专利名称：一种利用泵和管道输送物料的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及水力输送方法和设备，尤其涉及一种通过管道输送固体物料的方法和设备。
固体物体水力管道运输广泛应用国民经济各个部门，水利、电力、煤炭、有色冶金、石油化工、轻工、城建等各个部门均采用杂质泵或油隔离泵输送泥沙、灰渣、各种精矿、尾矿、煤炭、化工轻工原料等固体物料。国内外的固体物料水力输送方法，都是采用“一相流”原理，为了形成“拟流体”或者“伪流体”类似于一相流的浆体，必须用棒磨机、球磨机碎渣机等设备进行破碎，或者用捞渣机把大颗粒固体取掉，使颗径d=44-200μm的颗粒大于30％，再以一定比例加水稀释，作为悬浮液输送固体。由于要进行破碎和捞渣，使设备笼大、笨重，耗能高，运行费用很高。例如，CN1075743A专利公开了一种制备浓缩水煤悬浮液及其通过管道输送所述悬浮液的方法，其粉细颗粒最大直径300μm，通过在采掘场设置悬浮液制造设备进行输送，CN1058463A专利也公开了一种高浓度、高粘度洗煤泥的输送方法和设备，它通过水份调节、筛选、搅拌成固体物含量为60-72％，粘度为50-10000泊的高浓度、高粘度洗煤泥，用泵和管道输送，经给料器直接给入炉内。上述输送方法和设备在实际输送过程为了减少水力摩阻损失，减轻磨损都采用尽可能低的流速输送，因为水力摩阻和速度平方成正比，磨损和速度2.7-3.0次方正比，但速度太低，固体要沉积，输送不出去，还可能发生事故。所以物料输送大都采用“起动流速”或“临界流速”作为输送尺度，一般用稍大于“起动流速”或“临界流速”的低速运送。当输送到固体物料用户，如发电厂使用管道输煤运输燃料，有的还要用压滤机，离心机等设备脱水，才能达到用户要求。这种方法耗能高，可靠性差，削弱了管道运输的竞争能力。此外，由于低速输送的“起动流速”或“临界流速”通常都是用模型管道，进行浆体的输送试验，从而确定“起动流速”或“临界流速”的计算公式。
例如，常用的Drand公式Ve=[1.6×2×g×(γs-γiγs)×D]1/2]]>式中，rs、ri、D分别为固体的重度、浆体的重度和管径。
此外，上述方案还要进行原型管道环形管试验，其研发费用高，试验周期长。目前，采用上述方法进行固体物料水力管道输送，基建投资大，运行成本高，使用寿命短，缺乏竞争力。例如，我国80年代曾对“高浓度、远距离管道输煤工程”采用这种低速输送方案，由于又破碎、又脱水等造成基建投资大，运行成本高，经过多年的试验研究，投入了大量的试验费用，反复论证，一直没有实施。
本发明的发明目的是提供一种固体物料高速管道输送的方法，简化了制浆系统，省掉了捞渣、破碎和脱水工等工艺及设备，投资和运行费用低，从而提高了管道运输的竞争力。
为了实现上述目的，本发明提供了一种利用泵和管道输送固体物料的方法，主要由如下步骤组成将被输送物料放入水浆池中混合、搅拌；利用至少一组泵和管道将所述固体物料和水输送；所述固体物料和水分离；其特点在于所述固体物料是以自然粒度分布状态被高速输送的；所述泵为按照两相流参数设计的两相流离心泵或喷水式往复式柱塞泵，所述泵的吸入口径Dλ＞所述固体物料颗粒的最大直径dmax；所述固体物料在管道中的水流输送速度为常规“临界流速”或“起动流速”的1.5倍以上。
上述输送物料的方法，其特点在于确定所述固体物料在管道中的最佳输送速度V2是根据所述固体物料固体特性系数Ki决定的，其计算公式如下Ki=[4gdi(γs-γw)(sinθ+Cycosθ)3Cx]1/2]]>V1-V2=KiV12-Vc2=Ki2V2--物料固体运动速度＞Ki其中V1二相流水流运动速度；V2物料固体运动速度；Vc清水水流运动速度g重力加速度；d1固体颗粒的当量直径=αCθ1/2·D,α为固体压缩系数，Cθ为固体流量百分比；D管道内径；θ管道输送坡角；Cx、Cy固体迎流方向绕流阻力系数及垂直于迎流方向脉动系数；γs固体重度；γw固体堆积湿容重。
