Научно методическое обоснование эрлифтного гидроподъема при освоении месторождений дна морей и океанов

© Н.Г. Малухин, В.П. Дробаденко, А.Л. Вильмис, 2015

УЛК 622.23.05

Н.Г. Малухин, В.П. Дробаденко, А.Л. Вильмис

НАУЧНО МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭРЛИФТНОГО ГИДРОПОДЪЕМА ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ДНА МОРЕЙ И ОКЕАНОВ

Рассмотрены научно-технические вопросы связанные с освоением глубоководных месторождений полезных ископаемых дна Мирового океана с использованием эрлифтного гидроподъема. Приведены основные методические положения для обоснования расчетов технологических параметров эрлифтного подъема минерального сырья с океанического дна. Представлены основные технико-энергетические показатели перемещения гидросмеси оценивающиеся не по расходным параметрам потока на выходе, как обычно принято, а по истинным в проточной части гидродобычного агрегата по всей длине выдачного трубопровода. Показаны расчетные данные для вертикальных систем эрлифтного гидроподъема для глубин 400 м,2000 м,6000 м для железомарганцевых конкреций (ЖМК) со средней плотностью 2200 кг/м3 и глубоководных полиметаллических сульфидов ~2700 кг/м3.

Ключевые слова: эрлифт, глубоководный гидроподъем, пульпа, многофазные потоки, глубоко залегающие донные отложения.

Зрлифтные снаряды широко применяются на шельфо-вых месторождениях для добычи нерудных ископаемых, а также алмазоносных гравийно-галечных пород. В Намибии работают несколько алмазодобывающих судов (драг), переоборудованных на базе военных крейсеров. На одном из них «Баш1ког» совместно с фирмой «Иашко» сотрудниками МГРИ-РГГРУ успешно были проведены морские испытания нового эрлифтного грунтозабора с механо-гидравлическим рыхлением, разработанного на кафедре геотехнологии и комплексного освоения месторождений полезных ископаемых.

С помощью эрлифтов может быть осуществлена также самая глубокая (~ 6000 м) добыча полезных ископаемых гидравлическим способом. В ряде стран в последние десятилетия проводятся исследования и опытно-экспериментальные работы по созданию океанических донных комплексов.

Фирмами «Дипси Венчерс»; «Консорциум ОМИ»; «Седко»; «Шантье де Франс Дюнкерк», а также в СССР (модернизированный вариант фирмы «Раума Репола») были разработаны опытные полупромышленные агрегаты с апробацией их на разных глубинах [1]. Анализ проведенных данных позволил сделать вывод о перспективе использования эрлифтных глубоководных систем гидроподъема в составе океанического добычного комплекса.

Ниже приведены основные методические положения для обоснования эрлифтного подъема минерального сырья с океанического дна.

Известно, что главной особенностью работы эрлифта является начальный этап его работы - критический барбо-тажный режим. Посредством расхода подаваемого воздуха за счет объемного вытеснения происходит подъем транспортируемой жидкой среды до уровня излива: объем воздуха барботирует жидкость подъемного трубопровода эрлифта, но излив гидросмеси отсутствует. Его начальная стадия определяет качественно новый процесс: расход поступающего в транспортную систему воздуха (среды вытеснения) превышает темп обмена объемами жидкости лобовой и тыловой поверхности пузыря в эрлифте. За счет последующего увеличения расхода воздуха и, как следствие, гидроподъема, повышается расход жидкости, поступающий в линию всасывания, который, в конечном итоге формирует скоростной обмен объемами лобовой и тыльной поверхности твердых частиц, соответствующий их гидравлической крупности. Имеет место «барботажный режим» во всасывающей линии, когда транспортирующая жидкость барбатируется твердыми частицами (но в отличии от пузырей, движение частиц в этом случае - нисходящее), которые не попадают в линию нагнетания.

Таким образом, гидродинамические и качественные характеристики перемещения многофазных потоков внутри гидроподъемного трубопровода (как при гидроэлеваторной, так и при эрлифтной схеме подъема) и на выходе из него принципиально различны, как различен и энергетический баланс, оцениваемый по этим характеристикам. Вместе с тем, основные энергетические показатели перемещения гидросмеси (потери

давления от трения, от поддержания твердого в состоянии гидросмеси, местные потери) обычно оцениваются по расходным параметрам потока на выходе, а не по истинным в проточной части гидроподъемного агрегата по всей высоте выдач-ного трубопровода. Такая проблема признается многими исследователями, но либо не рассматривается совсем, либо чрезвычайно упрощена или предлагаются только начальные положения [2, 3].

