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钻孔水力开采用气力提升系统性能研究 ① 胡 东, 葛瑞瑞, 唐川林, 汪志能 (湖南工业大学 机械工程学院,湖南 株洲 412007) 摘 要 采用与实际作业相近的槽内供砂方式并引入水射流喷嘴研究了钻孔水力开采用气力提升系统的性能变化规律。 结果表 明水射流喷嘴达到一定数量(N)即可消除槽底压持效应,起到提高颗粒质量流量与提升效率的目的;水射流喷嘴分布的非均匀性 过高与过低均不利于增强气力提升性能;水射流喷嘴在气举头埋入砂层后(即气举头底部至砂床表层距离 H<0)可显著增加颗粒质 量流量与提升效率。 关键词 钻孔水力开采; 水射流喷嘴; 气力提升; 质量流量; 提升效率 中图分类号 TP69文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2016.05.005 文章编号 0253-6099(2016)05-0017-05 Performance of Airlift System in Hydraulic Borehole Mining HU Dong, GE Rui⁃rui, TANG Chuan⁃lin, WANG Zhi⁃neng (College of Mechanical Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, Hunan, China) Abstract A new particle feeding method, which is similar to the real operation and combined with the introduction of waterjet nozzles, was adopted in the process of hydraulic borehole mining for investigating the performance of airlift system. Results show that chip hold⁃down effect can be eliminated with certain numbers of waterjet nozzles (N), leading to an increase in the mass flow rate and lifting efficiency. However, the non⁃uniform distribution of jet nozzles won′t be beneficial to promoting airlift performance. With the waterjet nozzle embedded into the sand layer (the distance between the bottom of air⁃injector and the surface of sand layer less than 0), both solid particle mass flow rate and lifting efficiency can be remarkably improved. Key words hydraulic borehole mining; waterjet nozzle; airlift; mass flow rate; lifting efficiency 在欧美国家,钻孔水力开采技术受政府专项财政支 持。 俄罗斯曾将其先后应用于列宁格勒州的金吉谢普 磷矿、鄂木斯克州的塔尔钛锆矿以及奥伦堡州阿克尔曼 诺夫锰矿等矿床的开采,取得了巨大经济效益,美国矿 业局也在利用此项技术开采圣约翰磷矿床中获得了重 大突破。 由于气力提升装置(Airlift)是以压缩空气为工 作介质来抽吸和压送液体或浆体,其本身无运动部件, 结构简单,成本低廉,不易堵塞,对环境影响极小,因此 被视为钻孔水力开采过程中举升矿浆的有效工具之一。 长期以来,气力提升性能偏弱一直困扰着学术界, 早期的研究者大多以增加浸入率来提高颗粒排量及效 率[1-2]。 后续研究者则通过改变气流量来考察气力提 升性能,他们发现气流量对气力提升性能起到至关重 要的作用,且仅当其为某一特定值才使提升性能达到 最佳[3-4]。 除上述针对于浸入率和气量值的研究外, Anil 和 Kumar 等[5]还从管道结构着手选用 3 种管型 (直管,锥管和阶梯管)进行分析,结果表明锥管的扬 水能 力 及 效 率 均 高 于 其 余 两 种。 