表面膜减阻方法与粘塑性物料管道输送技术
技术领域
本发明涉及非牛流——宾哈姆体(Pingham)输送技术。尤其是一种粘塑性物料的管道输送方法。
背景技术
在石油、化工、采矿、环保和建筑等诸多方面,都涉及到粘塑性物料的输送。
在海岸工程和海岛工程施工中,常要求在离堤坝几百米甚至几千米以外取土,进行堤坝的土方闭气。由于围海事业的发展,高滩涂所剩无几,海岸已逐步伸向低中滩涂,中低滩涂沉积着深厚的软粘土层,这类土层粘性大,强度低、含水量大,陆上机械下不去,水上机械上不来,现有的设备难以发挥作用,人工又无法施工。
在水库、湖泊、河道中,日积月累,渐渐地沉积起越来越厚的泥层,使河床提高。这不但减少库容,污染环境,影响交通,而且在讯期会洪水泛滥,危及堤防,造成水灾。据报道,我国每年由于淤涨,消失的湖泊近百个。
原生煤泥、城市污泥、造纸污泥等一类工业副产品或废弃物,其固量含一般都是现有生产工艺中所能获得的最高浓度(以符合“减量化原则”,最大程度减小体积和重量),如煤泥浓度为70%以上,城市脱水污泥的浓度为20%以上,造纸废渣的浓度为40%以上。目前全国煤泥年产量已达2000~3000万吨;污水厂脱水污泥,全国年产量约2100万吨,占生活垃圾量的40~60%;一个大型的造纸厂全年的造纸废渣污泥为2~3万吨,全国合计数量巨大。
另外,工业废渣清运,城市垃圾处理,码头航道清淤等,粘塑性物料的输送一直是工程中迫切需要解决的课题。可见,粘塑性物料远距离管道输送方法与设备,具有广阔的市场需求和广泛的应用前景。
经检索,流体减阻问题自从Toms和Kramer先后发现高分子稀溶液或弹性材料护面都能实现粘性减阻以来,已经近半个世纪了,由于工业生产中到处都存在粘塑性流体,而减阻技术又直接为节约能源、提高效率服务,因而倍受重视。近年来减阻研究取得了长足发展,在国际上已召开多次有关减阻的学术会议,减阻已发展成一门专门独立学科。除航空、航海外,管道输送中开展了大量减阻研究,以及在石油管道中除加热降粘减阻外,还开展了磁减阻、水环减阻等,而高浓度高粘度固液两相流体减阻,近年来也进行了一定的实验研究。例如在煤的液化技术中,在水煤浆中加入有机添加剂减阻或掺气减阻;在封闭式采矿中对高浓度全尾矿砂边壁加水减阻等等。有关高分子减阻和表面活性剂减阻的研究报道较多,如Virk P.S.(1971),Den Toonder J.M.J.,et al(1997),Warholic M.D.,et al(1999),Sreenivasan,K.R.,et al(2000),Lee,D.,et al(2001)[17],Ilg,P.,et al(2002),Min T.,etal(2001,2003),Taegee M.,et al(2003)等进行了高分子添加剂在湍流流动减阻中的应用研究和实验研究,但是将表面活性剂减阻研究应用到粘塑性物料输送过程中的研究较少。
在泥土输送方面,国外有很多相关的研究。如淤泥质软粘土输送过程中流动特性的变化,涉及到流变学问题的研究,呈现出非常复杂的力学机制。同时,在扰动下会出现再固结现象的特性,使得其管道输送非常的困难,相应的机理分析和试验研究会很复杂而且相当困难。高浓度、高粘性、低强度淤泥质软粘土对应的应力与应变之间的关系称为流变模式(Reological model),籍此可以探讨软粘土的流动行为,流变模式中对应的参数称为流变参数。流变参数与软粘土的浓度、颗粒大小以及颗粒组成成分相关,一般通过实验测得。O’Brian和Jullien(1988)测量了Colorado Rocky山区口泥流沉积物的流变特性,结果指出Bingham流体粘滞系数和屈服应力随浓度的增加呈现指数增加的趋势。Major和Pierson(1992)North Fork Toutle River当地的砂、粉土和粘土混合物进行了测量,结果表明不同组分条件下,软粘土具有宾哈姆体(Bingham)流体的特性。Wang,et al(1994)进一步测量了组分对流变特性的影响。