柱状型煤管道水力输送技术研究进展

束德方，孙西欢，李永业，许 飞，张乐元

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

管道水力输送是以压力水流作为载体，通过封闭管道来输送物料的一种输送方式。相对于铁路、水路、航空、公路等运输方式，具有运行成本低、效率高、占地少、管道布置易于适应地形变化、不受气候影响、无污染和安全可靠等优点，在国民经济各领域得到了广泛应用。柱状型煤管道水力输送作为一种新型的管道水力输送技术，代表了管道水力输送技术的最新理论与科研成果。下文简述了该种新型运输方式在技术、理论等方面的研究现状。

1 概念的提出

柱状型煤管道水力输送是实现管道水力输煤的新技术，其基本思想是将散体煤颗粒压制成刚性圆柱状密实体——煤柱，然后注入有压输送管道，以具有一定浓度的煤浆作为动力载流体进行远距离输送。

管道输送技术大致经历了三个发展阶段：流体管道输送、浆体管道输送和水力密封容器管道输送。柱状型煤管道水力输送正是在水力密封容器管道输送的基础上发展起来的。在结构上，它类似于密封容器管道，但因无需装载散体的密封容器，也不必另建返送空密封容器管道，故比通常概念的密封容器管道更经济、更易操作处理。此外，柱状型煤水力输送方式比煤浆管道具有煤输送量大、水需求量少、能耗小、末端脱水简单等优点，因而更经济、更具市场竞争力[1]。

水力密封容器管道输送首先由加拿大研究人员在20世纪60年代提出，之后日本、南非、荷兰、澳大利亚、美国等国家都对其进行了研究。在此基础上，美国密苏里大学哥伦比亚校区密封容器管道研究中心在20世纪90年代提出了柱状型煤管道输送的概念，Henry Liu等人在水力特性及经济可行性等方面对其进行了研究[2]。

2 理论研究

国外的Henry Liu于1982年在量纲分析的基础上，分析试验数据得到了平直管段的起浮速度；在1992年，提出了囊体（可理解为柱状型煤）运动的四个典型区域[3]；1992—1994年，又结合引入的一些特定系数，运用能量、动量连续性方程，在量纲分析的基础上得到了囊体的起动速度[4-5]。

国内的林愉、阎庆绂、李元宗等人也对其运动特征、悬浮机理及能耗进行了研究，并取得了一定的进展。文献[6]介绍了以煤浆为载流体在管道中输送煤柱的实验研究，包括煤柱的起动、悬浮、运动速度及煤浆浓度和煤柱形状比对管道流的影响，揭示出煤柱在煤浆管道内的运动特征及进一步研究开发的意义。文献[7]就这种管道输煤技术的水力学原理，即压制成圆柱形的煤柱在管道中的流动性状进行了分析讨论。文献[8]在假设条件下，参照管道水力学理论，分别引入运动型料表面和静止管道壁面的摩阻系数，建立了水平同心型料管道流的简易数学模型。文献[9]在动量定理和能量定理的基础上，建立了静止圆柱状型料在浆体管道内起动的动量方程和能量方程，并由此导出静止型料在浆体管道内的起动速度计算公式。文献[10]通过对煤柱在煤浆管道中的输送机理进行研究，建立了煤浆管道输送煤柱的水力学方程和参数计算公式，通过实验，探讨了参数间的关系，并对理论方程和计算公式进行了验证。文献[11]在煤锭水力输送实践装置上，对相对密度为1.3×103kg/m3、长度和直径比为135/85的柱形煤锭，在不同工况下的平均能耗、冲击能耗和煤锭的运动速度等进行了测试研究，分析了影响能耗的因素，并指出平均能耗有一个合理范围，应在满足输煤量要求的前提下通过优化组合来得到。文献[12]和[13]分析了煤柱管道输送中煤柱在不同运动状态下的受力情况，通过大量试验测出了静止于管中的煤柱表面的压强分布，绘制出了反映煤柱表面压强分布规律的压强系数曲线，为研究煤柱管道输送的力学机理提供了必要的试验依据。

