作業(yè)工況及噴射方式對(duì)氣舉輸出的影響①

唐川林， 庹 磊， 王霞光， 胡 東， 王 舒， 夏美麗

（湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000）

氣舉具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、成本低、不受水深限制、易于控制和操作等顯著優(yōu)勢(shì)［1］，在海洋采礦、江河采砂、湖泊清淤等方面得到了廣泛應(yīng)用。 已有的研究主要針對(duì)氣舉自身結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同介質(zhì)和管內(nèi)流態(tài)等進(jìn)行［2－12］，但針對(duì)氣舉噴射方式及作業(yè)工藝方面的研究較少。 本文結(jié)合氣舉在江河采砂、濱海采礦等領(lǐng)域的實(shí)際工程應(yīng)用，研究作業(yè)工藝及噴射方式對(duì)氣舉輸出的影響，探索降低氣力提升管內(nèi)固體顆粒的空隙率的途徑。

1 氣舉提升系統(tǒng)壓力分析

在氣舉提升礦石的過程中，影響提升的因素很多，如礦物中固體顆粒粒徑、質(zhì)量流量、密度以及氣舉管道結(jié)構(gòu)形式、管壁粗糙度、直徑等。 這些因素主要影響管內(nèi)壓降。 氣舉壓力分布如圖1 所示。

圖1 氣舉壓力分布圖

參考Naeije 和Vachiery［13］結(jié)論，以進(jìn)氣孔為截面進(jìn)行壓強(qiáng)分析，可得：

式中ρl為水密度，kg/m3；ρsg為氣固混合物密度，kg/m3；ρsgl為氣液固混合物密度，kg/m3。

由空隙率定義可知：

式（1）中水-沙兩相以及水-沙-氣三相的混合密度為：

將式（4）～（5）代入式（1），可得：

式中Qs為抽沙流量，kg/s；Qg為氣體流量，kg/s；Ql為抽水流量，kg/s；H1為進(jìn)氣口到水面的距離，mm；H2為進(jìn)氣口到提升管出口的距離，mm；αs、αl、αg分別為固體顆粒、液體和氣體空隙率。

由浸沒率的定義可知：

將式（7）代入式（6），可得：

將式（8）簡(jiǎn)化后可得：

由式（2）～（5）綜合可知：

將式（10）代入式（9），可得：

由式（11）可知，氣舉提升過程中空隙率的大小與氣液固三相各自的密度密切相關(guān)，氣力提升過程中各相密度為制約固體空隙率的主要因素，因此實(shí)際工況下不同礦物顆粒密度下提升效率必然不同，為保證特定礦物顆粒的提升，需選擇與之匹配的作業(yè)工況點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為預(yù)測(cè)濱海采礦作業(yè)工藝及噴射方式對(duì)固體顆粒空隙率的影響情況，搭建了大型氣舉提升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示。 該平臺(tái)可使提升管沿X，Y，Z軸3個(gè)方向三維移動(dòng)，其中空壓系統(tǒng)由2臺(tái)螺桿壓縮機(jī)組成，額定排氣壓力1.3 MPa，容積流量4.0 m3/min，氣體流量計(jì)流量范圍0～600 m2/h，工作壓力1.6 MPa，精度1.5%，儲(chǔ)氣罐耐壓試驗(yàn)壓力1.79 MPa，工作壓力1.3 MPa，儲(chǔ)水池長(zhǎng)4 m、寬2.5 m、深3.5 m。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)了3 套不同噴射方式的噴嘴，如圖3 所示，方案（a）為120°對(duì)稱分布，方案（b）和（c）是在方案（a）基礎(chǔ)上，將其中2個(gè)噴嘴夾角分別調(diào)整為60°和90°。圖中數(shù)字為噴嘴編號(hào)。 由于方案（b）（c）同屬于非均勻噴射方式，為避免重復(fù)實(shí)驗(yàn)，選取方案（b）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 不同噴射方式示意圖

實(shí)驗(yàn)前，由氣力提升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制氣舉底部遠(yuǎn)離沙面，以防止氣舉提升系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)前損壞固體顆粒層；實(shí)驗(yàn)中，先打開空壓系統(tǒng)，將儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮空氣存滿直至壓力恒為0.65 MPa，然后開啟供氣閥直至系統(tǒng)穩(wěn)定，氣流量260 m3/h，并調(diào)節(jié)蓄水實(shí)驗(yàn)池內(nèi)恒壓注水系統(tǒng)使淹沒率保持在0.8（液面到進(jìn)氣口的距離與提升管出口端到進(jìn)氣口距離之比）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；最后下降平臺(tái)高度，將氣舉提升出的沙水混合物引入取樣池沉淀后水沙分離，借助水流量測(cè)試儀、電子稱重平臺(tái)等組成的測(cè)試系統(tǒng)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 為減小實(shí)驗(yàn)操作誤差，每次實(shí)驗(yàn)取兩組，每組實(shí)驗(yàn)取樣時(shí)間25 s。

選用5個(gè)不同深度抽吸范圍如圖4 所示，其深度h對(duì)應(yīng)的采樣范圍如表1 所示。

圖4 沙層抽吸范圍示意圖

表1 取樣深度分類

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同噴射方式下抽水流量隨作業(yè)工況變化規(guī)律