Поэтому, необходимость отработки глубоководных отложений (где в значительной степени возрастут потери на трение), крупно-галечных участков, а также полезные ископаемые с большой объемной массой (где определяющая роль будет представлена потерями на поддержание твердого во взвеси) требует научной концепции оценки гидроподъема на основе истинной гидродинамической ситуации (а не по расходным показателям на выходе).

В представленной научной концепции эрлифтного восходящего гидроподъема соотношение между истинной (внутри

пульповода) (БЦ) и расходной объемной концентрацией (на изливе из него) (Б';:':) основывается на фундаментальном

V /рас

соотношении:

\ /и г/ _ V \ /рас см ст

где исм, ист - соответственно скорости смеси и гидравлическая крупность исходной горной массы.

Технология разработки глубокозалегающих донных отложений (> 5000 м) в настоящее время ограничена техническими возможностями насосно-компрессорного оборудования. Подать воздух на глубину 5000^6000 м при необходимости создания такого рабочего давления на компрессоре или водяном насосе достаточно сложно осуществить, поэтому общая технологическая схема эрлифтного гидроподъема должна включать эксплуатационный трубопровод с нагнетательной и всасывающей линиями (Ьн и Лвс) (рис. 1), то есть эрлифт с длинным всасывающим трубопроводом.

Рис. 1. Расчетная схема эрлифта с длинной всасывающей линией

Принимая уровень смесителя как границу раздела транспортируемых фаз: несжимаемой пульпы в линии всасывания (двухфазного потока: вода - твердое) и сжимаемой среды в линии нагнетания (трехфазной смеси: воздух - вода -твердое), можно установить уравнение баланса давления в плоскости смесителя в динамики развития процесса эр-лифтирования при различных схемах подъема (нагнетательный эрлифт-ный подъем; подъем эрлифта с длинной, жесткой и гибкой всасывающими линиями;наклонная

эксплуатация эрлифтного подъема).

Баланс сил в эрлифте с длинной всасывающей линией основывается на сохранении равенства напора нагнетания и суммарной величины потерь напора всасывающей и нагнетательной линий.

нн =1 Ьвс + х Ьн .

Суммарное сопротивление всасывающей линии равно

ТАЬсОПР = +ЛЬТР+ЛЬМ,

где ДЬПШ - потери напора на поддержание твердого во взвеси;

АЬ = Ь -р1 р0

пол вс > ™

Р0

где р1, ро - соответственно плотность гидросмеси, поступающей во внутренний трубопровод при всасывании и плотность жидкости, кг/м3.

Исходя из заданной весовой консистенции гидросмеси, плотность потока во всасывающей трубе эрлифта равна

Т + Ж

р1 = Т/ + Ж/ ,

/ Ртв /Р0

где ртв - плотность твердого, кг/м3.

При этом производительность эрлифта по твердому

От О,-

Ртв

где ДЬтр - потери напора на трение во всасывающей линии эрлифта, м.

АЬ =Х

тр вс 7-, о „ ' р °вс 2- 5 Р0

где Явс - коэффициент гидравлических сопротивлений при всасывании; Овс - диаметр всасывающей линии, м; и1 -скорость гидросмеси при всасывании, м/с.

АЬм - потери напора на преодоление местных сопротивлений и на входе во всасывающую трубу, м;

АЬМ =

2- 5 Р0

тогда суммарные потери на всасывание

V Ь =Ь Р1 _Р0 + 1 Ьвс Р1 +

V Ьсопр =Ьвс--+ Л вс • 77" • 75---+

Р0 2- 5 Р0

+

2- 5 Р0

Суммарные потери в нагнетательной линии эрлифта можно принять как

X Лн = ЛЛтр + ЛЛуск + ЛЛ0 ,

где ДЬтр - потери напора на трение в нагнетательной линии, м.

ЛЛ =х • ^.ГОп + V, \

тр тр 0

н

V

Ю

/

2 • 9 Ро '

где Х1р - коэффициент гидравлических сопротивлений в нагнетательной линии; Он - диаметр нагнетательной линии, м. Средняя плотность газожидкостной смеси

Рсм = Ро •

Нн1

Лн J

Динамическое давление эрлифта можно определить двумя путями. Исходя из величины сопротивления нагнетательной линии, либо всасывающей линии

X н

/ у ВС

Р = Р

10

•Ро • 9.