3 技术研究

3.1 煤柱成型

长距离的水力管道输送对煤柱的强度性能提出了较高要求：一是耐磨；二是防水性能好，即煤柱经过长距离输送不被磨损破碎、不吸水膨胀。因此，研究煤柱压力成型的机理、设计煤柱成型的工艺、探讨影响煤柱强度的因素、制备防水耐磨的煤柱对柱状型煤管道输送技术至关重要。此外，为了实现煤柱的洁净燃烧，在模压成型过程中，还需考虑如何选用粘结剂、固硫剂等问题。

文献 [14]从散体煤颗粒模压成型的机理研究出发，阐述了煤柱模压成型的制备工艺环节，分析了煤柱在模压过程中的压强分布以及模压力和压头位移间的关系，建立了煤柱强度和密度的理论表达式，通过实验探讨了模压力、添加材料和成型坯料含水量对煤柱抗压强度的影响。文献[15]针对管道输送性和燃烧固硫高度匹配的洁净煤柱的制备，研究煤柱成型方法和固硫机理，分析比较多种粘结剂和固硫剂，设计出了合理的洁净煤柱制备工艺，配制出了兼具粘结和固硫作用的复合固硫粘结剂。

3.2 试验系统设计

美国密苏里大学密封容器管道研究中心为开展柱状型煤管道输送技术研究，建成的测试管线系统值得借鉴。在国内，南方冶金学院（今江西理工大学）林愉等人自20世纪90年代起，设计建立了型料管道输送试验系统。文献[16]根据煤柱管道水力输送特点，对管道输送系统各个技术环节，如煤柱注入和排出、管道泵动力增压、管线折转和弯转等提出了可行的设计方案和设计参数。文献[17]针对圆柱状型料管道水力输送的特点，提出了实验管道输送系统的设计思路，并就管线布置、动力装置、型料注入和排出机构、测试装置等设计方案进行了研究。文献[18]专门就煤柱输送管道系统中注入装置进行了设计研究。文献[19]专门就型料输送管道动力驱动装置进行了设计研究。文献[20]在对型料砂浆管道输送控制系统进行总体分析的基础上，对试验现场中的测试仪表和执行机构进行了具体选型和设计，并利用模块化设计方法，从硬件和软件两方面分别对控制部分进行了具体的构思和设计。此外，为了将其应用于生产，阎庆绂、李元宗等人在太原理工大学水流试验大厅建立了测试管路总长达46 m的煤锭输送试验管道系统，开展了以应用为目标的试验研究。张晓东等对柱状型煤水力管道输送和现有的煤运输方法进行了比较，对试验研究系统进行了介绍[21]。

3.3 辅助设备

在试验和研究过程中，为提高试验精度和准确性，便于工业应用，一些必要的辅助设备的研发也应运而生。

文献[22]介绍了型煤管道输送系统中用于测量型料（可直接理解为煤柱）与管道底壁之间间隙的一种电感间隙仪的设计思路和工作原理，并对仪器信号的处理和实验参数的标定进行了讨论。文献[23]根据型料砂浆管道的输送特点和超声波传感器的特性，结合型料注入管道的计数及注入速度的要求，设计了一种以超声波传感器检测型料管道注入数和型料运行速度的型料砂浆管道超声波计数器。

4 结语

柱状型煤管道水力输送技术作为一种新型的管道运输方式，从诞生到现在仅有30多年的历史，大量的研究还主要集中在试验研究阶段，虽然在基础研究和技术参数的确定等方面取得了较为长足的进展，但在理论体系、系统数学模型的建立、管道减阻、管道磨损、系统自动控制、流动状态等方面还有待进一步研究和完善，以便为其早日实现工业化奠定理论基础。

［1］全炳欣，李永业.型料管道输送研究概述 [J].山西水利，2007（2）：87-88.

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［3］Liu，H.Hydraulic Behaviors of Coal log flow in PiPe，Preeesdings of 7th lnter.SymPosium on Fright pipeline，1992，Wollongong，Australia，201.

［4］Henry Liu,Thomas R.Marrero.Coal log pipeline technology:an overview[J].Powder Technology 94,1997.

［5］Liu H.Design and operation considerations of hydraulic capsule pipeline.Proceedings 50th International Lecture Course on Multiphase Flow,Japan,1992:26-50.

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［8］林愉，陶燕.水平同心型料管道输送的数学模型[J].化工矿物与加工，2001（10）：17-23.

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［17］林愉，王福吉.型料输送管道实验系统的设计研究[J].流体机械，2000，28（12）：7-9.

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