Трубопроводный транспорт твердых и сыпучих материалов

При больших устойчивых грузопотоках угля, руды, щебня, песка и других твердых и сыпучих материалов возникают затруднения в их перевозке традиционными видами транспорта - автомобильным и железнодорожным. Поэтому в последние годы все шире осуществляется транспортировка этих грузов по трубопроводам.

К настоящему времени сформировалось три основных направления трубопроводного транспорта твердых и сыпучих материалов: пневмотранспорт, контейнерный (в том числе капсульный) транспорт и гидротранспорт.

Пневмотранспорт

Пневмотранспорт предназначен главным образом для доставки сыпучих материалов, увлажнение которых нежелательно или недопустимо (пепел, зола, цемент, мука и др.). Сущность его состоит в том, что частицы транспортируемой среди находятся во взвешенном состоянии и переносятся в потоке воздуха.

Перемещение по трубопроводам сыпучих или пылевидных грузов в смеси с газом ограничено характером, размерами и массой перемещаемых частиц, применяется при небольших расстояниях транспортирования (операции погрузки-выгрузки), связано с повышенным износом труб и значительными энергозатратами.

Контейнерный транспорт

В данном случае твердые материалы транспортируются в капсулах или контейнерах, перемещающихся внутри трубопровода в потоке жидкости или воздуха. Соответственно различают контейнерный гидро- и пневмотранспорт. Контейнерный транспорт эффективен тогда, когда транспортируемый материал состоит из крупных фракций и частиц, либо когда его увлажнение нежелательно. Достоинством данной технологии перекачки является то, что грузы не требуют специальной обработки (измельчения, осушки и т.д.), не происходит загрязнения несущей среды транспортируемым материалом и, наоборот, грузов несущей средой.

В Канадском научно-исследовательском центре для осуществления контейнерного гидротранспорта (КТТ) были предложены капсулы +жесткой конструкции, в которых можно транспортировать различные грузы в потоке перекачиваемой нефти. Однако такие капсулы можно применять лишь на трубопроводах, не имеющих участков с меньшим внутренним диаметром, крутых поворотов, неполнопроходной арматуры и других элементов, характерных для трубопроводных магистралей.

Для транспортировки различных грузов по существующим магистральным трубопроводам более целесообразно использовать эластичные оболочки-контейнеры из резиновых, резино-тканевых и различных синтетических материалов. Такие оболочки, в отличие от жестких капсул, которые обязательно надо возвращать к началу трубопровода, могут предназначаться для одноразового использования.

СКВ «Транснефтеавтоматика» предложило использовать для КГТ полиэтиленовые оболочки-контейнеры. Применительно к транспортировке битума система КГТ выглядит следующим образом.

На нефтеперерабатывающем заводе сооружается автоматическая линия для изготовления оболочек-контейнеров и затаривания их битумом. Загруженные оболочки-контейнеры подаются по канатной дороге, пневмопроводу и т.п. к специальному узлу, через который они партиями вводятся в действующий нефтепродуктопровод. Для пропуска партий оболочек-контейнеров через промежуточные насосные станции без их остановки предусмотрена специальная технологическая обвязка с системой автоматического управления запорной арматурой, аналогичная обвязкам, используемым для пропуска мимо станций скребков и разделителей.

Узел приема оболочек-контейнеров и конце нефтепродуктоп-ровода предусматривает раздельный прием несущего нефтепродукта в резервуарный парк и непрерывное поступление и очистку оболочек-контейнеров от несущего нефтепродукта.

Вопрос об освобождении от битума и дальнейшей судьбе оболочек-контейнеров решен просто - битум расплавляется вместе с полиэтиленовой оболочкой-контейнером. Качество битума от этого не только не страдает, а, наоборот, улучшается: повышается его вязкость и температура размягчения.

Успешно прошла испытания и технология контейнерного транспорта подсолнечного масла по бензопроводу. Предварительно расфасованное в полихлоридвиниловые бутылки масло загружалось в контейнеры, которые, благодаря своей конструкции, были разгружены от давления в трубопроводе и выполняли лишь функции защиты бутылок от истирания. Контроль качества продукта в конце трубопровода показал, что полимерные бутылки надежно изолировали растительное масло от несущей жидкости.

