矿浆管道输送技术发展60年回顾

矿浆管道输送技术发展60年回顾

1铁精矿浆体管道输送工程概况与其他交通方案（铁路、公路等）相比，水电工程短、基建投资低、适应性强、不占或少占土地、不污染环境、连续运行的外部干扰小、自动化程度高、技术可靠性和运输成本低等优点。自1957年美国统一煤炭公司建成从弗吉尼亚到加的斯长173km、管径254mm、年运量130万t煤的世界上第一条工业运输管路以来,散装物料长距离水力管道输送已成为一种先进的工业运输方式。目前,水力管道输送生产能力已由数百万吨扩大到数千万吨,输送距离由数百公里发展到上千公里,输送物料包括煤、高岭土、硬沥青、磷灰石、石灰石、河砂、尾砂以及铜、铁、镍等精矿,输送管径最大达965mm,泵的最大输送流量600m3/h,泵的最大压力达20MPa。如巴西萨马科铁精矿输送管道,输送距离396km、管径508mm、年运量1200万t,为世界上规模最大的铁精矿浆体输送管道。表1列出了国外若干铁精矿浆体管道输送工程实例在国外,长距离浆体管道输送已被认为是一种经济、有效、技术上成熟、可靠的先进运输技术。就我国冶金矿山来说,这一运输方式是开发边远山区矿产资源或缓解铁路运输紧张状况、解决精矿外运和尾矿排放的有效方法近年来浆体管道输送已成为我国冶金矿山基本建设设计中精矿外运或老矿山技术改造尾矿排放的主要方式之一。但是我国在本世纪50年代至70年代这一段时期内,矿浆管道输送技术发展较缓慢,工程设计中一直沿用前苏联的设计模式和计算方法。虽然也修建了一定数量的管道,但主要还是用于冶金矿山的尾矿排放,一般运距较短,输送的固体浓度也很低。进入80年代,为了节水省耗,提高生产效率,尾矿高浓度输送逐渐为人们接受;同时受国外长距离浆体管道输送的影响,我国的精矿长距离管道输送也开始为人们关注。于是,冶金系统的设计研究单位与国内一些高校、科研院所一起,开始了一定规模的浆体管道输送技术的系统试验研究和理论探讨工作,相继建成了较完整的实验室和试验系统,大部分通过了省、部级技术鉴定。这对推动我国长距离、高浓度矿浆管道输送进入实用化工业应用阶段打下了坚实的基础。从90年代初至今,我国的矿浆长距离输送管道有了长足进步,已从可行性研究、试验和初步设计阶段进入实际工业应用阶段。太原钢铁(集团)公司尖山铁矿铁精矿管道已于1997年正式投入运营。这是我国第一条铁精矿长距离输送管线,标志着我国从此结束了铁精矿只能用铁路、公路和水路运输的历史。紧接着在1998年中,鞍钢调军台选矿厂铁精矿管道也正式建成,并投入工业生产。目前,长沙冶金设计研究院与美国PSI公司联合设计的昆钢大红山铁矿铁精矿管道输送工程已完成初步设计,有望在不久的将来也会建成投产。一项在集专家和技术人员经验基础上的、由长沙冶金设计研究院主编的《浆体长距离管道工程设计规程》于1998年3月由中国工程建设标准化协会批准并在全国发布应用。从此,我国浆体长距离管道输送工程设计有了自己的规范。为了提高我国浆体管道输送装备水平,我国的一些设计研究单位、高校和制造厂,先后开发了不少新设备、新管材。由长沙矿冶研究院研制的流态化工业矿浆仓,由沈阳大学开发的水隔离泵和膜隔离泵和北京科技大学等开发的耐磨陶瓷复合钢管,就是其中有代表性的3个例子。进入90年代中期,已有几部集较高理论和实践经验的浆体管道输送专著问世,有关刊物发表的技术论文也有相当的数量,具有较高的水平。建国50年来,特别是十一届三中全会以后,伴随着我国冶金矿山生产建设的长足发展我国矿浆管道输送事业也是步步长进,前景乐观。