Battistoni P.,et al(2000)进行了厌氧硝化污泥的流变性测量实验,Slatter P.T.(2001)污泥管道输送的研究,Spinosa L.,et al(2001)污泥物理特性的研究,Slatter P.T.(2002)进行了管道中非牛顿流体层流流动的研究,Elizebath D.,et al(2003)进行有具有辐射性污泥的流变学研究,N.Tixier,et al(2004)在线测量了活性污泥的流变特性。Armbruster,M.,et al(2001)进行了有关污泥流变性的数值分析。
然而上述理论对软粘泥土和其他粘塑性物料的管道输送就显得力不从心。加之泥土和其他粘塑性物料本身特有的复杂性,难以正确描述其本构关系和传送特性。所以现有的理论和方法均无法进行粘塑性物料的管道输送的摸拟与计算。
在国内也有很多相关的研究。自20世纪70年代以来,黄委会水科院赵文林、杨文海、钱意颖等进行了高含沙水流基本规律的试验,研究了浑水粘滞系数与宾哈姆体物理特性;清华大学钱宁、费祥俊,西北水科所张浩、任增海也对高含沙水流的流变特性进行了卓有成效的研究;特别是在国家85科技攻关项目中,武汉大学王明甫、陈立,清华大学费祥俊等又做了大量工作,对管道及天然河流高浓度泥浆在不同流态、不同流区的阻力规律、流速分布特点又进行了比较系统、深入的研究,分析了清、浑水水力坡降的相互关系。所有这些研究成果奠定了高含沙水流理论的基础。黄委会河务部门近年来针对管道泥浆输送也进行了一些现场试验,这些试验成果往往局限于当时施工及环境条件,对泥浆管道阻力的研究,特别是对阻力系数与主要影响因素的分析还不够。从总体研究现状看,目前对伪一相流在过渡区阻力变化特点及减阻区域的确定方面认识还并不一致,另外缺乏原型工程资料;泥浆阻力特点及计算方法还有待更细致、全面的试验分析研究。吴淼等(2003,2004)进行了煤泥的环保节能利用及其管道远距离输送新技术和高浓度粘稠物料远距离管道输送成套装备在城市污泥处理中的应用研究。王裕宜、邹仁元等,邹履泰进行了泥浆宾哈姆体掺气减阻的研究,水煤浆掺气降粘减阻试验发现,水煤浆在受剪切时,微小气泡象滚轴一样流动变形,大大地降低了水煤浆抗剪切能力,在同一水煤浆中,在一定范围内气泡含量越多降粘越显著,在气体含量一样时气泡越细微,分布越均匀降粘效果越显著,对于不同水煤浆,粘度越高的降粘减阻越明显。陶松垒等(1996,1997,2004,2005)提出了气力输泥方法与系统,环保型清淤输泥方法与设备等,能远距离输送高浓度、大粘度、低含水量的淤泥和软粘土又不污染环境的土方施工设备。该设备包括喂入装置、发送器、水环气垫装置、脉冲切割器、输料管道、布料结构,适用于河塘开挖、堤坝填筑、制砖、水库湖泊清淤、航道疏竣。解决了部分软粘物料(Bingham体)的远距离输送的难题。
通过检索国内外专利文献及相关的数据库,从寻找到的资料可见,很多专家学者的研究在这一技术领域,作出了积极的贡献,这些研究试验成果都是本发明的基础和前提。但是,未发现采用仿生鱼体表面膜、动物肠道膜的表面膜减阻的有效方法,实现粘塑性物料远距离管道输送的方法与系统。因此对粘塑性物料的远距离管道输送,这个国际性难题,仍有大量的迫切需要攻克的难点。
发明内容
本发明目的在于提出表面膜减阻方法与粘塑性物料管道输送技术,有效解决粘塑性物料远距离管道输送的诸多难题。
本发明的技术方案是:采用理论研究、科学实验与工程实践相结合的方法,采用在物料与管道问设置表面膜的被膜方法,仿生鱼体表面膜、动物肠道膜的表面膜减阻方法,一种输料管道的内壁降低壁摩擦力的表面处理方法。使物料的内摩擦力大大高于管壁摩擦力,把降低壁摩擦力问题突显成为管道输送系统中的主要矛盾,在管道输送中其他很多复杂的问题,都降为可以忽略的次要矛盾。只是着重研究降低壁摩擦力问题,克服软粘物料与管道内壁的粘滞性,一个很复杂的问题简单化了,粘塑性物料远距离管道输送的难题就得以解决。使粘塑性物料在低能耗的前提下进行输送,实现各种粘塑性物料的远距离管道输送。
