大型管输煤浆搅拌器的选择和设计

田达理

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064)

管输煤浆搅拌器作为管道输煤工程中的关键设备之一，在煤浆储存环节对维持煤浆的均匀稳定起到至关重要的作用。由于煤浆属于固液两相流体，固体煤颗粒的比重比水大，静置时容易发生沉降，所以，在储存过程中需要设置机械式搅拌器，为煤浆提供足够使固体煤颗粒悬浮的动力，确保储罐系统的安全，保障整个管道系统的安全稳定运行。

煤炭属于大宗运输货物，管道输煤工程的规模一般在每年百万吨级甚至千万吨级，其配套的储浆罐的单座容积往往较大，一般在3000m3以上，有的甚至达到10000m3，属于大型储浆罐。

目前，国内大型矿浆搅拌器主要是以燃料水煤浆、气化水煤浆、铁精矿浆以及磷精矿浆等介质为主[1-3]，适用于管道输煤工程的大型管输煤浆搅拌器还属于空白。

搅拌器属于非标准设备，由于搅拌目的、工艺要求、物料性质，各类搅拌器的型式差别较大[4]。但对于同类物料，搅拌器的详细参数主要根据容器尺寸进行具体调整，因此对于管输煤浆而言，搅拌器的型式选择对于不同容器尺寸均有一定的指导意义。

1 管输煤浆特性

管输煤浆是由固体煤颗粒和水组成，无任何添加化学药剂，是一种固、液两相混合物。因其黏度较低，受环境温度影响较小，因此能采用管道进行紊流状态长距离大运量输送。到达终端后，可根据用户要求进行处理，对于燃用粉煤的用户(如电厂等)，可以采用机械脱水；对于需要直接喷烧水煤浆用户(如煤化工、直接燃烧水煤浆的发电锅炉等)，可以适当脱去部分水，再进一步细磨，满足直接喷烧的要求[5]。

相较于燃料水煤浆、气化水煤浆、铁精矿浆以及磷精矿浆等其他常见矿浆，管输煤浆具有重量浓度较低、粒度较粗、黏度适中、固体密度和浆体密度均较小等特点，具体指标对比见表1[6-9]。

从浆体储存搅拌方面看，管输煤浆的粒度较粗、浓度较低是搅拌器的选择和设计需要重点考虑的问题。由于粒度较粗、浓度较低，其沉降速度更快，需要合理选择动力才能达到既节能又均匀悬浮的目的，否则可能在储浆罐内发生“沉槽”事故。

表1 管输煤浆与其他常见矿浆特性对比

2 储浆罐尺寸选择

储浆罐的功能主要是储存工艺要求的煤浆容量，对上下游工艺或用户形成缓冲作用。对于工艺要求的某一具体容量，储浆罐的尺寸可以有多种形式，以不同高径比(H∶D)为参考，可以有：①2∶1；②1∶1；③1∶2三种典型型式供设计选择。

对于型式①，由于罐体高度较高，罐体侧壁受压较大，会导致罐体用材增加；由于罐体的直径较小，罐体占地面积小，单层桨叶的功率也较小。但是，液位底部和顶部相距较大会导致搅拌桨叶层数增加，搅拌功率反而增加，且上下浓度相差较大，甚至难以满足工艺要求。对于型式③，则反之，型式②为适中。国内大多数设计院采取型式②或接近该型式尺寸是目前实际普遍的折中做法。但对于容积大于3000m3的大型储浆罐及配套搅拌器，笔者建议针对项目的具体情况，综合考虑占地面积、投资成本、运行成本、同类设备运行实例、厂家制造能力等因素进行详细的方案比较，确定最优的储浆罐尺寸。

3 搅拌器基本结构参数选择

3.1 安装型式

管输煤浆的搅拌属于无特殊要求的容器搅拌作业，故采用中心顶入式安装。

3.2 桨叶型式

搅拌器的桨叶型式直接决定了搅拌效果是否可以满足工艺要求。同为固、液两相流体，设计的工艺要求不同，推荐搅拌桨叶的型式、评估搅拌效果的特性参数、过度搅拌对物料的影响均不同，具体见表2[10]。