В дальнейшем предполагается организовать транспортировку таким образом нефтяных масел, смазок и моющих жидкостей в мелкой расфасовке.

Существенное развитие получил контейнерный пневмотранспорт (КПТ).

Почти 200 лет назад перепад давления воздуха использовали для доставки по трубам конторских документов и почтовых отправлений. Такой способ доставки называли пневмопочтой. В 1840г. в Англии была построена первая двухкилометровая дорога, на которой 5-тонная тележка развивала скорость 72 км/ч, а в 1843 г. между Кингстауном и Далки (Ирландия) открылось регулярное движение 60-тонных составов по дороге в виде туннеля длиной 2,8 км. Тяговое усилие создавалось за счет перепада давления воздуха (с одной стороны туннель соединялся с атмосферой, на другой располагалась станция прибытия, где создавалось разряжение). В последующем подобные, как их называли, «атмосферические» дороги были также построены во Франции, а максимальная дальность транспортировки достигла 33,6 км. Однако из-за многочисленных недостатков и невозможности решения ряда конструктивных проблем дороги вскоре были закрыты.

Сегодняшний интерес к контейнерному пневмотранспорту объясняется тем, что перевозка некоторых массовых грузов традиционным транспортом стала обходиться в несколько раз дороже, чем их добыча или производство. Активные исследования в области КПТ для грузовых и пассажирских перевозок ведут фирмы Японии, США, ФРГ, Великобритании. Ведущее место в мире по созданию систем КПТ занимает наша страна. Так, в Японии действует система КПТ для доставки известкового щебня по трубопроводу длиной 3,2 км, диаметром 1000 мм, производительностью 2 млн. т/год и система для перемещения на 1,5 км гашеной извести по трубопроводу диаметром 600 мм, построенные по советской лицензии.

Система КПТ состоит из трубопровода, в котором под давлением воздуха, создаваемым головной и промежуточными воздуходувными установками, движутся контейнеры на колесном ходу, а также станций погрузки и выгрузки, системы управления и контроля, вспомогательного оборудования.

Системы КПТ классифицируются по способу создания перепада давления, по виду подвижного состава по конструкции ходовой части, по числу труб и т.д.

Перепад давления, необходимый для обеспечения движения контейнеров (около I0⁴ Па), создается либо турбовоздуходувками, центробежными нагнетателями, компрессорами (напорная система), либо вакуумнасосами (вакуумная система), либо комбинированно (напорно-вакуумная система). Для перевозки грузов на расстояния свыше 5 км более перспективными являются напорные системы КПТ.

Число воздуходувных станций зависит от производительности системы, рельефа местности, характеристики воздуходувных агрегатов. При равнинно-холмистом рельефе с уклонами не более 3 градусов и применении воздуходувных агрегатов, обеспечивающих избыточное давление до 10³ Па, расстояние между станциями составляет от 5 до 15 км.

По виду подвижного состава различают отдельно перемещаемые контейнеры и контейнерные поезда. Для предупреждения перетоков воздуха через зазор между контейнером и трубой используются уплотнительные манжеты. В настоящее время разработаны конструкции контейнеров для транспорта сыпучих, жидких и крупных штучных грузов.

По конструкции ходовой части различают контейнеры на радиально расположенных массивных колесах, свободно перемещающихся по внутренней поверхности трубы; с несущими колесными каретками, катящимися по одной или нескольким направляющим (рельсам); на воздушной подушке; с магнитным взвешиванием подвижного состава.

По числу труб различают однотрубные, двухтрубные и многотрубные системы КПТ. В простейших однотрубных системах между расположенными по концам станциями нагрузки и разгрузки курсирует один контейнер или состав. Его движение обеспечивает либо одна воздуходувная станция, работающая в одном направлении в напорном, а в другом - в вакуумном режиме, либо две головные станции, расположенные по концам трубопровода и работающие поочередно. При грузопотоках более 1 млн. т/год целесообразно применять двухтрубные и многотрубные системы КПТ. В двухтрубных системах по одному трубопроводу с заданным интервалом движутся один за другим груженые контейнеры или составы, а по другому в противоположном направлении - порожние или с другим грузом. В многотрубных системах большая часть труб используется для доставки грузов в прямом направлении, а меньшая - для возвратного движения контейнеров. Надежность многотрубных систем КПТ выше.

