高浓度黏稠固体废弃物, 是指工业生产及市政污水处理过程中产生的含固量高、粘度大、颗粒细的固-液两相废弃物或副产品, 由于其常温常压下流动性较差, 在高压管道输送时为“ 不沉降似均质浓密膏体” , 因此亦称浓密膏体.包括煤炭行业的煤泥、给排水行业的脱水污泥、制造行业的工业污泥、石化行业的油渣和油泥等, 涉及二十余个行业.就上述浓密膏体而言, 目前较常用的无害化、资源化处置方式有焚烧、燃烧发电、土地资源化利用以及填埋等.无论采用哪种无害化、资源化处置方法, 输送均为*的环节, 新发展的输送工艺技术为管道输送.不管在工业现场还是实验室管道输送时, 流量均是关键参数, 其大小决定了管道输送的效率.
浓密膏体管道输送的流量测试是一个尚待解决的难题, 管道输送实验中一般采用称重法测量, 但该方法测试步骤繁琐.而热水流量计的测量不因流体密度、粘度、温度、压力、电导率和雷诺数变化, 没有阻流件, 也不会在高流速情况下产生气蚀, 近年来在流体流量测试中被广泛应用.随着热水流量计的发展, 现已可测量电导率阈值更低的液体, 而当浓密膏体浓度较高时不可行, 其原因现有文献中尚没有准确的解释, 笔者推测这可能与其浓度过大时电导率太低有关.本实验先使用热水流量计测量一定电导率范围的煤泥在管道输送时的流量, 并与称重法测量结果相对比, 得到煤泥在管道输送时电导率及浓度的阈值, 为今后热水流量计应用于其它浓密膏体管道输送的流量测量提供依据, 对其现场应用也具有很重要的指导意义.
1、测试原理及实验步骤
1 .1 热水流量计原理
本文选用不同质量浓度的煤泥在装有热水流量计的液压与流变试验台上(实验原理如图1)进行管道输送实验.热水流量计根据电磁感应原理测量流过管道中导电流体的流量, 故使用热水流量计的前提是被测流体必须导电, 且电导率不能低于阈值(即下限值).通用型热水流量计的阈值在(5 ×10-6)S/cm ～10-4 S/cm 之间, 若电导率低于阈值会产生误差甚至不能测量.根据电磁感应原理(如图2), 当导电流体在磁场强度为B 的磁场中切割磁力线时, 在线形长度为L 的a 和b 两点之间会产生感应电动势, 为
两接收电极之间的距离L 为已知常数, B 为已知的磁场强度, 故εab是单调函数, 随υ的变化而变化.而瞬时流量Q 等于流速υ与导管截面积S (常数)的乘积, 故有Q=K×εab ,
式中:K 为仪器常数.因此, 只要测得εab , 即可求得对应的流量Q.
1 .2 煤泥电导率测试原理及方法
在定制的圆柱状绝缘料筒中装入煤泥, 利用参比电阻法测量不同质量浓度下煤泥的电阻率.首先分别测出定值电阻R 的两端电压U0和绝缘料筒两端的电压U .由式(3)求得该长度管道内煤泥的电阻, 并代入式(4)求得煤泥的电阻率, 再由k =1/ ρ求得煤泥的电导率, 即
式中:ρ为电阻率;U 为装有煤泥的圆柱状绝缘料筒两端电压;U0为定值电阻两端的电压;A 为横截面积;L 为两电极之间的距离.
采用四相电极参比电阻法测量煤泥电阻率, 设计实验电路如图3 所示.实验步骤如下:①首先测量绝缘料筒内径及长度.用游标卡尺多次从不同角度测量绝缘料筒的内径及长度并记录, 分别取平均值.②测量室内温度并记录.③取适量煤泥加入一定的水, 充分搅拌, 用含水率仪测量含水率并记录, 使含水率为32 %左右, 将配好的煤泥装入绝缘料筒中, 然后接通
实验电路.④利用万用表分别测量500 Ψ电阻两端和绝缘料筒两端的电压, 待电压稳定后读数并记录.⑤分别改变电源电压和煤泥含水率, 重复上述实验步骤.