2国内外浆体管道输送技术试验研究现状自70年代中期以后,由于国内工业生产的需要和受国外长距离高浓度浆体管道输送发展的影响,国内以清华大学、北京有色冶金设计研究总院、长沙矿冶研究院、长沙冶金设计研究院和鞍山冶金设计研究院等为代表的一批科研单位开始了一定规模的浆体管道输送技术试验研究和理论探讨工作,国内外浆体输送技术交流和学术活动也十分活跃。至90年代,国内已有数部较高理论水平和实用价值的著作问世。2.1成立省小院浆体管道输送实验室表2列出了国内几个有代表性的浆体管道输送实验室及装置,其中长沙矿冶研究院浆体管道输送实验室为冶金系统规模最大、设备最齐全、测试手段最先进的实验室,占地面积2000m2。该院是国家金属矿产资源综合利用工程技术研究中心,为国内从事浆体管道输送试验研究最早的单位之一。2.1.1流变性能试验设备该实验室由以下部分组成:(1)浆体特性试验室;(2)浆体管道输送参数试验大厅;(3)浆体输送工艺及自控试验大厅,包括环管管道内壁磨蚀试验系统。该实验室可以为用户提供输送物料的物理、化学性能、浆体沉降和流变特性、管道输送参数、管道磨蚀、管道输送工艺、输送工艺参数监测和自动控制等一系列试验数据和资料。(1)浆体特性试验室装备有水浴、干燥箱、精密天平、颗粒分级旋流快速分析仪、沉降速度测定装置、酸度计等物料物理性能测试设备及用干浆体流变特性试验的毛细管粘度计、旋转粘度计、高级恒温管、空调装置和冷冻箱等。(2)浆体管道输送参数试验大厅包括小型试验系统和大管径试验系统两个实验室。小型试验系统装备有4条各长60m的试验环管,其内径分别为44、67、100和124mm,矿浆池容积1.8m3,配备6/4D-AH瓦曼渣浆泵1台,由KGF-290/230型可控硅整流装置整流,2D2-121-1B型55kW直流调速电机驱动。大管径试验系统装备有3条各长94、100、104m的试验环管,其内径分别为154、203、255mm,矿浆池容积5m3,配备8/6E-AH瓦曼渣浆泵1台,由KGSF-320/460型可控硅整流装置整流,Z2-112型125kW直流调速电机驱动(3)浆体输送工艺及自控试验室包括管道磨蚀试验和输送物料料仓卸料性能试验。试验室内设有2个直径2m、高4.5m、容积为13m3的立式半工业模型料仓,2台1m3搅拌槽,1台2口寸衬胶砂泵和内径50mm、长200m输送管道,其中串接长34m,可调节坡度的倾斜管。上述2个试验室的试验系统中1个装有电磁流量计、浓度计、电容式差压变送器和控制调节阀、电子秤等。参数试验的试验数据通过微型电子计算机采集、处理和贮存,按实验要求将数据打印成表格和自动绘制成试验曲线图。2.1.2矿浆管道输送技术研究该试验室曾承担国家“六五”和“七五”攻关项目和一批重大课题,其中已完成的试验研究成果为:(1)司家营铁矿尾矿管道输送试验研究(国家“六五”攻关项目,1985年11月通过国家评审验收);(2)齐大山铁矿尾矿高浓度管道输送试验研究(国家“六五”攻关项目,1985年12月通过国家评审验收);(3)厂坝铅锌矿精矿管道输送工艺及自控试验(中国有色金属工业总公司重点项目,1986年12月通过有色总公司技术鉴定);(4)太钢尖山铁矿精矿管道输送试验研究(原冶金部重点项目,1987年12月通过原冶金部技术鉴定);(5)矿浆高浓度管道输送技术研究(国家“七五攻关项目年月通过冶金部技术鉴定(6)攀枝花冶金矿山公司尾矿高浓度管道输送试验研究(原冶金部重点项目