所述的仿生鱼体表面膜方法,又称为物料表面成形被膜方法,是采用种种装置在被输送的物料表面设置一层类似于鱼体表面膜的方法。其方法是把物料压制成或包装成与管道相吻合的形状,在已成形状的物料表面包上一层防渗薄膜,或在物料与管壁之间喷上一层润滑剂,以减少物料与管壁之间的阻力,避免物料损伤和管道的磨损。防渗薄膜和润滑剂材料,是根据不同的输送物料及工作要求选择和确定的。
所述的仿生动物肠道膜减阻方法,又称为输料管道的内壁的表面处理方法。是在输送管道的内壁表面设置一层类似于动物肠道膜的方法。其方法有内壁表面层法和双重管道法两种。内壁表面层法如图1所示,是在输料管道(1)的内壁,进行表面处理。通常是在输料管道(1)的内壁涂复上一层,带有很多微小毛细孔的吸附层(2)。双重管道法更适合远程输送,如图2、图6所示,在管道(1)内壁设有与毛细孔(6)的吸附层(2)相联通的水平通道(5)。水平通道(5)与辅助管道(48)相联接,并受电磁阀(50)控制。
由于输料管道(1)为高能表面,管壁的表面能很大,于是管壁与物料(4)的间粘附功也很大,物料(4)在管壁上的粘附作用很强,造成输道阻力很大。当输料管道(1)进行处理,在管壁上增加吸附层(2),并加入防渗薄膜和润滑剂。在输送过程中表面活性剂进入并吸附于管道的内壁上,从而形成一层牢固的表面膜(3)。使得管壁与物料之间垫有一层悬浮膜,使物料(4)与管道(1)相隔离,避免物料(4)与管道(1)之间的直接摩擦,以减少粘塑性物料物料扰动及与管壁粘滞阻力,同时也减少了管道(1)的磨损。润滑剂可以回收重复使用。吸附层(2)还有着调节表面膜余缺的功用。如输送粘土时加入的表面活性剂和水,就可以在管壁上铺展,表面活性剂就以疏水的碳氢链吸附于管壁上,带有一层表面膜(3)的极性基伸入管内吸附在管壁上,将原来高能表面的管壁被表面膜覆盖,此时粘土的移动在表面膜(3)上进行,其粘附力降低、使输送阻力降低。不同的表面活性剂的减阻效果不同,对不同配方的添加剂的作用机理效果进行试验研究分析,试验表明:表面膜的减阻效果依次为:水膜层不如泥浆层,泥浆层不如润滑活性剂层,润滑活性剂层不如小气泡层。减阻效果最好的是水、泥浆、润滑活性剂、发泡剂的混合物。
所述的被膜装置包括:被膜器(7)、配料箱(19)、高压管(20)、定量泵(21)、控制阀(22)单向阀和喷头等组成。设置在输料管道上,适时地对料柱表面喷一层表面膜液。根据输送不同的物料和适用性、经济性、环保性的原则,选择配置相适应的表面膜液,通常用水、油等液体,在特殊情况下也有用气体和固体微粉。在输送粘塑性物料时,表面膜液与被输送物料的比例为0.5%~8%之间。在输送颗粒状或渗透系数大于10°m/h的物料时,如钢球、卵石等,表面膜液与被输送物料的比例为10%~120%不等。虽然这些物料已不是粘塑性物料的范畴,但本发明的方法和设备,常被用于这些物料的输送。
所述的添加剂减阻,添加剂的选择是远距离输送粘塑性物料的关键技术之一,因此探讨各种不同的添加剂对输送特性的影响,探讨添加剂改良输送特性的机理,完善粘塑性物料远距离输送的理论体系,做到最大限度的节约能源,提高输送效率。输送不同的物料采用不同的添加剂。添加剂根据的输送物料可有不同的选择,一般是在水、气和混合物中外加表面活性剂、增润剂、发泡剂,如烷基硫酸盐,烷基醇酰胺,脂肪醇聚氧乙稀醚硫酸盐,烷基苯酚聚氧乙稀醚,聚次甲基萘磺酸盐,亚甲基二萘磺酸盐,木质素磺酸盐等。
当输送远距离远时,可采用双重管道输送法,即在主输送管道上,每隔一定距离,均匀装一个助推器。主输送管道、电缆与辅助管道平行铺设。当泥土在主输送管道中行进的阻力较大时,辅助管道中的高压水气或表面膜液,注入主输送管道内壁的水平通道与充满毛细孔的吸附层上,使得表面膜液和推动力得以补充。
表面膜液需要量和物料输送量、表面膜液厚度、输送管道直径、输送距离、物料渗透系数、被膜助推器数量的关系的计算方法:
式中:
