高浓度KCl矿浆长距离输送沉降流速探讨.docx

1、高浓度KC1矿浆长距离输送沉降流速探讨黄柯'，孙爱军2(1.化工部长沙设计研究院，湖南长沙410116；2.镇江正汉金利特泵业有限公司，江苏扬州212200)摘要：中高浓度KC1矿浆长距离输送在国内尚未有工程先例，而合理的水力学设计关系到管道输送的安全性和经济性。文章通过实验评价矿浆流变特性和输送的可操作性。将理论计算数据与试验数据进行比较确定沉降流速，根据上述结果确定矿浆输送的浓度范围，为管道输送系统设计提供可靠的依据。关键词：KC1矿浆；长输管道；沉降流速中图分类号:TQ131.L3文献标识玛:A文章编号：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钾肥生产中，由于外部条件的限制，选矿装置和包装干燥装置往往相距较远，KC1原料以矿浆的形式在装置间输送。现有的矿浆输送公式都是基于特定试验对象的半理论的经验公式，输送的物料一般为难溶性的固体颗粒，水作为载体。KC

5、1矿浆输送较传统的矿浆输送还需注意以下几个问题：(DKC1颗粒为可溶性固体，输送时以KC1饱和溶液作为载体；(2) 过饱和溶液中，部分粒径小于100am的固体颗粒形成的均质矿浆,其性质类似于清水；(3) 长距离输送时，管线起点和终点的温度差,导致粒径的变化；(4) 矿浆易在管内壁上结晶，输送阻力增加，输送效率降低。中高浓度KC1矿浆长距离输送在国内尚未有工程先例，文章结合刚果项目KC1矿浆输送的设计实例和盐湖应用实例，对沉降流速和输送浓度进行分析和探讨。1工艺设计依据刚果项目热溶结晶工序产出的KC1结品颗粒与母液的混合物，用泵经管道输送到位于港口的造粒工厂，经干燥造粒后产出KC1成品，KC1矿

6、浆正常输送量为152t/h,输送距离为18kmo固相主要成分为KC1颗粒，KC1约占98.40%,NaCI约占1.40%,收稿日期：2017-06-15作者简介：黄何(1982)，男，湖南长沙人,工程师，硕士，从事K距离管道输送和管道安全技术的设计研究工作。联系方式616742193真比重为1.98g/cn?.液相为KC的饱和溶液，比重为1.22g/mLo矿浆管道入口温度30出口温度25对应的中值粒径范围0.35mm-0.40mm,矿浆pH值46。设计矿浆输送重量浓度为35%40%,最大42%,最小30%o矿样的粒径分布见表1,液相载体的组成见表2。KC1矿样粒径分布

7、Tab.1Potassiumchloridemineralsampleparticlesizedistribution粒径/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名称KC1NaClMgCljCaCl2CaSO4H2°比$/(g,mL'T）备注组成/%10.6512.345.740.010.1471.121.2230图1屈服应力与矿浆浓度的关系曲线Fig.1Relation

8、shipbetweenyeildstressandslurryconcentration30354045505560质量浓度/%卜I卜一20-O543.2J.O981n111«1la1oo304050质量浓度/%2矿浆物理特性参数的测定2.1流变参数流变参数对了解矿浆的流动特征和确定沿程阻力损失具有指导意义。在长距离矿浆管道工程中,应以流变试验成果为依据进行工业试验和选择工艺参数。根据项目工况，实验测定的主要流变参数见rEPEPWR®套理图2粘度与矿浆浓度的关系曲线Fig.2Relationshipbetweenviscosityandslurryconcen

9、tration图1表明屈服应力随着重量浓度的增加而上升。当重最浓度超过45%时，曲线斜率上升较快,矿浆流动需要克服的屈服应力也就越大。当矿浆的浓度较低，颗粒较细时，此时的矿浆具有牛顿体的特性。特别是粒径均小于100um的颗粒，即是被输送的物料,又是输送载体，这部分矿浆可视作均质矿浆，其管路特性基本与清水一致。由图2可见，当重量浓度小于32%时，矿浆的粘度系数曲率较为平缓。超过此数值后曲线变陡,当重量浓度超过42%时，曲线急剧变化。这揭示了矿浆粘度随固体浓度增加而迅速上升的变化规律。管道的输送阻力与流变特性密切相关,阻力增大会增加能耗和初始投资。综合考虑矿浆的流变特性，矿浆的输送浓度不应大于42