,1991年6月通过冶金部技术鉴定);(7)白马铁矿铁精矿浆体管道输送试验研究(四川省重点项目,1991年7月通过四川省技术鉴定);(8)鞍钢调军台选矿厂铁精矿浆体管道输送试验研究(国家“七五”攻关项目,1991年10月通过冶金部技术鉴定);(9)局部流态化矿浆仓应用于太钢尖山铁矿铁精矿浆体长距离管道输送试验研究(原冶金部重点项目,1992年4月通过冶金部技术鉴定);(10)上海梅山冶金矿山公司铁矿精矿管道输送试验研究(原冶金部重点项目,1993年6月通过冶金部技术鉴定)。2.2国内学术研究近年来国内从事浆体管道输送技术的学者、专家近百人,撰写了数百篇学术论文在《中国矿业》、《管道输送》、《泥沙研究》、《矿冶工程》、《冶金矿山设计与建设》、《有色金属》和《金属矿山》等刊物上发表。冶金系统的技术专家丁宏达、王绍周等发表了数十篇文章。同时,在国内有几位专家数部专著问世,鞍山冶金设计研究院王绍周等出版了《粒状物料的浆体管道输送》一书;冶金部信息标准研究院钱桂华等编写出版了《浆体管道输送设备实用选型手册》一书。我国从80年代中期至今,浆体管道输送技术交流和学术活动十分活跃,在国内不定期多次召开了全国性的学术交流会、两次中日浆体输送技术交流会和一次国际会议(表3)。目前,冶金系统的学术团体有:中国金属学会选矿学会尾矿与输送学术委员会;中国有色金属学会采矿学术委员会浆体输送专业委员会。3管道长距离输送技术3.1太钢临床研究太钢尖山铁矿铁精矿管道输送工程由鞍山冶金设计研究院设计。该院从80年代初就对尖山铁矿铁精矿管道进行了可行性研究,经过多次方案变更,最终于1992年1月编制完成“太钢尖山铁矿精矿管道输送初步设计”。在此期间,有关研究院校为配合设计工作的开展,共完成了4项研究课题,其中长沙矿冶研究院于1987年10月完成了“太钢尖山铁矿铁精矿管道输送试验研究”,1988年12月完成了“局部流态化矿浆仓应用于太钢尖山铁精矿浆体长距离管道输送试验研究煤科总院唐山分院于1990年5月编制了“太钢尖山铁精矿管道输送加速流试验报告”;清华大学水电系泥沙研究室编制了“尖山铁精矿管道浆体水击实验研究报告”。3.1.1矿山生长及管道输送的确定矿山距太原市(公路距离)约为146km,太原至镇城底段的准轨铁路约为53km,已通车运行。镇城底至尖山铁矿的公路距离约为50km,已大部分建成三级公路并通车运行。尖山铁矿矿石为磁铁石英型,主要矿物为磁铁矿,矿石含铁品位(TFe)为34.22%。矿山选矿设计规模为年处理原矿400万t(精矿为161万t/a),采用三段破碎、三段球磨、单一磁选流程。选别后的铁精矿品位为66%。尖山铁矿精矿外部运输最初采用准轨铁路专用线运输,后经多次变动,于1992年11月最终确定为管道输送。管道总长102.3km,一段泵站输送。至1997年铁精矿管道正式建成投产。3.1.2矿浆输送ndfdh(1)管道长度:102.3km;(2)管道平均内径:211.8mm;(3)钢管外径:229.7mm;(4)精矿密度:4.76t/m3;(5)精矿粒度:-200目占92%,-325目占70%;(6)精矿浆密度:2.055t/m3;(7)矿浆pH值:10.5;(8)输送浓度(Cw):65%;(9)年运输量:200万t;(10)输送流量:187.1m3/h;(11)管道输送平均流速:1.70m/s;(12)水力坡度:11.96m/km;(13)主泵出口压力:10.17MPa;(14)主泵额定压力:15.13MPa;(15)服务年限:40a;(16)设计寿命:20a;(17)总投资:5.32亿元。