聚氧化乙烯减阻效果影响研究

戴若丁，于开波，李宏，崔健，王峥，胡健，郭客

聚氧化乙烯减阻效果影响研究

戴若丁，于开波，李宏，崔健，王峥，胡健，郭客

（鞍钢集团矿业设计研究院有限公司，辽宁 鞍山 114000）

流体阻力的存在制约了矿浆长距离的高效输送。研究了聚氧化乙烯（PEO）稀溶液对清水及铁矿矿浆输送的减阻特性，自制环管实验装置，考察了PEO浓度对减阻的影响，并考察了PEO对不同输送介质的减阻效果。

阻力；PEO；浓度；减阻

1 前言

矿山的选矿系统中，管道输送系统是主要环节之一。其中的输送阻力损失是重要的管道输送工艺参数，它直接影响到管道输送系统的运行效率与成本。如何减少管道输送阻力，降低输送过程中的能量损耗，提高输送安全性及经济效益，对矿山公司精矿及尾矿输送系统具有重要意义[1-4]。

聚氧化乙烯（PEO）又称聚环氧乙烷，相对分子质量为几十万到几百万不等，具有线性规则的螺旋结构，水溶性好，其溶液在低浓度下有很高的黏性。相对分子质量达到百万的PEO其质量浓度为2%时成为非胶粘的弹性胶体，高于该浓度时溶液成为坚韧的水塑炼聚合物。

PEO是目前公认的具有良好减阻效果的减阻剂，可有效降低浆体输送过程中的摩阻损失，增长输送距离，提高流体射程[5]。目前已广泛用于消防和市政中。PEO作为减阻剂使用主要有以下几种方式。第一种是将PEO溶解，配制成一定浓度的水溶液，再按比例加到流体中。第二种是将PEO制作成减阻涂层，将其涂覆在与水相流体相接触的物体表面[6]。

2 铁精矿尾矿物料特性

2.1 矿物化学成分分析

本文以鞍山某选厂铁精矿、铁尾矿为研究对象，首先分析其化学成分、粒度等物料特性。

为了明确铁精矿、尾矿的化学组成，对鞍山某选厂铁精矿、尾矿做了物相和多元素分析，结果见表1、表2。

表1 某选厂精矿尾矿物相分析结果

表2 某选厂尾矿精矿多元素分析结果

通过物相和全分析可知，铁尾矿中SiO2含量最多，除此之外含有的CaO，MgO，Al2O3质量分数总计超过4.5%。铁精矿中CaO，MgO，Al2O3含量较少，Fe2O3含量较高。Myska J iri等[7]通过研究水溶液中金属离子对减阻剂减阻效果的影响发现:在减阻剂溶液中，分别加入Ca2+，Mg2+，Cu2+，Zn2+，Fe2+等金属离子后，系统有效减阻雷诺系数范围缩小，减阻率降低。

2.2 矿物粒度及运动形态划分

表3 某选厂精矿尾矿激光粒度分析结果

齐一选尾矿和齐二选尾矿的D10分别为1.68、4.21和3.90 μm；D50分别为13、40和38.5 μm；D90分别为70.5、130和123 μm；+50 μm体积分数分别为13%，37%，36%，+200 μm体积分数分别为0%，2%，0.8%。齐一选精矿和齐二选精矿的D10分别为8.41和14.5 μm；D50分别为32.6和52.3 μm；D90分别为101和194 μm。+50 μm体积分数分别为26.5%和47%，+200 μm体积分数分别为2%和8%，根据Durand 浆体流动状态分类表，见表4。50 μm以下颗粒可以与水看作均质流非沉降浆体，而50 μm以上颗粒与水形成的浆体则为非均质流沉降浆体，其颗粒为悬移运动状态；200 μm以上颗粒与水形成的浆体为非均质流沉降浆体，其颗粒为悬移、滑动运动状态。因而，可以认为尾矿矿浆和精矿矿浆为非均质部分沉降性浆体[8-10]。

表4 Durand 浆体流动状态分类表

3 PEO水溶液减阻实验

3.1 试验方法

采用自制环管实验装置测定PEO（相对分子质量为300 W）的在流动浆体中的减阻效果，测试原理如下：在流体中加入PEO后能使流体摩阻力减小，具体表现为压差的减少以及流量的增加，可以使用减阻率来评价减阻效果的好坏。