В Грузии эксплуатируется построенная еще во времена СССР пневмоконтейнерная система для транспортировки строительных материалов «Лило-1» и «Лшго-2». Установка «Лило-1» действует с 1971 г. и служит для доставки щебня, гравия и песка из карьера на бетонный завод на расстояние 2,2 км. Установка включает устройства загрузки контейнеров и их ввода в трубопровод, сам трубопровод диаметром 1000 мм, а также устройство выгрузки контейнеров и их возврата на начальный пункт. Годовой объем перевозок составляет 640 тыс. т. Установка «Лило-2» пущена в 1980 г. По трубопроводу диаметром 1200 мм и длиной 17,5 км транспортируются щебень и песок на завод железобетонных конструкций. Грузы перевозятся в контейнерах на колесном ходу, объединенных в поезда из 8 вагонов-контейнеров. За один рейс состав перевозит 40 т грузов. Для его движения со скоростью 40 км/ч достаточно избыточное давление 6 кПа.

Кроме того системы КПТ эксплуатируются в г. Волоколамске Московской области (8 млн. т щебня и песка в год на расстояние 3 км) в г. Дзержинске Горьковской области (песок по трубопроводу диаметром 1220 мм на расстояние 7 км) и другие. Институтом ВНИ-ПИтраснпрогресс подготовлено технико-экономическое обоснование строительства еще 12 систем контейнерного пневмотранспорта.

Гидротранспорт

Сущность данной технологии состоит в том, что транспортируемые материалы (уголь, руда и т.д.) перекачиваются в потоке жидкого носителя, в основном, воды. Гидротранспорт твердых и сыпучих материалов получил наибольшее распространение и, видимо, будет основным в их перевозках на большие расстояния в будущем.

Хотя технология транспорта угольной пульпы по трубопроводам была запатентована еще в девяностые годы прошлого века, первый углепровод длиной 27 км был построен в 1944 году (США). Сейчас в различных странах мира эксплуатируется свыше 100 трубопроводов, по которым осуществляется гидротранспорт каменного угля, железного и медного концентрата, известняка, фосфатов и других грузов. О динамике строительства пульпопроводов можно судить по данным табл. 17.1.

В 1978 г. объем трубопроводного транспорта угля и руды за рубежом составил 12, а в последующие два года достиг 50 млн. т. В ближайшие годы этот объем может возрасти до 300 млн. т.

В нашей стране по трубопроводам транспортируется выше 80 млн. т угля в год. С 1966 г. в Кузбассе эксплуатируется 2 трубопровода длиной по 10 км для транспорта кускового угля от гидрошахт Инская и Юбилейная. Действуют трубопроводы для транспорта же-лезнорудного концентрата, в числе которых концентратопровод «Лебединский горно-обогатительный комбинат - Оскольский электрометаллургический комбинат» длиной 26 км.

 

Таблица 17.1 Характеристика некоторых действующих пульпопроводов

Транспортируемый материал	Страна	Длина, км	Диаметр, мм	Пропускная способность, млн. т/г	Год ввода в эксплуатацию
	США			1,3
Каменный уголь	США США США	440 1670 288	457 965 558	4,8 25,0 10,0
	США			2,8
	США			2,5
Железный концентрат	Мексика Аргентина Мексика			1,8 2,1 1,5
	Бразилия			12,0
Медный	Индонезия			0,3
концентрат	США			0,4
	Тринидад			0,6
Известняк	Великобритания			0,7
	США			1,5

На Норильском горно-металлургическом комбинате эксплуатируется трубопроводная система для транспортирования концентрата полиметаллических руд. Трубопроводы широко применяются для гидротранспорта отходов обогащения горнообогатительных комбинатов, для золошлакоудаления на тепловых электростанциях, для перемещения огромных масс грунта при строительстве гидротехнических сооружений.

Такой транспорт снижает себестоимость перевозок по сравнению с ленточными конвейерами в 1,5...2 раза, с железнодорожными перевозками на короткие расстояния - в 2,5...4 раза, с автотранспортом - в 6...8 раз.