Объемный расход воздуха в нагнетательной линии при изменении давления от динамического Рл до атмосферного Рат

О = Р • V  ¿п^т.

^ ат ат р

л

Среднее значение объемного расхода воздуха равно

Р

Р • V • ¿п

О

V =

ср Р - Р

Рр • VаT • ¿пр

Р - Р

л ат л ат

Исходя из известного соотношения Р • V = V • Р ,

а а ср ср

где Vср- средний расход воздуха по длине нагнетательной линии, кг/с и с учетом выражения (12) среднее давление воздуха равно

Рср =

Р -V •(Р -Р ) Р -р

ат ат V а_ат / . О _ а ат

или Рср =

ат ат

1П-

При этом плотность трехфазной смеси

Оп' Р1

Рсм ОП + V '

^П ср

Откуда средний расход воздуха

^ = а

Р1 -Рс

п

Таким образом, потери напора на трение в нагнетательной линии равны

АЛ =Х А Г Оп + Vср ^

тр тр

2- д ро

Потери напора на ускорение смеси

ЛусК =

ОП - Кср Р1

ю2 2-д

Поскольку скорость на выходе из эрлифтного трубопровода определяется как

Оп + Кат Оп Г1 + Ут_ >

а

ф = -<П ^ ат

Ю

~п Ю

¿П У

где Кат - расход воздуха при атмосферном давлении, м/с а плотность

Оп - Р1

р п = оП+КГ=Рп

1

1 + ^

п

где рг - плотность гидросмеси при всасывании, кг/м3. Потери напора на ускорение смеси будут иметь вид

ОП • Кср Р1

к*=

Ю

2-д

ат

см

Потери напора на переподъем смеси составят

ДЛь • V

Рп

Суммарные потери на нагнетательной линии (с учетом

уравнений 11, 24 и 25) составят

=i •Г +^ ^

н D

¿П__уср

ю

Р

см

2 • g Р0

+ 'р™ ^'р1 + -Е0.• V

2 • 5 рл

Таким образом, напор нагнетания эрлифта с жесткой всасывающей линией должен соответствовать суммарным сопротивлениям по всей длине (уравнение 2 и 26) (рис. 1).

В результате это позволит оптимизировать процесс гидроподъема различными техническими средствами, позволяющие с достаточной степенью точности прогнозировать технологические параметры вертикального движения гидросмесей в условиях морей и океанов.

Основные расчетные данные для систем гидравлического подъема для различных глубин (400 м, 2000 м, 6000 м) и плотности твердого (2200 - 2700 кг/м3) приведены в табл. 1, 2.

Таблица 1

Расчетные данные эрлнфтного подъема железомарганцевых конкреций (рт = 2200 кг/м3) прн пронзводнтельностн по твердому 150 т/ч

D, м Рп, кг/м3 Укр, м/с Ve, м/с U0, м3/мин Рд, Па-105 Qw, м3/ч Qt, м3/ч W, кВт-ч q, кВт/т

dT = 0,001 м dT = 0,01 м dT = 0,03 м

Глубина отработки 400 м.

0,4 1084 2,154 2,461 2,789 3,02 62 40 1300 68 376 2,5

Глубина отработки 2000 м.

0,4 1084 2,154 2,461 2,789 3,02 157 200 1300 68 1363 9,1

Глубина отработки 6000 м.

0,568 1052 2,54 2,846 3,175 3,15 395 600 2880 68 4132 27,6

Таблица 2

Расчетные данные эрлифтного подъема глубоководных полиметаллических сульфидов (рт = 2700 кг/м3) прн производительности по твердому 150 т/ч

D, м Рп, кг/м3 Vk„, м/с Vc, м/с U0, м3/мин Рд, Па-105 Qw, м3/ч Qt, м3/ч W, кВт-ч q, кВт/т

dT = 0,001 м dT = 0,01 м dT = 0,03 м

Глубина отработки 400 м.

0,4 1109 2,572 2,938 3,33* 3,27 79 40 1300 68 685 3,7

Глубина отработки 2000 м.

0,52 1064 2,908 3,275 3,667 3,8 223 200 2880 68 1934 10,5

Глубина отработки 6000 м.

