聚氧化乙烯減阻效果影響研究

戴若丁，于開波，李宏，崔健，王崢，胡健，郭客

聚氧化乙烯減阻效果影響研究

戴若丁，于開波，李宏，崔健，王崢，胡健，郭客

（鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 鞍山 114000）

流體阻力的存在制約了礦漿長距離的高效輸送。研究了聚氧化乙烯（PEO）稀溶液對(duì)清水及鐵礦礦漿輸送的減阻特性，自制環(huán)管實(shí)驗(yàn)裝置，考察了PEO濃度對(duì)減阻的影響，并考察了PEO對(duì)不同輸送介質(zhì)的減阻效果。

阻力；PEO；濃度；減阻

1 前言

礦山的選礦系統(tǒng)中，管道輸送系統(tǒng)是主要環(huán)節(jié)之一。其中的輸送阻力損失是重要的管道輸送工藝參數(shù)，它直接影響到管道輸送系統(tǒng)的運(yùn)行效率與成本。如何減少管道輸送阻力，降低輸送過程中的能量損耗，提高輸送安全性及經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)礦山公司精礦及尾礦輸送系統(tǒng)具有重要意義[1-4]。

聚氧化乙烯（PEO）又稱聚環(huán)氧乙烷，相對(duì)分子質(zhì)量為幾十萬到幾百萬不等，具有線性規(guī)則的螺旋結(jié)構(gòu)，水溶性好，其溶液在低濃度下有很高的黏性。相對(duì)分子質(zhì)量達(dá)到百萬的PEO其質(zhì)量濃度為2%時(shí)成為非膠粘的彈性膠體，高于該濃度時(shí)溶液成為堅(jiān)韌的水塑煉聚合物。

PEO是目前公認(rèn)的具有良好減阻效果的減阻劑，可有效降低漿體輸送過程中的摩阻損失，增長輸送距離，提高流體射程[5]。目前已廣泛用于消防和市政中。PEO作為減阻劑使用主要有以下幾種方式。第一種是將PEO溶解，配制成一定濃度的水溶液，再按比例加到流體中。第二種是將PEO制作成減阻涂層，將其涂覆在與水相流體相接觸的物體表面[6]。

2 鐵精礦尾礦物料特性

2.1 礦物化學(xué)成分分析

本文以鞍山某選廠鐵精礦、鐵尾礦為研究對(duì)象，首先分析其化學(xué)成分、粒度等物料特性。

為了明確鐵精礦、尾礦的化學(xué)組成，對(duì)鞍山某選廠鐵精礦、尾礦做了物相和多元素分析，結(jié)果見表1、表2。

表1 某選廠精礦尾礦物相分析結(jié)果

表2 某選廠尾礦精礦多元素分析結(jié)果

通過物相和全分析可知，鐵尾礦中SiO2含量最多，除此之外含有的CaO，MgO，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)總計(jì)超過4.5%。鐵精礦中CaO，MgO，Al2O3含量較少，F(xiàn)e2O3含量較高。Myska J iri等[7]通過研究水溶液中金屬離子對(duì)減阻劑減阻效果的影響發(fā)現(xiàn):在減阻劑溶液中，分別加入Ca2+，Mg2+，Cu2+，Zn2+，F(xiàn)e2+等金屬離子后，系統(tǒng)有效減阻雷諾系數(shù)范圍縮小，減阻率降低。

2.2 礦物粒度及運(yùn)動(dòng)形態(tài)劃分

表3 某選廠精礦尾礦激光粒度分析結(jié)果

齊一選尾礦和齊二選尾礦的D10分別為1.68、4.21和3.90 μm；D50分別為13、40和38.5 μm；D90分別為70.5、130和123 μm；+50 μm體積分?jǐn)?shù)分別為13%，37%，36%，+200 μm體積分?jǐn)?shù)分別為0%，2%，0.8%。齊一選精礦和齊二選精礦的D10分別為8.41和14.5 μm；D50分別為32.6和52.3 μm；D90分別為101和194 μm。+50 μm體積分?jǐn)?shù)分別為26.5%和47%，+200 μm體積分?jǐn)?shù)分別為2%和8%，根據(jù)Durand 漿體流動(dòng)狀態(tài)分類表，見表4。50 μm以下顆粒可以與水看作均質(zhì)流非沉降漿體，而50 μm以上顆粒與水形成的漿體則為非均質(zhì)流沉降漿體，其顆粒為懸移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；200 μm以上顆粒與水形成的漿體為非均質(zhì)流沉降漿體，其顆粒為懸移、滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因而，可以認(rèn)為尾礦礦漿和精礦礦漿為非均質(zhì)部分沉降性漿體[8-10]。

表4 Durand 漿體流動(dòng)狀態(tài)分類表

3 PEO水溶液減阻實(shí)驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

采用自制環(huán)管實(shí)驗(yàn)裝置測定PEO（相對(duì)分子質(zhì)量為300 W）的在流動(dòng)漿體中的減阻效果，測試原理如下：在流體中加入PEO后能使流體摩阻力減小，具體表現(xiàn)為壓差的減少以及流量的增加，可以使用減阻率來評(píng)價(jià)減阻效果的好壞。

式中：DR —減阻率，%

0—減阻劑加入前流體在管內(nèi)流動(dòng)摩阻系數(shù)；

DR—減阻劑加入后流體在管內(nèi)流動(dòng)摩阻系數(shù)。

式中：—管徑，m；

△P—直管阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；

—管長，m；

—流速，m·s-1；

—流體的密度，kg·m-3；

μ—流體的黏度，N·s ·m-2。

環(huán)管實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)用到的儀器設(shè)備如表5所示。