圖5 為不同噴射方式下抽水流量隨取樣范圍變化曲線。 由圖5可知，浸沒比一定時(shí)，氣舉處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，隨氣舉取樣深度增大，抽水流量均呈變小趨勢(shì)。 由氣力提升機(jī)理可知，氣舉吸口不斷下降的過程中，因水供應(yīng)量受沙層影響不斷變小，氣舉抽吸速度大于吸口附近水供應(yīng)量，抽水流量下降。

圖5 抽水流量隨取樣深度范圍的變化

方案（a）抽水流量在h4范圍內(nèi)某高度開始回升，方案（b）抽水流量在h4位置時(shí)下降變緩，說明到達(dá)h4范圍內(nèi)某位置時(shí)，水供應(yīng)量開始增大，即h4范圍某位置時(shí)深坑直徑開始增大，抽吸速度大于吸口下降速度。由此表明抽水流量的大小與吸口所處深度位置密切相關(guān)，深度下降，使得流向吸口附近水量變小，抽水流量變小。

3.2 不同噴射方式下抽沙流量隨作業(yè)工況變化規(guī)律

圖6 為不同噴射方式下抽沙流量隨取樣范圍變化曲線圖。 由圖6可知，抽沙流量大體呈先上升后變緩趨勢(shì)。 結(jié)合圖5分析，隨氣舉吸口下降，吸口底部旋動(dòng)明顯，且擾動(dòng)波及沙層面積變大，旋動(dòng)造成附近沙層疏松，更多沙粒卷入提升管內(nèi)，而且進(jìn)氣口部分積壓使得三相流部分壓降增大，使得抽沙流量提升，抽沙流量增大。

圖6 抽沙流量隨取樣深度范圍的變化

方案（a）抽沙流量在h5范圍內(nèi)某深度時(shí)出現(xiàn)下降，而方案（b）在此范圍內(nèi)依然上升。 結(jié)合實(shí)驗(yàn)池內(nèi)取樣后的深坑痕跡分析可知，方案（a）在h5范圍內(nèi)取樣后留下了深坑，深坑內(nèi)壁完整且呈漏斗狀，側(cè)面無垮塌現(xiàn)象，表明隨氣舉下降，氣力提升系統(tǒng)先連續(xù)呈漏斗狀向下層吸起沙水混合物，此時(shí)吸口影響范圍內(nèi)的沙粒都已通過提升系統(tǒng)提升，水的持續(xù)供應(yīng)使得系統(tǒng)內(nèi)抽沙能力轉(zhuǎn)換為抽水能力。 方案（a）在h5范圍內(nèi)所處位置（如圖7 所示）時(shí)，受到旋流影響，深坑內(nèi)部垮塌，導(dǎo)致深坑內(nèi)游離沙粒數(shù)增多，抽沙流量上升，提升水下降。 由此表明，方案（b）在氣舉吸口埋入深度達(dá)到一定值時(shí)，深坑內(nèi)負(fù)壓更大。

圖7 氣舉提升示意圖

可見，隨氣舉泵吸口取樣深度范圍變化，抽沙流量與抽水流量升降趨勢(shì)完全相反。 結(jié)合氣力提升機(jī)理，氣舉通過液體產(chǎn)生的紊動(dòng)，加速吸口底部深坑中旋渦的形成，造成液體局部速度增加，帶動(dòng)沙粒提升，故提升沙增多，水反之減少。

3.3 不同噴射方式下混合流體空隙率隨作業(yè)工況變化規(guī)律

圖8 為不同噴射方式下混合流體中沙空隙率隨取樣深度變化圖。 隨氣力取樣深度加大，空隙率均呈上升趨勢(shì)。 這是由于隨氣力泵吸口下降，吸口附近沙粒量增多，吸口底部擾動(dòng)加速沙粒躍起，遇到向上的運(yùn)動(dòng)旋渦，固相密度增大，沙粒空隙率變大。 由圖8可知，方案（a）空隙率明顯高于方案（b），這是由于對(duì)稱噴射方式加速了液-固兩相在管內(nèi)的混合，使得氣舉提升更多的固體顆粒。

圖8 空隙率隨取樣深度范圍的變化

3.4 不同噴射方式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差

2種噴射方式下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差見表2。 由表2可知，2種噴射方式的抽水流量、抽沙流量、空隙率相對(duì)誤差值均在15%以內(nèi)，表明吸口在不同深度位置時(shí)，氣舉依然可運(yùn)行平穩(wěn)無異常，充分展現(xiàn)氣舉在海洋采礦領(lǐng)域的可靠?jī)?yōu)越性。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差表

4 結(jié) 論

1） 氣舉垂直作業(yè)，固相與液相含量短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，而下降作業(yè)不僅使漏斗狀坑徑變大，更加快坑內(nèi)流體局部運(yùn)動(dòng)，紊流增多，有利于提升。

2） 對(duì)比不同噴射方式，對(duì)稱噴射方式加速了氣-液-固三相在提升管內(nèi)混合，造成固體空隙率升高，有利于固體提升；而非對(duì)稱噴射方式增強(qiáng)了氣力泵吸口附近的流體擾動(dòng)，有利于液體提升。