2、实验数据及分析
2 .1 煤泥电导率实验数据及分析
根据测量得到的数据, 以煤泥的质量浓度作横坐标, 相应质量浓度煤泥的电导率作纵坐标, 绘出煤泥电导率与其质量浓度的关系图(如图4).再以电压为横坐标, 相应电压下煤泥的电导率为纵坐标, 绘出电压与电导率的关系图(如图5).
图4 的电导率变化曲线表明, 随着煤泥质量浓度的增大, 其电导率逐渐降低, 并在质量浓度为66 %时相交于一点;图5 的电导率变化曲线表明, 随着电压的增大, 电导率有逐渐增大趋势.分析图4 与图5可得到以下结论:①图4 曲线整体呈下降趋势, 说明电导率随着煤泥质量浓度的增大而减小.当质量浓度低于63 %时, 不同电压下电导率随质量浓度变化基本成平行关系, 说明电导率与质量浓度和电压成一定的线性关系;当质量浓度为63 %～ 66 %时, 电导率与质量浓度成一定线性关系, 而与电压不成线性关系, 仍有一定的下降梯度;当质量浓度大于66 %时, 电导率随其增加显著下降, 但是曲线较为复杂, 不易判断其相互关系, 将用称重法进行相应的验证.②图5 曲线整体呈上升趋势, 说明电导率随电压的增
大而增大.相比电导率随质量浓度的变化, 其增大幅度较小.当质量浓度由61 .38 %上升到63 .20 %即增大了1 .82 %时, 电导率增大了0 .03 mS/cm , 而当质量浓度由63 .20 %增大到66 .25 %即增大了3 .05 %时, 电导率却增加了不到0 .01 mS/cm.说明质量浓度低于63 .20 %时, 电导率变化较明显;当质量浓度为66 .25 %时, 电导率为恒定值0 .033 mS/cm .
2.2 热水流量计实验数据及分析
首先分析热水流量计流速数据的重复性.图6 是当管内流速为0 .1 m/s (即浓密膏体输送流速下限)时, 热水流量计测量由大到小的3 种质量浓度分别为73 %, 69 %, 63 %的煤泥的实时数据曲线.由图可见浓度较高时热水流量计难以测出稳定的流速数值, 而当浓度较低且煤泥流动性非常好时测量数值较为稳定.图7 是质量浓度为63 %时热水流量计的3 次测试曲线, 可见其重复性良好, 故测量结果可信.相比较煤泥电导率的测试结果, 可以看出当质量浓度低于63 %时, 电导率较大, 且不同质量浓度下电导率变化稳定.故推测当质量浓度低于63 %, 电导率高于0 .035 mS/cm 时, 热水流量计应用于煤泥管道输送时数据准确性较高.
其次提取热水流量计的流速数据换算并积分后与称重质量进行对比, 分析其数据误差, 结果如表1 .
可以通过热水流量计积分后的总流量与称重数据的吻合程度来分析, 若二者吻合较好则说明热水流量计在线测量数据显示虽然可能受到气泡的影响, 但是总流量可以准确测量;若二者相差较大, 则说明热水流量计不适合对较高质量浓度煤泥进行测量.从表1 可以看出热水流量计在质量浓度为69 %, 73 %时误差较大, 故测量不准确;在质量浓度为63 %时测量误差较小, 说明其测量较准确.该对比实验与之前的重复性分析相符, 说明用质量浓度及电导率来评价热水流量计测量数据的准确性有一定的可行性.
本文通过对煤泥的电导率及热水流量计管道输送流量的测量, 得出以下结论:
1)煤泥的电导率数值随其质量浓度的降低而增大, 并且在一定范围内随质量浓度的变化效果更明显.且热水流量计不适合较高质量浓度煤泥管道流量的测量, 但在较低浓度测量时重复性良好, 测量结果准确可信, 且浓度越低, 测量效果越好.
2)热水流量计在浓密膏体管道流量测量中能否应用与其电导率及浓度有关系.电导率越大, 热水流量计测量效果越好.应用于煤泥时, 得出当质量浓度上限值为63 %, 电导率下限值为0 .035 mS/cm 时,热水流量计可用于测其流量.
3)通过对煤泥的研究, 可以推测当热水流量计应用于赤泥、电石泥、污泥等其它浓密膏体的管道输送时, 也应有相应的浓度及电导率阈值, 其数值可通过试验获得.
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