作業工況及噴射方式對氣舉輸出的影響①

唐川林， 庹 磊， 王霞光， 胡 東， 王 舒， 夏美麗

（湖南人文科技學院，湖南 婁底 417000）

氣舉具有結構簡單、安全可靠、成本低、不受水深限制、易于控制和操作等顯著優勢［1］，在海洋采礦、江河采砂、湖泊清淤等方面得到了廣泛應用。 已有的研究主要針對氣舉自身結構參數、不同介質和管內流態等進行［2－12］，但針對氣舉噴射方式及作業工藝方面的研究較少。 本文結合氣舉在江河采砂、濱海采礦等領域的實際工程應用，研究作業工藝及噴射方式對氣舉輸出的影響，探索降低氣力提升管內固體顆粒的空隙率的途徑。

1 氣舉提升系統壓力分析

在氣舉提升礦石的過程中，影響提升的因素很多，如礦物中固體顆粒粒徑、質量流量、密度以及氣舉管道結構形式、管壁粗糙度、直徑等。 這些因素主要影響管內壓降。 氣舉壓力分布如圖1 所示。

圖1 氣舉壓力分布圖

參考Naeije 和Vachiery［13］結論，以進氣孔為截面進行壓強分析，可得：

式中ρl為水密度，kg/m3；ρsg為氣固混合物密度，kg/m3；ρsgl為氣液固混合物密度，kg/m3。

由空隙率定義可知：

式（1）中水-沙兩相以及水-沙-氣三相的混合密度為：

將式（4）～（5）代入式（1），可得：

式中Qs為抽沙流量，kg/s；Qg為氣體流量，kg/s；Ql為抽水流量，kg/s；H1為進氣口到水面的距離，mm；H2為進氣口到提升管出口的距離，mm；αs、αl、αg分別為固體顆粒、液體和氣體空隙率。

由浸沒率的定義可知：

將式（7）代入式（6），可得：

將式（8）簡化后可得：

由式（2）～（5）綜合可知：

將式（10）代入式（9），可得：

由式（11）可知，氣舉提升過程中空隙率的大小與氣液固三相各自的密度密切相關，氣力提升過程中各相密度為制約固體空隙率的主要因素，因此實際工況下不同礦物顆粒密度下提升效率必然不同，為保證特定礦物顆粒的提升，需選擇與之匹配的作業工況點。

2 實驗研究

2.1 實驗裝置

為預測濱海采礦作業工藝及噴射方式對固體顆粒空隙率的影響情況，搭建了大型氣舉提升實驗平臺，實驗系統如圖2 所示。 該平臺可使提升管沿X，Y，Z軸3個方向三維移動，其中空壓系統由2臺螺桿壓縮機組成，額定排氣壓力1.3 MPa，容積流量4.0 m3/min，氣體流量計流量范圍0～600 m2/h，工作壓力1.6 MPa，精度1.5%，儲氣罐耐壓試驗壓力1.79 MPa，工作壓力1.3 MPa，儲水池長4 m、寬2.5 m、深3.5 m。

圖2 實驗系統裝置圖

2.2 實驗方案

設計了3 套不同噴射方式的噴嘴，如圖3 所示，方案（a）為120°對稱分布，方案（b）和（c）是在方案（a）基礎上，將其中2個噴嘴夾角分別調整為60°和90°。圖中數字為噴嘴編號。 由于方案（b）（c）同屬于非均勻噴射方式，為避免重復實驗，選取方案（b）進行實驗研究。

圖3 不同噴射方式示意圖

實驗前，由氣力提升實驗平臺控制氣舉底部遠離沙面，以防止氣舉提升系統達到穩態前損壞固體顆粒層；實驗中，先打開空壓系統，將儲氣罐內壓縮空氣存滿直至壓力恒為0.65 MPa，然后開啟供氣閥直至系統穩定，氣流量260 m3/h，并調節蓄水實驗池內恒壓注水系統使淹沒率保持在0.8（液面到進氣口的距離與提升管出口端到進氣口距離之比）進行實驗；最后下降平臺高度，將氣舉提升出的沙水混合物引入取樣池沉淀后水沙分離，借助水流量測試儀、電子稱重平臺等組成的測試系統獲取實驗數據。 為減小實驗操作誤差，每次實驗取兩組，每組實驗取樣時間25 s。