3.1.3输送管道输送系统管道输送工艺系统由制浆(前处理系统)、管输和脱水(后处理系统)3个环节构成。(1)前处理系统。由选矿厂来的浓度为48%的铁精矿浆由输送浆泵给入2台30m精矿浓缩机,其底流经泵给入2台12.6m×12.6m搅拌槽,经搅拌混匀由喂料泵把浓度为65%的浆体给入主泵站前的检测环管,对将要被输送到102.3km远的矿浆进行浓度流量压降等检测凡出现不符合输送要求的参数,将由计算机控制有关阀门关闭,使浆体不能进入主泵而返回搅拌槽中。只有符合设定输送参数的浆体才允许进入主泵送到太钢。安全环管中安装有各种检测仪表。为使被输送的浆体pH值达10.5左右,系统中设置了石灰乳制备系统。为消除清水中的游离氧对管道内壁的严重腐蚀,在“水推浆”或水冲洗的运行过程中,有一套装置专门向水中投加亚硫酸钠(Na2SO3)。设在前处理系统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。前处理系统中还设置了事故处理设施,包括18000m3事故池,可以贮存七昼夜矿浆,2m3精矿抓斗和18m浓缩机。(2)管路输送系统。矿浆管道输送管线全长102.3km,途径山区、平原、市区和河滩。管道起点地形标高海拔1334.0m,终点地形标高海拔809.0m。全线通过小断面直线穿越隧道17条,近15km。管道采用API-5L×60标准国产钢管,管道外径229.7mm,管壁最厚为14.27mm,最薄为7.09mm。管道敷设坡度小于12%,埋深1.2m。(3)后处理系统。铁精矿浆体在管道中运行近21.5h到达终点。正常情况下,浓度为65%的矿浆直接进入过滤车间进行脱水,滤饼含水率<10%,由胶带输送机运到太钢厂区的原料场;滤液经30m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,浓缩池或胶带机停运时,管道中的浆体直接进入流态化矿浆仓中贮存,待事故排出后,重新造浆给过滤车间脱水。3.1.4批量输送设计管道运行从第1年到第6年的精矿年产量分别为47.4万t、89.6万t、129.3万t、161.0万t、180万t、200万t。由于产量变化较大且初期选厂能力小于管道输送能力,设计采取批量输送。当精矿产量达到200万t/a后转为连续输送,每年运行8000h,是一种正常的运行方式。3.2方案制订的背景鞍钢调军台选矿厂铁精矿输送管道由鞍钢矿山公司设计院设计。该院在可行性研究中确定铁精矿外运采用管道输送方式,在长沙矿冶研究院等国内多家研究单位实验室和工业性试验的基础上作出了初步设计,并于1992年11月通过了原冶金部组织的“鞍钢齐大山铁矿利用外资扩建工程初步设计”审查会。国内第二条铁精矿管道输送管线于1988年中也正式运营,标志着我国矿浆管道输送事业向实用化方向又迈出了新的步伐。3.2.1规划输送管道及水泵厂,终端位于鞍钢厂区内,即铁精矿用户鞍钢烧结总厂第三烧结车间的精矿仓附近。管线全长20km,地形较平坦。主要工艺参数和技术指标(1)精矿运量:302万t/a;(2)精矿密度:4.86t/m3;(3)精矿粒度:上限粒度1.0mm,-200目90%;(4)输送浓度:65%～67%;(5)钢管直径:273mm×12mm;(6)输送速度:1.7m/s;(7)输送流量:288m3/h;(8)管道长度:20km;(9)管壁磨损:0.25mm/a;(10)泵站数:1座;(11)泵站内泵数:2台(其中1台备用);(12)泵型、泵压:威尔逊-施奈德泵、6MPa;(13)管道服务年限:20a。