作业工况及喷射方式对气举输出的影响①

唐川林， 庹 磊， 王霞光， 胡 东， 王 舒， 夏美丽

（湖南人文科技学院，湖南 娄底 417000）

气举具有结构简单、安全可靠、成本低、不受水深限制、易于控制和操作等显著优势［1］，在海洋采矿、江河采砂、湖泊清淤等方面得到了广泛应用。 已有的研究主要针对气举自身结构参数、不同介质和管内流态等进行［2－12］，但针对气举喷射方式及作业工艺方面的研究较少。 本文结合气举在江河采砂、滨海采矿等领域的实际工程应用，研究作业工艺及喷射方式对气举输出的影响，探索降低气力提升管内固体颗粒的空隙率的途径。

1 气举提升系统压力分析

在气举提升矿石的过程中，影响提升的因素很多，如矿物中固体颗粒粒径、质量流量、密度以及气举管道结构形式、管壁粗糙度、直径等。 这些因素主要影响管内压降。 气举压力分布如图1 所示。

图1 气举压力分布图

参考Naeije 和Vachiery［13］结论，以进气孔为截面进行压强分析，可得：

式中ρl为水密度，kg/m3；ρsg为气固混合物密度，kg/m3；ρsgl为气液固混合物密度，kg/m3。

由空隙率定义可知：

式（1）中水-沙两相以及水-沙-气三相的混合密度为：

将式（4）～（5）代入式（1），可得：

式中Qs为抽沙流量，kg/s；Qg为气体流量，kg/s；Ql为抽水流量，kg/s；H1为进气口到水面的距离，mm；H2为进气口到提升管出口的距离，mm；αs、αl、αg分别为固体颗粒、液体和气体空隙率。

由浸没率的定义可知：

将式（7）代入式（6），可得：

将式（8）简化后可得：

由式（2）～（5）综合可知：

将式（10）代入式（9），可得：

由式（11）可知，气举提升过程中空隙率的大小与气液固三相各自的密度密切相关，气力提升过程中各相密度为制约固体空隙率的主要因素，因此实际工况下不同矿物颗粒密度下提升效率必然不同，为保证特定矿物颗粒的提升，需选择与之匹配的作业工况点。

2 实验研究

2.1 实验装置

为预测滨海采矿作业工艺及喷射方式对固体颗粒空隙率的影响情况，搭建了大型气举提升实验平台，实验系统如图2 所示。 该平台可使提升管沿X，Y，Z轴3个方向三维移动，其中空压系统由2台螺杆压缩机组成，额定排气压力1.3 MPa，容积流量4.0 m3/min，气体流量计流量范围0～600 m2/h，工作压力1.6 MPa，精度1.5%，储气罐耐压试验压力1.79 MPa，工作压力1.3 MPa，储水池长4 m、宽2.5 m、深3.5 m。

图2 实验系统装置图

2.2 实验方案

设计了3 套不同喷射方式的喷嘴，如图3 所示，方案（a）为120°对称分布，方案（b）和（c）是在方案（a）基础上，将其中2个喷嘴夹角分别调整为60°和90°。图中数字为喷嘴编号。 由于方案（b）（c）同属于非均匀喷射方式，为避免重复实验，选取方案（b）进行实验研究。

图3 不同喷射方式示意图

实验前，由气力提升实验平台控制气举底部远离沙面，以防止气举提升系统达到稳态前损坏固体颗粒层；实验中，先打开空压系统，将储气罐内压缩空气存满直至压力恒为0.65 MPa，然后开启供气阀直至系统稳定，气流量260 m3/h，并调节蓄水实验池内恒压注水系统使淹没率保持在0.8（液面到进气口的距离与提升管出口端到进气口距离之比）进行实验；最后下降平台高度，将气举提升出的沙水混合物引入取样池沉淀后水沙分离，借助水流量测试仪、电子称重平台等组成的测试系统获取实验数据。 为减小实验操作误差，每次实验取两组，每组实验取样时间25 s。