式中：DR —减阻率，%

0—减阻剂加入前流体在管内流动摩阻系数；

DR—减阻剂加入后流体在管内流动摩阻系数。

式中：—管径，m；

△P—直管阻力引起的压强降，Pa；

—管长，m；

—流速，m·s-1；

—流体的密度，kg·m-3；

μ—流体的黏度，N·s ·m-2。

环管实验装置如图1所示，实验用到的仪器设备如表5所示。

图1 环管装置示意图

3.2 PEO水溶液减阻效果实验

首先通过环管装置，测定既定电机频率下的清水流量和压差。清水在环管中的流量为2.9 m3·h-1，差压为30.20 kPa。将PEO按照100×10-6，150×10-6，200×10-6，250×10-6，300×10-6的质量浓度加到50 kg水中，搅拌均匀，进行环管实验。实验记录数据如表6。

表5 主要仪器设备

表6 环管测试数据

图2 减阻率与浓度关系

从表6可以看出，相比清水，PEO的加入能够有效降低管道中的摩擦阻力，具体表现为流量的增加以及差压的降低。从图2可以看出，PEO的减阻率随着浓度的增加而增加，当其在水中的质量浓度达到250×10-6时，减阻率可以达到34.4%。

3.3 PEO矿浆减阻效果实验

矿浆减阻实验方法和清水减阻实验方法相同，都是通过环管实验装置来测定压差和流量的变化。首先测定浓度为45%的铁精矿浆在环管装置中的流量和差压，流量为2.88 m3·h-1，差压为30.20 kPa。在铁精矿浆中加入质量浓度为100×10-6，150×10-6，200×10-6，250×10-6的PEO，经自制搅拌器搅拌均匀后，泵送至环管实验装置，记录数据。计算摩阻系数和减阻率。

图3 减阻率与浓度关系

从表7可以看出，当有减阻剂加入后，矿浆阻力系数有较明显的减小，流量有明显的提升。图3表明随着浓度的增加，减阻率的变化趋势为先增大后减小。当PEO质量浓度为150×10-6时，减阻效果最好。当PEO浓度继续增加时，减阻率随着浓度的增加而降低。这是因为随着药剂浓度增加，剪切黏度加大，加上矿浆自身的黏度，在一定程度上削弱了减阻效果，导致摩阻系数下降趋势减弱，减阻率降低。

对于铁尾矿浆，采用和精矿浆相同的方法，首先测定浓度为25%的铁尾矿浆在环管装置中的流量和差压，流量为3.24 m3·h-1，差压为33.08 kPa。在铁尾矿浆中加入质量浓度为50×10-6，100×10-6，150×10-6，200×10-6，250×10-6的PEO，经自制搅拌器搅拌均匀后，泵送至环管实验装置，记录数据。计算摩阻系数和减阻率。

表8 环管测试数据

图4 减阻率与浓度关系

从表8可以看出，当有减阻剂加入后，矿浆阻力系数有较明显的减小，流量有明显的提升。图4表明随着浓度的增加，减阻率的变化趋势为先增大后减小，当PEO质量浓度为100×10-6时，减阻效果最好。当PEO浓度继续增加时，减阻率随着浓度的增加而降低。这是因为一方面，减阻剂用量达到一定量时，在一定管道流动压力情况下，流体的黏度会随之加大，加上矿浆自身的黏度，从而增加了系统的阻力，导致减阻效果变差。另一方面，尾矿中含有较多的钙镁离子，当减阻剂浓度达到一定时，PEO分子开始聚集成胶束，金属离子的存在使得胶束表面电荷分布发生变化，削弱了减阻剂的减阻性能。

4 结 论

通过自主设计的环管实验装置，测试了PEO(相对分子质量300 W)在清水中以及铁精矿、尾矿浆体中的减阻效果。实验发现PEO的加入可以有效减低流体的摩擦阻力，提升流量，降低压力。在清水中，减阻率随着PEO浓度的增加而增加。在铁精矿、尾矿中，由于矿浆自身黏度及金属离子的影响，减阻率随着PEO浓度的增加先增加后减小。

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Study on Drag Reduction Effect of Polyethylene Oxide

,,,,

（Ansteel Group Mining Design and Research Institute, Anshan Liaoning 114000, China）

Fluid resistance restricts the high efficiency of long distance transportation of slurry. In this paper, the drag reduction characteristics of polyethylene oxide (PEO) dilute solution on the transport of clear water and iron ore slurry was studied. The effect of PEO concentration on drag reduction was investigated by self-made ring tube experiment device. The drag reduction effect of PEO on different conveying media was also investigated.

Resistance; PEO; Concentration; Drag reduction

2020-11

戴若丁（1963-），男，高级工程师，研究方向：矿山固废资源综合利用。

TQ021

A

1004-0935（2021）03-0313-04