3.2.2浓缩池底流泵设计管道系统由起端及终端设施、精矿主管道、附属设施及终端污水处理构筑物组成。从选矿厂来的精矿浆给入2台精矿浓缩池,精矿浓缩池底流泵采用瓦曼渣浆泵,将浓缩后的精矿浆经分配器送入2台搅拌槽。喂料泵从搅拌槽中吸浆,经监测环管给入主泵。监测环管设电磁流量计、密度计、差压计、腐蚀测量短管、测针和取样管等测量仪表,以保证给入主泵的浆体特性合乎设计值。精矿浆到达终端后,经分配器分配到终端搅拌槽中,再经泵送入过滤机过滤脱水,向烧结总厂供应精矿。4关于优化后的考虑和应用问题的研究近年来为适应工程设计的需要,长沙冶金设计研究院和鞍山冶金设计研究院等作了大量的研究工作,主要包括:(1)用流变参数预测浆体管道磨阻损失的研究;(2)最佳输送浓度和最佳输送管径的研究;(3)最佳输送粒度和最佳粒度组成的研究;(4)连续输送和批量输送运行制度的研究;(6)对水推浆、浆推水压力变化的研究;(7)对加速流、水击防护问题的研究;(8)对浆体管道热工计算问题的研究;(9)对浓缩池选用计算有关问题的研究;(10)对管道壁厚计算问题的研究;(11)对无压自流输送最佳断面形状的研究;(12)对两种或两种以上物料顺序输送的研究。这些研究工作所得的数学模型及电算程序在工程设计中得到了应用。由于采用了电子计算机进行辅助设计,从而提高了计算的速度和精度。鉴于国内长距离浆体管道的工程建设在90年代有了实质性的启动,对行业有关的工程设计标准与规范提出了需求。中国工程建设标准化协会等行业主管部门,适时地组织了有关专家和工程技术人员,在我国现有实践和参照国外技术的基础上,编制完成了《浆体长距离管道输送工程设计规程》,已在1998年初审批发行,予以公布使用。应该说,这本规程较全面地、实事求是地反映了当前我国浆体管道输送实用技术的较高水平,切实注意了推动浆体输送设施和器材的国产化,是当前我国浆体输送技术发展的必然总结。当然,反过来它又将起到规范和推动我国浆体输送技术的进一步发展的作用。5在管道输送工程中的应用90年代以来,在浆体管道输送工程建设需求的推动下,我国的一些设计研究单位和制造厂家研制开发了一批输送设备、管材、阀件和仪表等。其中不少产品已在浆体管道输送工程中得到应用。冶金系统也不例外,其研制开发的新设备、新管材主要是局部流态化工业矿浆仓、隔离式浆体泵和陶瓷内衬复合钢管。5.1矿浆仓的输送、卸料局部流态化矿浆仓是长沙矿冶研究院研制成功的一种新型非搅拌式设备,它利用流态化、虹吸原理进行卸料。其优点是结构简单、造价低廉、能耗小,既可贮存物料,又能对卸出料浆进行流量和浓度的调节和控制。该种型号的矿浆仓已于1997年6月在太钢尖山铁矿铁精矿管道输送后处理系统中应用,两年多的生产实践表明,该矿浆仓工作性能良好,卸料浓度高,卸出料浆流量和浓度稳定,是一种理想的工业贮料仓。矿浆仓结构简单,仓内无机械搅拌装置,不卸料时可以让矿浆自由沉在仓内,不需要搅动,卸料时利用流化喷嘴进行造浆,在仓内一定范围内形成一局部流态化床层,而在卸料管中造成矿浆的输送状态,这样就能把流态化床层中有一定浓度的矿浆吸走。生产操作中可以通过改变流化喷嘴的流化水流量,以调节吸出浆体的浓度。5.2尾矿输送、输送与充填工程隔离式浆体泵是沈阳大学(原沈阳冶金机械专科学校)研制成功的一种较高扬程的矿浆泵。