上述输送固体物料的方法，其特点在于在输送设计流量相同的情况下，所述管道的直径与常规输送管道的直径相比，可按1.51/2减少。
上述输送固体物料的方法，其特点在于所述物料和水的分离过程只是通过边送料边筛分边沉降的方式即可完成。
本发明还一个发明目的是提供一种能实现上述高速输送固体物料的管道输送系统，其设备磨损小，系统投资少，效率高，节能。
该系统是同上述方法设计的，该管道输送系统主要由混有待送固体物料和水的料浆池、搅拌装置、插入料浆池底部的引管、与引管相联的至少一组泵站、与泵站相联有输送管道、与管道相联的物料和水分离装置、料仓、运料车组成，其特点在于所述泵站为一组两相流离心泵或喷水式往复柱塞泵，所述物料是以自然粒度分布状态在所述管道内被高速输送的，所述泵的吸入口径Dλ＞所述物料颗粒的最大直径dmax，其水流输送速度为常规“临晃流速”或“起动流速”的1.5倍以上。
上述管道输送系统，其特点在于所述物料和水分离装置是由安装在料仓内的输送机和筛网组成，所述筛网放置在所述输送机的下方。
上述管道输送系统，其特点在于所述输送机为一种螺旋式输送器。
上述管道输送系统，其特点在于所述喷水式往复柱塞泵由安装在泵壳体内的2组缸套、活塞、连杆、逆止阀、单向阀和曲轴、电动机、注水系统、管路组成，安装在缸套的活塞经连杆与曲轴相联，电动机驱动曲轴转动，缸套内腔通过逆止阀与管路相联，注水系统通过单向阀与缸套内腔相联。
上述管道输送系统，其特点在于所述两相流离心泵是根据CN1085293A专利申请公开的二相流设计方法制造的。
本发明采用固液二相流二个速度场原理，进行高速输送。不要求形成“伪流体”的一相流体，故不需要进行破碎，不需要专门的制浆设备，大颗粒、粗颗粒都可输送。又由于以高于“起动流速”或“临界流速”1.5倍以上的速度输送，以固体输送效率作为输送尺度，固体单位能耗大幅度降低，一般可节能30-50％。由于采用上述方法，使固液二相速度变化趋于一致，撞击磨损减少，使用寿命延长1倍以上，同时使水力摩阻和速度平方不成正比，磨损也不和速度2.7-3.0次方成正比。此外，在输送量一定有条件下，由于高速输送，管道直径相应可以缩小，设备容量降低，可节省1/3以上的工程投资。
在使用本发明所述的方法时，是以固体输送效率作为输送尺度，该方法总能耗虽然增加，但单位能耗大幅度下降，本发明是以提高输送率为固体水力输送的经济目标，这构成了与浆体输送明显的区别。
本发明采用固液二相流二个速度场原理，进行高速输送，因此需要知道关于用户待送物料的固体特性参数，如固体的重度γs、固体流量百分比Cθ、固体堆积湿容重γw、固体干容重γ干、重量浓度Cw、体积浓度Cv、二相流体重度γi、平均粒径d50、最大粒径dmax等。只要将待送物料的样品在试验室进行简单测定及计算，即可求出固体特性系数Ki值。这样节省了试验研究经费，缩短研究周期。
本发明所采用的输送方法，不需要对固体物料进行特别的破碎来形成“拟流体”的一相流体，只要根据待送物料的自然粒度分布曲线，就可方便地确定待送物料的当量直径di，就可决定最佳的输送速度，而且可以对能耗、磨损和汽蚀进行优化，从而节省了大量浆体预处理费用。
本发明所采用的高速输送系统可使用往复泵或离心泵作为动力源，只要该泵的自由通过直径dmax大于待送物料的固体颗粒的最大直径即可；但必须保证该泵的二相流参数，或者采用按照CN1085293A专利申请公开的二相流设计方法制造的二相流泵。
下面结合附图进一步说明本发明的实施例
图1是目前常规的物料低速输送管道系统示意2是本发明所采用的物料高速输送管道系统示意3是现有的物料低速输送管道系统中杂质泵结构示意4是物料高速输送管道系统中二相流泵结构示意5是物料高速输送管道系统中喷水式柱塞泵结构示意6是固体物料水力输送粒径分布要求对比示意7是固体物料水力管道输送速度及能耗变化示意图在图1、图3、图6中，目前固体物料水力管道输送，一般采用一相流理论，只考虑一个速度场，实际上是平均速度。在该方案中细颗粒要占较大比例，才能形成浆体。在管道输煤中，44μm以下的细颗粒必须大于30-40％。在电厂输灰中，0.05mm以下颗粒应占40％以上。因此，必须使用破碎、制浆和脱水设备，而且浆体浓度不能太高。