v——单位时间表面膜液量(m3/h)
w——单位时间输送物料量(m3/h)
h——物料与管壁间的表面膜液厚度(m)
d——输送物料管道的直径(m)
l——输送距离(m)
k——输送物料的渗透系数(m/h)
n——被膜助推器数量(个)
在输送过程中表面膜液的需要量分为两个部分,前一部分为输送管道内壁与物料之间的表面膜液需要量,后一部分为渗透于物料内的表面膜液需要量。在输送水饱和软粘泥土或已在物料上包一层防渗薄膜时,由于渗透系数小于10-8m/h,且泥土的空隙中充满着饱和水,在输送过程中泥土受到挤压,泥土中的饱和水还能离开泥柱,附着于输料管道的内壁的吸附层上。计算时,渗透于物料内的表面膜液需要量通常忽略不计。如输送含水量较大的饱和土时,只加表面活性剂、润滑剂和脱水剂。起到润滑、减阻、脱水、固结作用。表面膜液中表面活性剂、发泡剂与水的比例为0.005%~0.02.5%之间,最佳的气泡直径在0.03mm~0.80mm之间。在输送渗透系数较大的物料时,不仅输送管道内壁与物料之间需要表面膜液,而且一部分表面膜液渗透于物料的颗粒之间,从而消除了物料的搭桥卡管现象。
附图说明
图1为内壁设有毛细吸附层的输料管道剖面图。图2为工作中的输料管道截面的放大图。图3实施例1液压式软粘土输送原理图。为图4为软粘土输送机液压系统图。图5为实施例2双重管道软粘土输送船。图6双重管道局部图。
具体实施方式
实施例1液压式软粘土被膜输送方法。软粘土是指在静水或缓慢的流水环境中沉积,经生物化学作用形成,含有有机质,天然含水量大于液限,天然孔隙比大于1.0的饱和土。软粘土既不是液体,也不是固体,属于宾哈姆体范畴,并且具有软弱性、粘滞性、触变性、流变性、渗透性、压缩性的特点。这种软粘物料的非牛顿流体特性及其在扰动下的再固结特性,具有很大的粘滞阻力。就输送泥土的现有技术和设备来说,泥浆浓度大于30%,就无法输送;粉粒状干土稍有潮湿就无法输送。而在工程中大量泥土的自然状态都处于难以用管道输送的范围。高浓度、高粘性、低强度软粘土,一直被认为无法管道输送。其不可输送性的主要原因是软粘土的粘滞性,所以克服物料粘滞性是远距离管道输送的关键。
本发明液压式软粘土输送装置,如图3所示,由液压推进装置、转换阀(8)、被膜装置和管道(1)组成。液压推进装置包括:主油缸(13)、主油缸活塞(14)、主油缸活塞杆(11)、输送缸(9)、输送缸活塞(10)、洗涤室(12)、液压油箱(18)、液压阀(15)、液压管(18)、液压泵(16)等。软粘土输送机液压系统如图4所示,液压推进装置由75KW电机(28)带动160ml/r变量泵(27),经06电液换向阀(25)、06电磁溢流阀(25)和同步阀(24),供给推力油缸(23)。两个推力油缸(23)的行程位置由XK1XK2XK3XK4四个行程开关(38)控制。液压系统的工作压力由压力表(26)显示。
转换阀(8)由两个工作油缸(36)相连的S阀(37)交替工作,完成进料和输送的转换。5.5KW电机(32)带动10ml/r变量泵(31),经02电磁换向阀(34)、03电磁溢流阀(33)和单向节流阀(35),供给工作油缸(36)。两个工作油缸(36)的行程位置由XK5XK6两个行程开关控制。推进装置和转换阀的液压系统合为一体,共用一套油箱组件(30)。
被膜装置包括:被膜器(7)、配料箱(19)、高压管(20)、定量泵(21)、控制阀(22)等。被膜器(7)由单向阀和多个喷头组成。沿程设有各种传感器和智能控制系统。