从80年代后期开始,沈阳大学承接国家课题,开始研制这一类型的浆体泵,以取代低扬程多级泵站。隔离式浆体泵分为水隔离泵、膜隔离泵和液压隔膜泵。近10年已有十几个系列、品种的隔离式浆体泵在黑色、有色、化工、黄金和发电等行业应用,取得较满意的效果。表4为隔离式浆体泵在部分矿山的应用情况。(1)水隔泵在大红山铜矿的应用。大红山铜矿位于云南省玉溪市新平县,是1996年才投产的新矿。该矿建设分二期。第一期分为二个阶段,第一阶段尾矿矿浆流量为140m3/h,第二阶段流量为280m3/h。第二期尾矿矿浆流量为520～560m3/h。尾矿一部分用于充填,一部分输送到尾矿库储存。泵站距尾矿库2km,高差25m,中间跨一个山涧,山涧宽650m,有一条河,一条公路,然后再翻一座山。泵站距充填站800m,高差116.6m。由于该尾矿输送方式和输送流量较为复杂,开始设计曾有过用二个或三个水隔泵泵站方案。最后决定用一个泵站,一期用二台水隔泵,第一阶段每台输送140m3/h,开1备1;第二阶段仍是这二台水隔泵,每台仅再并联一台同型号清水泵,则成为每台流量280m3/h,仍开1备1;二期再加一台280m3/h水隔泵,开2备1。这个泵站用于充填输送,压力为1.8MPa,用于尾矿输送,压力为1.3MPa。一个泵站,同一台设备,适用多种流量,多种压力输送,这无疑方便了用户,但增加了设备的难度。经一年多运行实践证明,是非常成功的,流量、压力调节不存在任何困难,操作方便,备件消耗少,年耗备件不到1万元,用户十分满意。(2)膜隔泵在桓仁铜锌矿的应用。桓仁铜锌矿选厂日处理原矿量1800t,尾矿输送系统原来用六级砂泵站,提升后流槽自流,绕山输送。在准备建第七级砂泵站时,改选为膜隔泵。原砂泵站每个泵站三台6口寸砂泵,每台装机功率75kW,运行2台,备用1台,按七级泵站计算,装机总功率为1575kW,运行装机功率为1050kW。改造后,加1台30m周边齿条传动浓缩机,经过浓缩,尾矿流量减少1/3,安装3台膜隔泵,每台装机功率135kW,加上浓缩池和液压站电机,运行装机总功率为148kW,仅为改造前运行装机功率的1/7,表5为改造前后几个指标对比。如果按每度电0.42元,每吨水0.6元,每人工资0.8万元/年,每年节电235万元,节水45万元,节人工费27万元,年经济效益为307万元。同时也从根本上解决了多年来由于多级泵站不匹配和流槽自流造成的跑、冒、滴、漏,污染山林和农田的老大难问题。矿方认为,这是他们技改最成功的项目一个。(3)液压隔膜泵在中山沟金矿的应用。该矿选厂日处理原矿70t,泵站距尾矿库2km,几何高差150m。原设计采用1PNJ、10级泵站串联输送。由于难于建泵站,且不便于管理,于是决定采用小流量、高扬程液压隔膜泵。该液压隔膜泵为YMB15-30,每台流量为15m3/h,压力3.0MPa,装机功率15kW,为原设计60kW的四分之一。设备运行后,技术性能全部满足生产要求。但隔膜寿命较短,后来经过改进设计及控制隔膜运行装置,避免隔膜弹性变形,隔膜寿命显著提高,目前已成为我国中小型金矿尾矿输送的首选泵种。5.3陶瓷基陶瓷层陶瓷内衬复合钢管是北京科技大学和轻工部电光源材料研究所研制、开发的国家发明专利产品,是在国家高技术研究开发计划(863计划)支持下研究的新产品,是一种具有国际先进水平的新复合材料。该种复合钢管采用自蔓燃高温合成制造,即在钢管内壁复合一层一定厚度、质地均匀的氧化铝基陶瓷层。该技术已于先期通过冶金部技术鉴定,并被“863”计划新材料领