在 此 基 础 上, Hanafizadeh 和 Saidi 等[6]对不同锥管(锥度分别为 0, 0.25,0.5,1,1.5,2和 3)进行了数值模拟研究与 实验验证;Hanafizadeh 和 Karimi 等[7]也得出过类似结 论。 他们的研究成果表明合理的管道结构确能改善流 型,进而增强气力提升性能。 Kassab,Hanafizadeh 以及 Dong 等[8-10]还提出通过进气方式来改善气力提升性 能,取得了较为理想的效果。 向文英和裴江红等学 者[11-12]提出了利用水射流喷嘴增强气力提升性能,极 大促进了该项技术在河道清淤、钻孔水力开采等领域 的应用。 然而,他们的研究均未涉及喷嘴的分布方式。 ①收稿日期 2016-04-13 基金项目 国家自然科学基金(51374101);湖南省教育厅科研项目(16C0464) 作者简介 胡 东(1980-),男,湖南澧县人,讲师,博士,主要研究方向为流体机械、高效射流理论及应用。 通讯作者 葛瑞瑞(1990-),女,山东聊城人,硕士,主要研究方向为高效射流理论及应用。 第 36 卷第 5 期 2016 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.36 №5 October 2016 万方数据 目前,针对于气力提升技术的研究多采用投放器 向水槽连续输送一定量的固体颗粒,而实际工况下无 论是钻孔水力开采还是大洋采矿、河道清淤等领域固 体颗粒一般均沉积在底部壁面,且由于压持效应导致 其提升难度加大。 为此,本文拟采用与实际工程应用 接近的槽内供砂方式,并引入水射流喷嘴着重研究其 对气力提升性能的作用规律。 1 试验装置及方法 1.1 试验装置 选用与现场作业极为接近的槽内供给方式,即在 水槽底部平铺一定厚度的固体颗粒,试验系统如图 1 所示,主要由气力提升系统、搅拌系统以及测试系统 3 部分组成,其中空压机、气举头以及提升管构成气力提 升系统,水泵与水射流装置组成搅拌系统,气体分离 器、集沙槽与液体流量计形成测试系统。 测试颗粒选 择平均粒径为 3 mm、密度 2540 kg/ m3的普通河砂。 . 8,38A440 ;;. 8440*68 20 *68 1;. ; 84 ;4DD ; 0 04- 图 1 试验系统示意 气举头为气力提升系统动力源,对其工作性能的影 响至关重要[13],其结构见图 2。 试验中,L1与 L2分别设 为 2.94 m 与 0.06 m,管内径恒为 0.09 m,L3可通过进水 管及水槽底部阀门调节,进而实现浸入率 γ(γ=L3/ L1) 可调。 为减弱气流波动所引起的误差,在气体流量计 前段设置一整流器,以确保进气口流速稳定。 气体流 量由空压机阀调节,并通过 LZB-50 型气体流量计测 定,其误差在1.5%以内。 水流量则由 LZB-100F 型 液体流量计测量,相应最大误差为1.5%。 28 182 ;B24 847E 0/4 82 . 图 2 气举头结构 水射流喷嘴内部流道为 13收敛性锥形结构,且 均匀布置在一安装于气举头上的环形水箱上,构成水 射流装置(图 3),对槽底砂层起疏松、搅拌作用,同时 可改善气举头底部流场结构。 为考察水射流喷嘴影响 气力提升性能的机理及规律,拟定如图 4 所示的布置 方案。 为确保水射流喷嘴出口压力不受其影响,图 4 (a)和(b)所对应的喷嘴当量面积应相同。 由此可推 断,不同方案下喷嘴内径存在差异,但同一方案下其内 径应一致。 为在喷嘴出口形成稳定的射流输出,其前 端须安装一储能器以降紊。 ;47E ; ;4 图 3 水射流装置示意 ;7E ; ;7E ;; a b ,1 ,2 ,3,4 1 N 32 N 43 N 6 80 80 101 101 121 121 140 140 图 4 水射流喷嘴布置 (a) 水射流喷嘴数量; (b) 水射流喷嘴布置方式(N=3) 1.2 试验方法 为分别测量水流量和河砂质量流量,水被导入计 量缸,之后由液体流量计测定,而河砂则被引入集沙 箱,待采样结束后送至电子天平称量。 考虑系统可靠 性及采样效率,采样时间以 6 s 为宜,且对水和河砂分 别测量 5 次,并取其平均值。 由于所获河砂含水,不能反应其真实质量,因此对 一定量的河砂处于浸水与未浸水两种状态分别进行了 测量,结果如图 5 所示。 从中可计算出其拟合方程为 Y =- 0.026 + 0.874X(1) 其中 X 与 Y 分别为湿、干砂质量,kg。 81矿 冶 工 程第 36 卷 万方数据 Xkg 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.50.01.01.52.52.03.03.5 Ykg ;;2 6/9 图 5 干⁃湿砂对应关系 2 试验结果及其分析 图 6 为 γ=0.65,H=0.02 m 时,水射流喷嘴数量影 响气力提升性能的测试结果。 