0,736 1041 3,428 3,794 4,187 4,49 4,49 580 6867 68 6068 33,0

Примечания. * — для этого диаметра не соблюдается условие Ус>УКр, поэтому подъем гидросмеси не может быть осуществлен. Условные обозначения: О - диаметр подъемной трубы эрлифта, м; Qw - производительность эрлифта по воде, м3/с; Qt - производительность эрлифта по твердому, м3/с; рП - плотность гидросмеси, кг/м3; и0 - расход воздуха, м3/мин; Vкp - критическая скорость при всасывании, м/с; Vc - скорость гидросмеси, м/с; V- энергозатраты, кВт.ч; Рд- пусковое давление эрлифта, Па; д -удельные энергозатраты, кВт/т.

Таким образом, представленные выше основные методические расчетные положения могут быть использованы при проектировании систем эрлифтного подъема с учетом:

- глубины отработки и высоты борта судна: hBC; hH и h0; H= hi + ho;

- места установки смесителя эрлифта (место ввода воздуха): hi;

- производительности установки по твердому: Q1B;

- плотности гидросмеси при всасывании: рп;

- удельного расхода воздуха: VCP;

- относительного рабочего давления: Рср;

- необходимого расхода воздуха на компрессоре: U0;

- максимального размера всасываемого куска (гидравлической крупности).

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дробаденко В.П., Калинин И.С., Малухин Н.Г. Методика и техника морских геологоразведочных и горных работ. Учеб. для студ. высш.учеб. заведений. - Волгоград: Издательский Дом «Ин-Фолио», 2010. - 352 с: илл.

2. Дробаденко В.П., Малухин Н.Г., Луконина O.A., Тимошенко С.В., Лев A.M. Грунтозаборное устройство земснаряда. Патент РФ № 2249654 от 10.04.05.

3. Дробаденко В.П., Малухин Н.Г. Устройство для эрлифтирования сыпучих материалов. Патент РФ № 95119926 от 27.02.96. ПГТт

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Малухин Николай Григорьевич - доктор технических наук, профессор, Дробаденко Валерий Павлович - доктор технических наук, профессор, Вильмис Александр Леонидович - кандидат технических наук, доцент, Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ), e-mail: office@mgri-rggru.ru

UDC 622.23.05

SCIENTIFIC-METHODICAL SUBSTANTIATION OF AIR-LIFT HYDROHOISTING IN DEEP SEA MINING

Malukhin N.G. - Doctor of Engineering Sciences, Professor, Russian State Geological Prospecting University, Russia,

Drobadenko V.P. - Doctor of Engineering Sciences, Professor, Russian State Geological Prospecting University, Russia,

Vilmis A.L. - Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Russian State Geological Prospecting University, Russia.

In focus are technological issues connected with deep sea mineral mining using air-lift hydrohoist technology. The authors give basic guidelines on substantiation of calculation of technological parameters for mineral airlift from the ocean floor. The presented technical and energy indices of slurry hoisting are estimated not based on outlet flow rate parameters but based on the true parameters in the flow section of a hydraulic mining aggregate along the entire length of discharge pipeline. The calculated data for vertical air-lift hydrohoist systems intended for operation at the depths of 400, 2000 and 6000 m and hoisting ferro-manganese nodules (FMN) with average density of 2200 kg/m5 and deep-sea polymetallic sulfides with average density of2700 kg/m3.

Key words: air-lift, deep sea hydrohoist, pulp, multi-phase flows, deep sea deposits.

REFERENCES

1. Drobadenko V.P., Kalinin I.S., Maluhin N.G. Metodika i tehnika morskih geolo-gorazvedochnyh i gornyh rabot (Methods and techniques of marine exploration and mining). Ucheb. dlja stud. vyssh.ucheb. zavedenij. Volgograd: Izdatel'skij Dom «In-Folio», 2010. 352 s.

2. Drobadenko V.P., Maluhin N.G., Lukonina O.A., Timoshenko S.V., Lev A.M. Gruntozabornoe ustrojstvo zemsnarjada (Suction head of the dredge). Patent RF No 2249654 ot 10.04.05.

3. Drobadenko V.P., Maluhin N.G. Ustrojstvo dlja jerliftirovanija sypuchih materialov (A device for eleftherotipia bulk materials). Patent RF No 95119926 ot 27.02.96.