表2 不同工艺要求和搅拌桨叶各因素关系

根据管道输送工艺要求，管输煤浆储存过程搅拌的目的主要是固、液悬浮，故桨叶宜选择推进式、轴流旋桨叶。该桨型以叶轮旋转产生平行于轴线的射流推动物料，使容积内的流体大范围内循环流动形成主体对流，产生很多小旋涡，形成高度湍动的搅拌效果。同时，借助容器内周围的挡板，使物料触底后沿着挡板方向折返上升形成回路循环再回到叶轮区，通过这种循环使物料反复通过叶轮区，从而使容器内所有物料得到充分混合均匀，达到固、液两相悬浮的搅拌目的。轴向流体流型如图1所示。

图1 轴向流体流型示意图

由于管输煤浆中固体煤颗粒的磨蚀作用，需要对桨叶局部加强耐磨处理，主要的加强区域位于迎流面，耐磨处理有表面衬套耐磨橡胶和涂覆或堆焊高硬度金属等方式。表面衬套耐磨橡胶的方式较为经济，但磨损较快，而涂覆或堆焊高硬度金属的方式虽耐磨效果更好但成本较高。需要注意的是，在大型搅拌器搅拌过程中，桨叶的四周形成一个负压区，在负压区的上下产生旋转相反的涡流，容易造成背流面的“气蚀”作用，因此，在背流面也需要做耐磨处理。

为了降低桨叶自身重量及节省材料，通过设计计算确保各部分受力满足强度要求的前提下，应采用空心桨叶型式(如图2所示)，桨叶背面的加强板采用弧面设计，以降低桨叶与液体摩擦阻力[11]。

图2 空心桨叶结构型式

3.3 搅拌轴型式

为了保持煤浆固体颗粒尽可能不被桨叶剪切碎化，要求搅拌桨叶的设计转速低于设备临界转速，故设计采用刚性轴。大型搅拌器的搅拌轴直径一般大于300mm，采用空心轴结构更有利于降低设备自重，减少自身功耗。轴的直线度允差要求见表3。

表3 搅拌轴的直线度允差 mm/m

3.4 桨叶转速

搅拌桨叶转速是搅拌器设计的关键参数之一。转速过低，无法达到搅拌的目的；转速过高，将造成过度搅拌，物料可能会被剪切碎化导致浆体特性改变，同时也属于设计浪费[12]。因此，从保持浆体物料特性和节能的角度，在达到搅拌目的的前提下，设计应尽可能地降低搅拌转速，一般在5～20r/min范围内。由于不同煤种的碎化特性不同，可以在不同转速条件下测试该煤浆粒度的变化情况，以合理确定转速。

3.5 挡板

搅拌器以一定转速旋转，使煤浆产生涡流。但如果煤浆始终以不变的涡流速度运动，粗颗粒受重力作用将沉降很快，细颗粒将沉降很慢，造成粗细分离，从而影响罐内上下煤浆粒度级配，所以必须在储罐中增加挡板，将切向流转换为径向流和轴向流，增加湍流和对流循环强度，保证煤浆搅拌效果。

对于转速、叶轮形式都不变的搅拌器来说，功率会随着挡板系数的增大而增加；但是，当挡板系数达到一定数值时，功率基本保持恒定，不再增大。此时的挡板系数称为全挡板条件，即搅拌功率达到饱和[13]。

全挡板条件应符合式(1)：

式中，nd为挡板数量；bd为挡板宽度，m；D为储罐内径，m；0.35为全挡板系数。

一般认为，当取4块挡板，其宽度W=(1/10～1/12)D时，即可接近全挡板条件。

3.6 其他辅助设施的设计

3.6.1 限位环

由于搅拌轴采取刚性轴设计，因此在储浆罐底部无需底轴承。但设置限位环能够在某些不正常工况下出现设备运行不稳定时对搅拌轴底部起到一定的保护作用。例如，出现煤浆浓度过高导致负荷超出设计值或发生停电事故后重启时，搅拌轴和桨叶因过载可能会发生剧烈偏摆，限位环对轴的底部可以起到限制偏摆的作用。

3.6.2 进料管和出料管角度的设置

进料管和出料管尽可能设置在180°对置位置，该方式可以使进料到出料的时间最长，对物料进行了充分混合之后进入下一环节。由于物料在挡板后方(顺着搅拌旋转的方向)容易形成涡流，难以形成与挡板前方同样的上升流，对物料的混合不利，因此要求出料管设置在挡板前方。进料管和出料管角度的设置要求如图3所示。