10、%o2.2沉降性能参数沉降速度反映了固体在液体中相互作用时的综合特性和固体颗粒水力输送的难易程度。根据固体颗粒沉降速度的计算公式，同时考虑颗粒的形状系数，计算得平均沉降速度。上述计算结果和实验测定的颗粒沉降速度见图3。°计算沉降速度实验沉降速度圈3沉降速度关系曲线Fig.3Sodimentationvelocitycurrve计算的结果约为实验测定的1.3倍，沉降速度曲线的变化规律与粘度变化规律基本保持一致。当重量浓度小于40%时，变化曲线较为平滑，斜率基本保持不变,这是因为浓度较低时，颗粒在沉降过程中相互的干扰较小，且矿浆粘度较低,颗粒需克服的阻力小;浓度较高时，对应的粘度值也较大

11、,细颗粒在电解质容易形成絮网结构，产生屈服应力,沉降速度也随之减小。3沉降流速为使矿浆中适宜的固体颗粒得以悬浮，必须对沉降速度进行限制，以保持伪均匀流体的行为，防止堵管并使管道底部磨损最小化。KC1矿浆输送暂无可靠的经验公式，参照尾矿设施设计规范中的刘德忠公式、E.J.WASP公式和B.C.克诺罗兹公式以及KC1选矿工程中常用的凯夫公式计算沉降流速。根据设计输送流址，选用管径为DN250mm的输送管,计算结果见表3。序号质所浓度/%363840424446(1)刘德忠/(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.克诺罗兹/(m或)08(4)凯夫/(ms'1)1.501.481.471.451.431.42衰3矿浆输送沉降流速Tab.3Slunytransportsettlingvelocity从表3可以看出，质量浓度的增加对沉降流速变化影响不明显，质量浓度增加了10%,而沉降流速变化最大为0.14m/s,对整个管线的流速设计影响可以忽略。根据现场实测数据沉降流速基本稳定在1.10m/s1.50m/so在质量浓度36%46%范围内，公式(1).(3)和(2).(4)整体趋势相反。主要是由于粘度对沉降流速有着双重影响。随着浓

13、度的增加，颗粒悬浮和流动需要更多的能量，通过提高流速,使矿浆获得更多的动能;随着浓度的增加，矿浆中的微小颗粒也随之增加，这部分微小颗粒可作为大颗粒的载体，随着载体密度和粘度的提高,使大颗粒更容易悬浮，上述结果与上文沉降性能参数论述是一致的。公式(1)的计算值与其他3个公式计算值偏差较大，与实测值约有1.2倍安全余量,适用工程设计计算。公式(2)和(3)计算值都在实测的流速范围内，实际应用时应考虑1.3倍的安全余量。公式(4)的计算结果与实测值最为接近。从安全和经济的角度出发，综合考虑渣浆泵的扬程极限和复合塑料管线的承压能力，上述工况条件下，工程设计流速控制在2m/s是合适的。4输送最高质浓度的

14、确定图4和图5分别揭示了在正常设计输送最(152t/h)和在最大输送量(1.25倍设计输送量:191t/h)工况下，工作流速、沉降流速和过渡流速分布。其中过度流速是矿浆从层流到紊流之间过渡段的流速，矿浆输送要避免层流状态。两种输送工况下,矿浆的工作流速都明显大于过渡流速,可有效减缓管道下玄面的磨蚀。图4表明当质量浓度上升到43.5%,工作流速与沉降流速相当，也就是说在152t/h输送量情况下，矿浆质量浓度不能高于43.5%o图5表明当矿浆达到最大输送量时，工作流速高于沉降流速，管线不会堵管,同时可以提高管线输送效率。但在实际生产中，过高的输送浓度会加剧管内壁磨蚀，当表面形成腐蚀坑后，往往在腐蚀