选用5个不同深度抽吸范围如图4 所示，其深度h对应的采样范围如表1 所示。

图4 沙层抽吸范围示意图

表1 取样深度分类

3 实验结果及分析

3.1 不同喷射方式下抽水流量随作业工况变化规律

图5 为不同喷射方式下抽水流量随取样范围变化曲线。 由图5可知，浸没比一定时，气举处于稳定工作状态时，随气举取样深度增大，抽水流量均呈变小趋势。 由气力提升机理可知，气举吸口不断下降的过程中，因水供应量受沙层影响不断变小，气举抽吸速度大于吸口附近水供应量，抽水流量下降。

图5 抽水流量随取样深度范围的变化

方案（a）抽水流量在h4范围内某高度开始回升，方案（b）抽水流量在h4位置时下降变缓，说明到达h4范围内某位置时，水供应量开始增大，即h4范围某位置时深坑直径开始增大，抽吸速度大于吸口下降速度。由此表明抽水流量的大小与吸口所处深度位置密切相关，深度下降，使得流向吸口附近水量变小，抽水流量变小。

3.2 不同喷射方式下抽沙流量随作业工况变化规律

图6 为不同喷射方式下抽沙流量随取样范围变化曲线图。 由图6可知，抽沙流量大体呈先上升后变缓趋势。 结合图5分析，随气举吸口下降，吸口底部旋动明显，且扰动波及沙层面积变大，旋动造成附近沙层疏松，更多沙粒卷入提升管内，而且进气口部分积压使得三相流部分压降增大，使得抽沙流量提升，抽沙流量增大。

图6 抽沙流量随取样深度范围的变化

方案（a）抽沙流量在h5范围内某深度时出现下降，而方案（b）在此范围内依然上升。 结合实验池内取样后的深坑痕迹分析可知，方案（a）在h5范围内取样后留下了深坑，深坑内壁完整且呈漏斗状，侧面无垮塌现象，表明随气举下降，气力提升系统先连续呈漏斗状向下层吸起沙水混合物，此时吸口影响范围内的沙粒都已通过提升系统提升，水的持续供应使得系统内抽沙能力转换为抽水能力。 方案（a）在h5范围内所处位置（如图7 所示）时，受到旋流影响，深坑内部垮塌，导致深坑内游离沙粒数增多，抽沙流量上升，提升水下降。 由此表明，方案（b）在气举吸口埋入深度达到一定值时，深坑内负压更大。

图7 气举提升示意图

可见，随气举泵吸口取样深度范围变化，抽沙流量与抽水流量升降趋势完全相反。 结合气力提升机理，气举通过液体产生的紊动，加速吸口底部深坑中旋涡的形成，造成液体局部速度增加，带动沙粒提升，故提升沙增多，水反之减少。

3.3 不同喷射方式下混合流体空隙率随作业工况变化规律

图8 为不同喷射方式下混合流体中沙空隙率随取样深度变化图。 随气力取样深度加大，空隙率均呈上升趋势。 这是由于随气力泵吸口下降，吸口附近沙粒量增多，吸口底部扰动加速沙粒跃起，遇到向上的运动旋涡，固相密度增大，沙粒空隙率变大。 由图8可知，方案（a）空隙率明显高于方案（b），这是由于对称喷射方式加速了液-固两相在管内的混合，使得气举提升更多的固体颗粒。

图8 空隙率随取样深度范围的变化

3.4 不同喷射方式实验数据误差

2种喷射方式下的实验数据误差见表2。 由表2可知，2种喷射方式的抽水流量、抽沙流量、空隙率相对误差值均在15%以内，表明吸口在不同深度位置时，气举依然可运行平稳无异常，充分展现气举在海洋采矿领域的可靠优越性。

表2 实验数据误差表

4 结 论

1） 气举垂直作业，固相与液相含量短时间内呈现相反趋势，而下降作业不仅使漏斗状坑径变大，更加快坑内流体局部运动，紊流增多，有利于提升。

2） 对比不同喷射方式，对称喷射方式加速了气-液-固三相在提升管内混合，造成固体空隙率升高，有利于固体提升；而非对称喷射方式增强了气力泵吸口附近的流体扰动，有利于液体提升。