开始工作时,先启动被膜装置,把整个管道湿润一边,喂料装置和液压推进装置接着工作。表面膜液预先在配料箱(19)配制和储存,当泥柱经过被膜器(7)时,表面膜液经高压管(20)、定量泵(21)、控制阀(22),被喷涂于泥柱与管壁之间。在输送含水量较高的软粘土却输送距离不大时,配料箱(19)内通常灌入水作为表面膜液。在输送含水量较低的软粘土却输送距离较大时,采用表面活性剂、发泡剂与水气的混合物。可以用如下质量百分比的配方:十二烷基硫酸钠0.01%~0.08%,烷基醇酰胺0.005%~0.025%,脂肪醇聚氧乙稀醚硫酸钠0.008%~0.035%,氯化钙0.01%~0.08%,水加至百分之一百。由于输料管道多为高能表面,管壁的表面能和粘附功很大,造成输道阻力很大。当加入活性剂于管道中,水就可以在管壁上铺展,表面活性剂就以疏水的碳氢链吸附于管壁上,带有一层水膜的极性基伸入管内吸附在管壁上,将原来高能表面的管壁被水膜覆盖,此时物料的移动在水膜上进行,其粘附力降低、使输送阻力降低。当加有表面活性剂、发泡剂与水气的表面膜液喷涂于泥柱与管壁之间时,不但降低了水的表面张力及表面能,同时表面活性剂定向吸附在气泡表面,形成单分子吸附膜,使液膜坚固而不易破裂。微小气泡象滚珠一样间隔与泥柱与管壁之间,与润滑剂共同作用,大大地降低了泥土的粘滞阻力。
实施例2双重管道输泥船。包括推送器、进料口、输料管道、转换阀、表面膜发生器、布料装置、智能控制系统等,如图5图6所示,在船体上设有吊机(39)、抓斗(40)和料斗(42)。吊机(39)沿着船边抓起泥土(41)放入料斗(42),由液压推进装置把泥土(41)压入主输送管道(46)。主输送管道(46)每隔一定距离装一个助推器(45)。主输送管道(46)、电缆与辅助管道(48)平行铺设,用抱攀(52)螺钉(49)固定在浮体(44)的加强条(51)上。助推器(45)与辅助管道(48)的联通与否,由电磁阀(50)控制。当泥土(41)在主输送管道(46)中行进的阻力较大时,电磁阀(50)打开,辅助管道(48)中的高压水气或表面膜液,注入主输送管道(46)内壁的水平通道(5)与充满毛细孔(6)的吸附层(2)上,使得管壁与泥柱间的摩擦力降至最低。其他工况与实施例1相同。
本设备在水利、环保、建筑工程中有着极其广泛的用途,诸如水库、航道、湖泊清淤,港口疏浚,河道开挖,码头、船坞积聚物清理,围海筑堤,海滩回填,土方搬运,城市垃圾、污泥、工业废渣清运等等。对结束土方工程“人海战役”、手提肩扛的历史,提高生产力,治理环境污染,促进经济发展,都有着重要的现实意义。在理论上的意义是从根本上解决粘塑性泥土远距离管道输送方法和设备。
实施例3混凝土输送,输送混凝土时,在原有的混凝土输送泵基础上,仅增加被膜装置。表面膜液采用消泡剂其配比为:木质素磺酸钙0.3%~1.2%,聚氧乙稀醚0.01%~0.05%,环己醇0.01%~0.05%,水加至百分之一百。
当表面膜液被喷到混凝土与管道内壁时,水泥颗粒因吸附了阴离子而带负电,使水泥颗粒周围的水产生极性,同性离子相斥阻止了水泥颗粒的吸附和扩散作用,抑制了混凝土的凝聚倾向,水泥浆由网状凝聚结构变成溶胶结构,因此浆体变稀,混凝土与管道内壁的粘滞阻力减少,混凝土的流动性增大。经对比实验,明显减少混凝土与道壁之间的摩擦阻力。采用本发明的方法,不但能耗更省,输送距离更远,而且混凝土抗压强度提高6%~25%。
实施例4钢球输送,输送时用脱水机油作为表面膜液。设机油的回收、过滤装置。在与钢球相关的工业生产中,钢球的管道输送,对生产流水线的自动化,至关重要。对于钢球有控制的计量、装配和灌装,都成为方便的事情。
本发明的优点
1.输送量大,输送距离远。由于采用了表面膜减阻方法,物料在管道内的输送密度和行进速度提高,与原有的管道输送相比,输量大,输距远。
2.阻力小,能耗省,减少管道磨损和物料的破损。由于采用了仿生鱼体表面膜、动物肠道膜的方法,降低壁摩擦力和物料间的碰撞,不但使管道输送的沿程阻力小,能耗省,而且使粘塑性物料在低能耗的前提下进行输送,实现各种粘塑性物料的远距离管道输送。
3.原理简单,计算方便。在管道输送中有很多复杂力学的问题,本发明抓住降低壁摩擦力这个管道输送系统中的主要矛盾,忽略的次要矛盾。只是着重研究降低壁摩擦力问题,克服软粘物料与管道内壁的粘滞性,一个很复杂的问题简单化了。
4.应用前景广阔,适用范围大。适用于石油、化工、采矿、环保和建筑等诸多方面。