图3 进料管和出料管角度的设置要求

3.6.3 罐底部死角处理措施

罐底部死角主要存在于两处，一处位于罐底部四周的角落，另一处位于罐底部中心，即搅拌桨叶的正下方。罐底部四周的死角在搅拌器正常运行一段时间后会维持在一定的范围内，基本不影响设备运行和储浆系统的安全。正下方的死角会影响底部限位环和搅拌轴之间的间隙，因此在底层桨叶下方增加小型轴向桨翼，该桨翼还有利于低液位时桨叶运行的稳定。

4 实验室模拟试验

选定搅拌器的基本结构型式之后，如何确定具体的各项技术参数是设计成功与否的关键。目前虽然针对各类搅拌器的设计计算公式繁多，但主要是针对某些特定物料的中小型搅拌器，也有采取专业计算软件进行模拟计算后确定[3.14]。对于大型管输煤浆搅拌器来说，简单地按照现有公式计算或其他矿浆的工程经验推算各项技术参数显然是不妥的，设计系数的选取不当容易导致最终的设备参数偏差非常大。因此，进行模拟实验的目的是通过改变搅拌器各项参数条件，得出最优化的合理方案，为设计提供最直接的指导依据。

4.1 实验装置

图4 搅拌实验装置系统组成

4.2 实验内容及方法

每组叶片的实验内容和方法相同。

1)悬浮效果测试。通过透明有机玻璃搅拌槽观察搅拌过程中物料的悬浮效果。

2)上下浓度测试。在搅拌槽不同高度位置设置上下取样口，取样测试浓度差是否满足工艺要求。

3)碎化试验。测试在不同转速下经过一段时间搅拌后煤浆中煤颗粒粒径变细的情况。

4)停机再重启试验。考虑到实际生产中可能发生停电或设备本身故障，需要满足设备停机一定时间后能够顺利重启[15]。重启试验按照停机8h、16h、24h、48h、72h间隔依次进行。重启试验过程中视重启过程的难易程度进行变频调速。

5)实际功耗测试。在不同转速下，通过扭矩传感器测试设备运行的实际扭矩计算实际功耗。再通过功率准数公式(式2)，计算电机功率。

式中，NP为功率准数；P为搅拌功率，W；ρ为浆体密度，kg/m3；N为搅拌桨叶转速，r/s；d为搅拌桨叶直径，m。

5 工程应用

采用上述大型管输煤浆搅拌器的选择方法和设计思路，成功地在陕西神木—渭南输煤管道工程(规模：运量10.00Mt/a、运距约730km)应用。该工程包括1条主干管道和2条分支管道，相应设蒲城、渭南、华县3个管道终端场站，各场站分别设计15座、3座、2座容积均为10000m3的大型管输煤浆储浆罐，并在每座储浆罐配置1台大型机械式搅拌器用于搅拌作业，储浆罐直径24m、高度24m，罐底部为平底，内壁设四块挡板。搅拌器采用中心顶入式安装，推进式桨叶，搅拌轴和桨叶均为空心结构，设有上下两层桨叶，每层各四片，底部安装小型轴向桨翼，桨叶转速为15r/min，电机额定功率355kW，额定电流43.4A。这是目前国内第一台管输煤浆搅拌器，也是最大的矿浆搅拌器。

在调试过程中，先按淹没上下两层桨叶由低到高液位依次带水运行4h，确认设备整体运行正常后，再进行带浆料满负荷运行72h。满负荷运行过程中，实测电流为34～42A，平均值38A；减速器定子温度65～87℃，平均值76℃；减速器驱动端振幅1.2～1.8mm/s。各项指标均在设计允许值范围内，整体运行平稳，证明该设备各项性能良好。

6 结 语

陕西神木—渭南输煤管道工程拉开了我国管道输煤技术应用的序幕，将来随着管道输煤技术的发展和推广，搅拌器将需要适应更多不同技术工况。本文设计的管输煤浆搅拌器为配套10.00Mt/a规模管道输送工程关键设备，为今后各类大型煤浆搅拌器的设计开发提供了详细的结构选择、可操作的模拟实验等方法。设备运行可靠性、物料适应性、单位物料能耗值、搅拌效果等将是今后储浆罐搅拌器研究和设计的重点方向。