15、坑周边区域最先开始出现结品现象。流量*沉降流速T作流速。过渡流速50-0400-04146(T-C.E)面暴质量浓度/%图4矿浆流速、沉降流速、过渡流速与矿浆浓度的关系(设计输送：152th")Hg.4Kelationhipofslurryflowrate,se<Jimen!ationvelocityttrasitionflowrateandslurryconcentration(designdeliveryvolume：152th'1):r！U364035302520151050:r！U36403530252015105041质量浓度/%400350。流做沉降流速工作

16、流速。过渡流速。流做沉降流速工作流速。过渡流速-300：250王2(X)1-150100'-50-Jo46图5矿浆流速，沉降流速和过渡流速与矿桨浓度的关系(最大输送：191t-h-')big.5Relationshipofslurryflowratetsedimentationvelocity,trasitionflowrateandblurryconcentration(maxdeliverylolume；19lth"1)长距离的矿浆输送已在青海盐湖和国投罗钾盐田投用多年，已积累比较成熟的工程经验。其矿浆输送的主要固相成分为KCl.MgCl2和NaCl,输送质量浓度

17、一般控制在30%-40%,采用多级渣浆泵串联输送，流速保持在2m/s以上，单级输送距离约为5km,总输送距离最长可到14km。从项目的类比性分析，上述工艺计算过程在工程中是适用的。5防堵管和结晶的措施KC1颗粒处于不断溶解、结晶和长大的动态过程中,部分颗粒会不断长大，在管底淤积，部分在管道内壁结晶黏附。输送过程中应严格控制输送流速，保证流速大于沉降流速。泵和管线需设置冲洗装置,管线运行一段时间后，应用母液替换矿浆冲洗管道,确保管道内的物料和结晶冲洗干净。泵出口处不宜设置止回阀，管线不宜设置排气阀。加强对泵电流和管线流量的监控，当电流异常增大或流量变小时，立即开启管线冲洗装置。管道敷设过程中应注

18、意坡度设置，保证矿浆不会在局部管段内淤积,否则应设置放空阀和冲洗水接口。管线各阀门处应设置冲洗水接口。管线的拐点、弯头处做好曲率控制和内防腐层处的质量控制，减缓上述节点表面磨蚀点的形成。管线的承压能力需考虑0.5MPa的安全余量，避免颗粒增大后，局部管道堵管后爆管。停泵后，矿浆容易沉积板结，且板结密实度随时间增加很快，故管道故障后应尽快修复后通水，有条件的情况下，管线保持小流量通水，可有效避免结晶。6结语KC1矿浆的管道输送不仅经济、安全，又可避免输送过程中的损耗、污染等间题，是一种理想的输送方式。常用的水力计算模型修正后，可用于计算KC1矿浆长输管道的沉降流速。通过试验确定的输送质量浓度，对

19、以后的类似工程有一定的参考价值。参耆文献1 费祥俊.矿浆的物理特性与管道输送流速J.管道技术与设备.2000(1).1-4.2 CB50863-2013,尾矿设施设计规范S.(编辑:崔树芝)青海盐湖开发探索盐湖绿色循环发展新模式从盐湖中的卤水开始，青海盐湖用科技创新驱动钾盐、钠盐、镁盐、锂盐等盐湖资源绿色、梯级开发，逐步搭建起其与能源化工、有色金属、新能源、新材料产业耦合发展的循环产业模式。多位国内外专家分析认为，青海当前探索出的盐湖“创新驱动、梯级开发、综合利用”的绿色、循环发展模式，将为世界盐湖开发提供新的参考。在素有“聚宝盆”之称的青藏高原柴达木盆地分布有30多个盐湖，盐湖资源丰富。其中，总面积5856km2的察尔汗盐湖是中国最大的可溶性钾枝盐矿床，其钠、锲、钾、钮的储量均居中国之首。盐湖有“无机盐宝库