长距离浆体管道绝大部分都埋设 在冰冻层以下，因此不占或少占农地，受气候变化的 影响较小，不污染环境，不破坏生态平衡; ( 7 ) 可极 大地减少建设工程量、减少管理人员和辅助生产设 施; ( 8) 易于实现自动控制、便于维护管理。局限性缺点( 1) 输送物料粒度受到一定限制; ( 2