在图2、4、5、6、7中，本发明的实施例是在固体物料管道过程中采用高速方法和相应的输送系统。
实施例之一，采用本发明所示方法在安徽某金矿进行输送金矿石，该物料固体特性参数固体的重度口s=6.5T/m3，体积浓度Cv=24％，二相流体重度γi=67.24％,S=1600Kg/m3，经计算Ki=2.57m/s,D=105mm，平均二相流体速度V2=2.685m/s。该厂原设计方案磨损严重，尤其泵只有600小时的使用寿命。采用本发明的高速输送方案，管径由原150mm改为105mm，系统节能29％，使用寿命延长了2.5倍。
实施例之二，采用本发明所示方法在某矿输送铁精矿。输送物料固体特性参数固体的重度γs=6.5T/m3，体积浓度Cv=19％,d50=0.09mm，固体堆积湿容重γw=3.56T/m3，体流量百分比Cθ=23.75％，浆体输送量480m3/h，管道水力摩阻为25-28m水柱，原采用低速输送，其设计管道直径D=210mm。采用本发明所示方案后，管道直径D=200mm，平均二相流体速度V2=2.776m/s,Ki=2.586m/s。原设计方案磨损严重，输送铁精矿达不到设计值。采用本发明的高速输送方案后，单位能耗降低48％，且年运行费用大大降低。
实施例之三，采用本发明所示方法在安徽某矿输送铁精矿。输送物料固体特性参数固体的重度γs=4.0T/m3，体积浓度Cv=20％,d50=0.05mm，固体堆积湿容重γw=3.4T/m3，重量浓度Cw=50％，体流量百分比Cθ=25％，原采用低速输送，其设计管道直径D=150mm。采用本发明所示方案后，管道直径D=116mm，平均二相流体速度V2=2.029m/s,Ki=2.087m/s。采用本发明的高速输送方案后，平均节能30％，管道寿命延长1倍。
本发明人根据大量工程试验总结，确定了一般Ki值大于“临界流速”Ve值，高速固体物料输送与低速浆体物料输送相比约为1.5倍以上。此外，当输送量Q一定时，管道直径可为原管径的0.81倍左右。管道重量也相应减少了20％左右。铺设管道工程开挖量只相当原来的1/3左右，工程投资量也相应大大减少。
在图1、3中，物料低速输送管道系统由物料输送带1、加水管2、棒磨机11、料浆池3、杂质泵12、低速输送管道13、沉降过滤式脱水机14、压滤机加热器15、刮板机16、料仓4、运料车5组成。
在图2、4中，本发明的一个实施例，是一个采用高速输送固体物料的输送管道系统。它主要由物料输送带1、加水管2、料浆池3、二相流泵22、高速输送管道23、料仓4、螺旋输送器24、运料车5组成。采用物料高速输送管道系统可按固体物料的自然粒度分布曲线进行输送，不需要破碎设备，不需要专门的制浆设备，以及脱水设备。大颗粒、粗颗粒都可输送，只要二相流泵22的吸入口径Dλ＞固体物料颗粒的最大直径dmax即可。二相流泵22的主要特点是性能参数是二相流参数，在输送物料时固体物料不会下降，水力效率不仅不下降反而略有上升。对于大颗粒时，选取用大流道二相流泵，使自由通过直径dmax大于颗粒最大直径。按照CN1085293A专利申请公开的二相流设计方法，本发明人已发明了高吸程、大流道砂石泵，可通过的固体直径和泵吸入口径一样大的颗粒。如，S-200型砂石泵，在地下工程施工中，可十分方便地输送206mm×176mm的河卵石。