由图可知,水射流喷嘴 数量增加并不会引起水流量随气量变化趋势的改变, QG m3 s-1 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 0.0050.0070.0090.0110.013 QL m3 s-1 QG m3 s-1 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0.0050.0070.0090.0110.013 Ms kg s-1 QG m3 s-1 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.0050.0070.0090.0110.013 η N 0 N 3 N 4 N 6 N 0 N 3 N 4 N 6 N 0 N 3 N 4 N 6 图 6 水射流喷嘴个数对气力提升性能的影响 即 4 种方案下(图 4(a)),液体体积流量 QL随气体体 积流量 QG增加均出现一峰值与之对应。 这表明气量 为气力提升性能变化的关键诱因。 事实上,随气量值 上升,管内流型依次为泡状流、弹状流和环状流,且仅 在弹状流条件下其水流量最高。 此外,从气流与液体 的传质过程出发也可阐释此特征。 气量很小时,液相 运动基本由其混合流体与水的密度差决定,由此可解 释此时水流量偏小的原因。 继续增加气量不仅使密度 差异上升,还因气流喷嘴的喷射效应使得混合流体的 传质效果更佳,进而导致水流量增加。 但当气量值过 高则又会因气⁃液之间滑移比上升引发传质效果减弱, 从而致使水流量减小。 值得指出的是,由于固相的破 坏,管内流型对气力提升性能的影响已大幅被削弱。 因此,可将混合流体的密度与相间传质性能视为影响 气力提升性能的关键因素。 另外,质量流量 Ms与提 升效率 η 随气量变化的规律[14]也与上述特征类似。 究其原因,主要是由于固体颗粒在混合流体中的运动 特性主要取决于液相所致。 对比 N= 0,3,4 和 6 可发现,水射流喷嘴(N = 3) 的引入会导致系统排液能力小幅减弱,但却引起排固 量及提升效率大幅上升,特别是对应最佳排液量位置, 引入水射流喷嘴后系统的输砂量及其效率增强尤为突 出,其最大排固量与提升效率分别增加了 2.58 和 2.51 倍。 但之后继续增加喷嘴数量则仅导致排砂量与提升 效率微量提高,与之对应的水流量变化也极其微小。 对其原因可作如下解释由于水射流一方面扩大了气 举头底部附近径向流场范围,使得大量砂石运移至底 部管口,同时也增强了流体对固体颗粒的拖曳力使其 易于跃过进气口以避免在液⁃固段发生拥塞;另一方面 因其搅拌、疏松作用可消除静水压力对槽底河砂的压 持作用。 结合喷嘴数量(N>0)变化对气力提升性能影 响甚微的结论可判定其主要功效为消除槽底静压持效 应,而对流场改善不大。 一旦此效应被解除,固体颗粒 便易于滚动、提升,之后再增加喷嘴数量则并无益处。 试验中还发现,即使水泵流量很小,喷嘴射出的流体也 能很好消除压持效应,之后流量增大则对系统提升性 能无显著影响。 图 7 给出了 γ=0.65,H=0.02 m 时水射流喷嘴分 布方式影响气力提升性能的规律。 从图中可知,4 种 分布方式对水流量几乎无影响,而对排砂量及提升效 率的作用较为明显。 就整体而言,气力提升性能按照 方案 2、3、4 和 1 依次减弱,其中方案 2 与 3 差异不大, 但较余下方案(3 和 4)有一定程度提高,且这种差异 在最大排水量位置附近趋于最大,而在气量较小时则 不明显。 对此规律可作如下解释水射流喷嘴的非均 91第 5 期胡 东等 钻孔水力开采用气力提升系统性能研究 万方数据 匀分布特性可促使水槽底部靠近气举头吸口附近流体 紊动加剧,形成不稳定流场,导致大量固体颗粒上表面 拖曳力波动而使其因压持效应瞬间消失易于脱离砂 床,因而方案 2 所对应的提升性能高于方案 3。 但若 水射流喷嘴分布过于非均匀化,如方案 1,此时槽底压 持效应虽已得到解除,但由于喷嘴间距过段仅作用于 一侧而使其有效作用范围偏低,导致系统提升能力减 弱。 此外,固体颗粒还会因喷嘴的“偏心”所形成的动 压持效应而偏离吸口,甚至进入死角区域,导致颗粒重 复输送。 综上所述,可认为水射流喷嘴的非均匀分布 确能起到改善气力提升性能的作用,但不能过分“偏 心”。 