選用5個不同深度抽吸范圍如圖4 所示，其深度h對應的采樣范圍如表1 所示。

圖4 沙層抽吸范圍示意圖

表1 取樣深度分類

3 實驗結果及分析

3.1 不同噴射方式下抽水流量隨作業工況變化規律

圖5 為不同噴射方式下抽水流量隨取樣范圍變化曲線。 由圖5可知，浸沒比一定時，氣舉處于穩定工作狀態時，隨氣舉取樣深度增大，抽水流量均呈變小趨勢。 由氣力提升機理可知，氣舉吸口不斷下降的過程中，因水供應量受沙層影響不斷變小，氣舉抽吸速度大于吸口附近水供應量，抽水流量下降。

圖5 抽水流量隨取樣深度范圍的變化

方案（a）抽水流量在h4范圍內某高度開始回升，方案（b）抽水流量在h4位置時下降變緩，說明到達h4范圍內某位置時，水供應量開始增大，即h4范圍某位置時深坑直徑開始增大，抽吸速度大于吸口下降速度。由此表明抽水流量的大小與吸口所處深度位置密切相關，深度下降，使得流向吸口附近水量變小，抽水流量變小。

3.2 不同噴射方式下抽沙流量隨作業工況變化規律

圖6 為不同噴射方式下抽沙流量隨取樣范圍變化曲線圖。 由圖6可知，抽沙流量大體呈先上升后變緩趨勢。 結合圖5分析，隨氣舉吸口下降，吸口底部旋動明顯，且擾動波及沙層面積變大，旋動造成附近沙層疏松，更多沙粒卷入提升管內，而且進氣口部分積壓使得三相流部分壓降增大，使得抽沙流量提升，抽沙流量增大。

圖6 抽沙流量隨取樣深度范圍的變化

方案（a）抽沙流量在h5范圍內某深度時出現下降，而方案（b）在此范圍內依然上升。 結合實驗池內取樣后的深坑痕跡分析可知，方案（a）在h5范圍內取樣后留下了深坑，深坑內壁完整且呈漏斗狀，側面無垮塌現象，表明隨氣舉下降，氣力提升系統先連續呈漏斗狀向下層吸起沙水混合物，此時吸口影響范圍內的沙粒都已通過提升系統提升，水的持續供應使得系統內抽沙能力轉換為抽水能力。 方案（a）在h5范圍內所處位置（如圖7 所示）時，受到旋流影響，深坑內部垮塌，導致深坑內游離沙粒數增多，抽沙流量上升，提升水下降。 由此表明，方案（b）在氣舉吸口埋入深度達到一定值時，深坑內負壓更大。

圖7 氣舉提升示意圖

可見，隨氣舉泵吸口取樣深度范圍變化，抽沙流量與抽水流量升降趨勢完全相反。 結合氣力提升機理，氣舉通過液體產生的紊動，加速吸口底部深坑中旋渦的形成，造成液體局部速度增加，帶動沙粒提升，故提升沙增多，水反之減少。

3.3 不同噴射方式下混合流體空隙率隨作業工況變化規律

圖8 為不同噴射方式下混合流體中沙空隙率隨取樣深度變化圖。 隨氣力取樣深度加大，空隙率均呈上升趨勢。 這是由于隨氣力泵吸口下降，吸口附近沙粒量增多，吸口底部擾動加速沙粒躍起，遇到向上的運動旋渦，固相密度增大，沙粒空隙率變大。 由圖8可知，方案（a）空隙率明顯高于方案（b），這是由于對稱噴射方式加速了液-固兩相在管內的混合，使得氣舉提升更多的固體顆粒。

圖8 空隙率隨取樣深度范圍的變化

3.4 不同噴射方式實驗數據誤差

2種噴射方式下的實驗數據誤差見表2。 由表2可知，2種噴射方式的抽水流量、抽沙流量、空隙率相對誤差值均在15%以內，表明吸口在不同深度位置時，氣舉依然可運行平穩無異常，充分展現氣舉在海洋采礦領域的可靠優越性。

表2 實驗數據誤差表

4 結 論

1） 氣舉垂直作業，固相與液相含量短時間內呈現相反趨勢，而下降作業不僅使漏斗狀坑徑變大，更加快坑內流體局部運動，紊流增多，有利于提升。

2） 對比不同噴射方式，對稱噴射方式加速了氣-液-固三相在提升管內混合，造成固體空隙率升高，有利于固體提升；而非對稱噴射方式增強了氣力泵吸口附近的流體擾動，有利于液體提升。