本发明的另一个输送系统实施例，是一个采用喷水式柱塞泵的高速输送固体物料的输送管道系统。当进行远距离输送时，输送管道系统通常应用往复泵，但由于磨蚀严重，造价较高。为了避免磨损，本发明人设计了一种喷水式柱塞泵。在图5中，该喷水式往复柱塞泵由安装在泵壳体内的2组缸套31、活塞32、连杆33、逆止阀34、单向双道注水阀35和曲轴36、电动机、注水系统37、联接输送管路接口组成，缸套31中活塞32经连杆33与曲轴36相联，电动机驱动曲轴36转动，缸套31内腔通过逆止阀34与联接输送管路接口相联，注水系统37通过单向阀35与缸套31内腔相联。当活塞32行程加压时，单向双道注水阀35关闭，向管道输送固液二相流。当活塞32往回泄压时，单向双道注水阀35打开，向活塞32上喷水，冲洗掉固体颗粒，避免缸体磨损。采用喷水式柱塞泵在输送过程中，每级泵距离可达80公里。
本发明所采用的高速固体物料管道输送方案及其应用系统，保证了整个系统运行工况是在高效区运行，从而大量节能，与传统低速输送相比，平均节能30-50％，由于高速输送，固液二相速度变化率一致，撞击磨损减少，延长了使用寿命1倍以上。因为高速输送，管道直径小，设备容量低，工艺流程简化，节省基建投资1/3以上，运行费用大幅度降低，从而将大大提高固体物料水力管道输送的竞争力。
权利要求
1.一种利用泵和管道输送固体物料的方法，主要由如下步骤组成将被输送物料放入水浆池中混合、搅拌；利用至少一组泵和管道将所述固体物料和水输送；再将所述固体物料和水分离；其特征在于所述固体物料是以自然粒度分布状态被高速输送的；所述泵为按照两相流参数设计的两相流离心泵或喷水式往复式柱塞泵，所述泵的吸入口径Dλ＞所述固体物料颗粒的最大直径dmax；所述固体物料在管道中的水流输送速度为常规“临界流速”或“起动流速”的1.5倍以上。
2.根据权利要求1所述输送物料的方法，其特征在于确定所述固体物料在管道中的最佳输送速度V2是根据所述固体物料固体特性系数Ki决定的，其计算公式如下Ki=[4gdi(γs-γw)(sinθ+Cycosθ)3Cx]1/2]]>V2物料固体运动速度＞Ki其中g重力加速度；di固体颗粒的当量直径=αCθ1/2·D,α为固体压缩系数，Cθ为固体流量百分比；D管道直径；θ管道输送坡角；Cx、Cy固体迎流方向绕流阻力系数及垂直于迎流方向脉动系数；γs固体重度；γw固体堆积湿容重。
3.根据权利要求1所述输送固体物料的方法，其特征在于在输送设计流量相同的情况下，所述管道的直径与常规输送管道的直径相比，可按1.51/2减少。
4.根据权利要求1所述输送固体物料的方法，其特征在于所述物料和水的分离过程只是通过边送料边筛分边沉降的方式即可完成。
5.一种应用权利要求1所述方法设计的管道输送设备，主要由混有待送固体物料和水的料浆池、搅拌装置、插入料浆池底部的引管、与引管相联的至少一组泵站、与泵站相联有输送管道、与管道相联的物料和水分离装置、料仓、运料车组成，其特征在于所述泵站为一组两相流离心泵或喷水式往复柱塞泵，所述物料是以自然粒度分布状态在所述管道内被高速输送的，所述泵的吸入口径Dλ＞所述物料颗粒的最大直径dmax，其水流输送速度为常规“临界流速”或“起动流速”的1.5倍以上。
6.根据权利要求5所述管道输送设备，其特征在于所述物料和水分离装置是由安装在料仓内的输送机和筛网组成，所述筛网放置在所述输送机的下方。
7.根据权利要求6所述管道输送设备，其特征在于所述输送机为一种螺旋式输送器。
8.根据权利要求5所述管道输送设备，其特征在于所述喷水式往复柱塞泵由安装在泵壳体内的2组缸套、活塞、连杆、逆止阀和一个单向双通道阀、注水系统、曲轴、动力源、管路组成，安装在缸套的活塞经连杆与曲轴相联，动力源驱动曲轴转动，缸套内腔通过逆止阀与管路相联，注水系统通过单向双通道阀与缸套内腔相联。
全文摘要
本发明公开了一种利用泵和管道高速输送固体物料的方法及设备,其特点在于固体物料是以自然粒度分布状态被高速输送的,泵采用两相流泵或喷水式柱塞泵,泵的吸入口径D
文档编号B65G53/00GK1319547SQ01109608
公开日2001年10月31日 申请日期2001年3月13日 优先权日2001年3月13日
发明者蔡保元, 霍春源 申请人:蔡保元