QG m3 s-1 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 0.0050.0070.0090.0110.013 QL m3 s-1 QG m3 s-1 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0.0050.0070.0090.0110.013 Ms kg s-1 QG m3 s-1 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.0050.0070.0090.0110.013 η , 1 , 2 , 3 , 4 , 1 , 2 , 3 , 4 , 1 , 2 , 3 , 4 图 7 水射流喷嘴布置方式对气力提升性能的影响 由图还可得,除 QL⁃QG性能曲线外,水射流喷嘴 的非均匀性布置可引起 Ms⁃QG和 η⁃QG所对应的峰值 位置发生偏移。 这暗示合理的喷嘴布置方案主要通过 改善液⁃固相传质来强化系统提升性能,而并非增强 气⁃液相传质。 另外,喷嘴非均匀化程度越高,对应的 峰值位置气量值则愈小。 这应该也是由其引起的非均 匀流场特性所致。 吸头与砂床表层之间的距离 H 为影响气力提升 性能的又一重要参数。 为此,在不同水射流喷嘴数量 下还探讨了 H 对水流量、固体质量流量以及提升效率 的影响规律。 γ= 0.65,QG= 0.0089 m3/ s,测试结果见 图 8,其中 H 为负表示气举头位于砂床表层以下。 H m 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 -0.04-0.020.000.020.04 QL m3 s-1 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Ms kg s-1 8 6 4 2 0 η N 0 N 3 N 4 N 6 N 0 N 3 N 4 N 6 N 0 N 3 N 4 N 6 H m -0.04-0.020.000.020.04 H m -0.04-0.020.000.020.04 图 8 水射流喷嘴作用下 H 影响气力提升性能的规律 从图中可知,水流量随 H 增加整体呈上升趋势, 但在靠近 H=0.005 m 左右两侧均出现一次小幅波动。 而排砂量与提升效率随 H 变化则是在 H=0 出现大幅 跃迁,且在其两侧迅速降低,这表明 H= 0 位置所对应 的气力提升性能极佳。 对于这种无法在传统气力提升 系统中所表现出来的特有现象其解释如下当气举头 02矿 冶 工 程第 36 卷 万方数据 底部与砂床平齐时,管口内部在高速气流上喷和管口 砂堵的双重作用下其真空度骤然升高,引发吸口附近 砂层突然崩离、脱落,导致大量砂石瞬间得以提升。 试 验也的确观察到在空压机开启的瞬间,提升管排料口 几乎全为河砂,水流量几乎为零的现象。 虽然利用此 特征可以达到增强气力提升性能的目的,但由于该工 况伴随着强烈的颤振,会导致系统可靠性减弱,因而在 实际应用中并不可取。 此外还发现,若 H 值过高,水 流量随其变化仅有微量增加,排砂量及提升效率却因 固体表面拖曳力减弱而出现较大幅度衰减。 由图还可得,水射流喷嘴(N=3)的引入虽对水流 量影响不大,但却能显著提高排砂量与提升效率。 特 别是当气举头埋入砂层后,水射流喷嘴的作用尤为显 著。 当 H=-0.04 m 时,受喷嘴作用,对应河砂质量流 量及提升效率较之前均增加了 2 倍。 这表明水射流喷 嘴可以有效搅拌、疏松砂层,不仅避免了管口砂石封 堵,还解除了槽底的压持效应,且还因射流喷射作用易 导致河砂直接被卷入进气口之上的三相段从而使其更 易被提升。 当气举头逐渐远离砂床时可发现,尽管水 射流喷嘴对气力提升性能的增强作用仍然明显,但其 影响程度逐渐趋于缓和。 值得注意的是,喷嘴数量的 增加并未引起气力提升性能的显著提高,这说明采用 N=3 就足以对砂床起到很好的疏松作用。 但对应粘 结性较强的泥床、砂床及矿床等,水射流喷嘴的布置方 式对此应有较大影响。 3 结 论 1) 引入水射流喷嘴未改变气力提升性能随气量 的变化趋势,对水流量的影响也较小,但导致颗粒质量 流量及提升效率大幅上升,而此后继续增加喷嘴数量 则又对气力提升性能影响甚微。 2) 水射流喷嘴的非均匀分布特性可改善气举头 管口底部附近流场,促进颗粒质量流量与提升效率增 强,但其非均匀程度过高则会产生动压持效应,引发气 力提升性能减弱,且还会致使其峰值位置发生改变。 3) 整体而言,水流量除在临近 H= 0.005 m 两侧 出现较小降幅外,随 H 增加而上升。 而颗粒质量流量 与提升效率则随其变化在 H=0 处近乎为突跃,且在其 两侧出现速降。 此外,水射流喷嘴在气举头埋入沙床 (即 H<0)后对颗粒质量流量和提升效率的增强作用 极为突出,但对水流量影响甚微。 参考文献 [1] Hjalmars S. 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