圖1 環(huán)管裝置示意圖

3.2 PEO水溶液減阻效果實(shí)驗(yàn)

首先通過環(huán)管裝置，測定既定電機(jī)頻率下的清水流量和壓差。清水在環(huán)管中的流量為2.9 m3·h-1，差壓為30.20 kPa。將PEO按照100×10-6，150×10-6，200×10-6，250×10-6，300×10-6的質(zhì)量濃度加到50 kg水中，攪拌均勻，進(jìn)行環(huán)管實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如表6。

表5 主要儀器設(shè)備

表6 環(huán)管測試數(shù)據(jù)

圖2 減阻率與濃度關(guān)系

從表6可以看出，相比清水，PEO的加入能夠有效降低管道中的摩擦阻力，具體表現(xiàn)為流量的增加以及差壓的降低。從圖2可以看出，PEO的減阻率隨著濃度的增加而增加，當(dāng)其在水中的質(zhì)量濃度達(dá)到250×10-6時(shí)，減阻率可以達(dá)到34.4%。

3.3 PEO礦漿減阻效果實(shí)驗(yàn)

礦漿減阻實(shí)驗(yàn)方法和清水減阻實(shí)驗(yàn)方法相同，都是通過環(huán)管實(shí)驗(yàn)裝置來測定壓差和流量的變化。首先測定濃度為45%的鐵精礦漿在環(huán)管裝置中的流量和差壓，流量為2.88 m3·h-1，差壓為30.20 kPa。在鐵精礦漿中加入質(zhì)量濃度為100×10-6，150×10-6，200×10-6，250×10-6的PEO，經(jīng)自制攪拌器攪拌均勻后，泵送至環(huán)管實(shí)驗(yàn)裝置，記錄數(shù)據(jù)。計(jì)算摩阻系數(shù)和減阻率。

圖3 減阻率與濃度關(guān)系

從表7可以看出，當(dāng)有減阻劑加入后，礦漿阻力系數(shù)有較明顯的減小，流量有明顯的提升。圖3表明隨著濃度的增加，減阻率的變化趨勢為先增大后減小。當(dāng)PEO質(zhì)量濃度為150×10-6時(shí)，減阻效果最好。當(dāng)PEO濃度繼續(xù)增加時(shí)，減阻率隨著濃度的增加而降低。這是因?yàn)殡S著藥劑濃度增加，剪切黏度加大，加上礦漿自身的黏度，在一定程度上削弱了減阻效果，導(dǎo)致摩阻系數(shù)下降趨勢減弱，減阻率降低。

對(duì)于鐵尾礦漿，采用和精礦漿相同的方法，首先測定濃度為25%的鐵尾礦漿在環(huán)管裝置中的流量和差壓，流量為3.24 m3·h-1，差壓為33.08 kPa。在鐵尾礦漿中加入質(zhì)量濃度為50×10-6，100×10-6，150×10-6，200×10-6，250×10-6的PEO，經(jīng)自制攪拌器攪拌均勻后，泵送至環(huán)管實(shí)驗(yàn)裝置，記錄數(shù)據(jù)。計(jì)算摩阻系數(shù)和減阻率。

表8 環(huán)管測試數(shù)據(jù)

圖4 減阻率與濃度關(guān)系

從表8可以看出，當(dāng)有減阻劑加入后，礦漿阻力系數(shù)有較明顯的減小，流量有明顯的提升。圖4表明隨著濃度的增加，減阻率的變化趨勢為先增大后減小，當(dāng)PEO質(zhì)量濃度為100×10-6時(shí)，減阻效果最好。當(dāng)PEO濃度繼續(xù)增加時(shí)，減阻率隨著濃度的增加而降低。這是因?yàn)橐环矫妫瑴p阻劑用量達(dá)到一定量時(shí)，在一定管道流動(dòng)壓力情況下，流體的黏度會(huì)隨之加大，加上礦漿自身的黏度，從而增加了系統(tǒng)的阻力，導(dǎo)致減阻效果變差。另一方面，尾礦中含有較多的鈣鎂離子，當(dāng)減阻劑濃度達(dá)到一定時(shí)，PEO分子開始聚集成膠束，金屬離子的存在使得膠束表面電荷分布發(fā)生變化，削弱了減阻劑的減阻性能。

4 結(jié) 論

通過自主設(shè)計(jì)的環(huán)管實(shí)驗(yàn)裝置，測試了PEO(相對(duì)分子質(zhì)量300 W)在清水中以及鐵精礦、尾礦漿體中的減阻效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PEO的加入可以有效減低流體的摩擦阻力，提升流量，降低壓力。在清水中，減阻率隨著PEO濃度的增加而增加。在鐵精礦、尾礦中，由于礦漿自身黏度及金屬離子的影響，減阻率隨著PEO濃度的增加先增加后減小。

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Study on Drag Reduction Effect of Polyethylene Oxide

,,,,

（Ansteel Group Mining Design and Research Institute, Anshan Liaoning 114000, China）

Fluid resistance restricts the high efficiency of long distance transportation of slurry. In this paper, the drag reduction characteristics of polyethylene oxide (PEO) dilute solution on the transport of clear water and iron ore slurry was studied. The effect of PEO concentration on drag reduction was investigated by self-made ring tube experiment device. The drag reduction effect of PEO on different conveying media was also investigated.

Resistance; PEO; Concentration; Drag reduction

2020-11

戴若丁（1963-），男，高級(jí)工程師，研究方向：礦山固廢資源綜合利用。

TQ021

A

1004-0935（2021）03-0313-04