Одним из главных факторов, влияющих на выбор диаметра трубопровода и концентрации твердых материалов в пульпе, является их плотность. В табл. 17.2 приведены рекомендуемые параметры пульпы, получаемой из ряда материалов.

Таблица 17.2 Рекомендуемые параметры пульпы

Материал	Плотность, KF/MJ	Максимальный размер твердых частиц, мм	Средняя весовая концентрация твердых частиц в пульпе, %
Каменный уголь	1,4	2.2
Известняк	2,7	0,3
Медный концентрат	4,3	0,23
Железный	5,0	0,15
концентрат

При соблюдении указанных рекомендаций и скорости перекачки около 1,5...2,0 м/с пульпа находится практически в гомогенном состоянии. Дальнейшее увеличение скорости ограничивается усилением абразивного износа труб.

Как уже отмечалось, традиционно в качестве жидкого носителя используется вода.

В последние годы обсуждается вопрос о выборе новых видов носителей, что связано с дефицитом воды в районах добычи минерального сырья, необходимостью её последующей очистки и осушки транспортируемых материалов. Для устранения этих недостатков рекомендуются различные решения. Так, в США предложено использовать в качестве носителя природные воды с большим содержанием солей, непригодные для использования в быту, например, морскую воду, засоленные грунтовые воды и т.п., предварительно повысив в них концентрацию солей с таким расчетом, чтобы носитель имел плотность 1,025... 1,2 кг/м³. Благодаря тому, что плотности носителя и частиц станут более близки, осаждение транспортируемого материала будет затруднено.

В Австралии разработана технология транспортировки угля совместно с водой, маслом и небольшим количеством присадок. Перед смешением уголь размалывают. Достоинством этой технологии является то, что в процессе последующего движения по трубопроводу вода вымывает породу, а уголь с маслом и.присадками образует гранулы. Теплотворная способность гранулированного угля на 20 % выше, чем негранулированного.

Обсуждается вопрос об использовании в качестве носителей таких жидкостей, как нефть, метанол, сжиженный нефтяной газ и водо-нефтяные смеси. Теплотворная способность угля, транспортируемогов потоке нефти, существенно увеличивается, а устойчивость пульпы вследствие более высокой вязкости носителя возрастает. Отметим, что метанол может быть получен непосредственно из самого же угля.

С тем, чтобы исключить затраты на отделение носителя в Англии угольный порошок транспортируют в смеси с 50 % топливного мазута. Смесь подается к паровым котлам, где сжигается с распылением в форсунках. В США для аналогичных целей используется смесь, состоящая из 50 % угля, до 40 % мазута и 10-20 % воды. Ультразвуковая обработка смеси предотвращает выпадение осадка.

Другое направление совершенствования технологии гидротранспорта - это поиск новых материалов и конструкций труб, способных сократить абразивный износ оборудования и внутренней поверхности трубопровода. С этой целью используются закаленная сталь и трубы из полиэтилена низкого давления или металлические с различными покрытиями.

Наиболее прогрессивные технические решения планируется использовать и при расширении сети пульпопроводов в нашей стране. В 1985 г. выполнены разработки, обосновывающие целесообразность строительства углепровода Кузбасс-Урал-Поволжье-Центр протяженностью 3000 км, диаметром 1420 мм с 32 насосными станциями.

Согласно проекту предусматривается технология приготовления, транспортирования и прямого сжигания в котлах электростанций нового вида жидкого топлива - водоугольной суспензии, содержащей около 70 % по массе тонкоизмельченного угля с химическими добавками, обеспечивающими достаточную текучесть и длительную стабильность суспензии. При такой технологии требуется меньшее количество воды, упрощается перекачка суспензии по разветвленным трубопроводам, допускается ввод системы на неполную производительность и регулирование сезонной производительности аналогично нефтепроводам. Кроме того, уменьшается абразивный износ оборудования, упрощается аккумулирование и хранение суспензии, уменьшаются вредные выбросы в атмосферу при сжигании.

Для отработки указанной технологии предназначен опытно-промышленный углепровод «Белово-Новосибирск» протяженностью 260км.