概述
我们常说各类物资从一个地点搬运到另一个地点有五大运输方式：水运、公路、航空、铁路、管道。这五大运输方式的优缺点可见表1。
表1 五大运输方式比较
人们可能接触过水、石油、煤气、天燃气这样一些液体、气体可以用管道长距离输送，像屡见不鲜的管道输水工程和家里的水管，像城市的管道煤气，像长距离输油管线工程，像长达四千公里、途经十个省市区的中国西气东输一线工程等等。我们可能想不到固体物料也可以通过管道以类似的方式输送，这就是我们要说的长距离矿浆管道输送。
矿浆管道输送是一种用水力输送大宗物料的运输方式，已应用于煤、铁精矿、铜精矿、石灰石、磷精矿和尾矿等固体物料的输送，与铁路和卡车输送相比，长距离管道输送大批量的矿浆是一种高效、可靠、对环境友好的输送方式。矿浆管道输送通常是将细粉状的固体物料搅拌成矿浆（对绝大多数被输送固体物料来说本身就已经是矿浆形态了，如精选煤、铁精矿、铜精矿、磷精矿和尾矿等输送前往往要磨细以便进行选矿作业），然后通过一级或多级加压泵用管道进行长距离输送，到达目的地以后，进入矿浆搅拌槽再由过滤机过滤，即可得到固体物料。
在工厂内部短距离（如数十米、数百米）的矿浆输送早已存在，而真正意义上的世界上第一条煤浆长距离输送管道于1957年在美国俄亥俄州建成，全长173km，年运量130万t，1970年建成的美国黑梅萨煤浆输送管道全长439年km,年运量450万t。1967年世界上第一条铁精矿输送管道在澳大利亚萨瓦奇河铁矿建成，全长85km，年运量230万t，1977年建成的巴西萨马科铁精矿输送管道全长397km,年运量1200万t，2006年运量已达到1650万t，是世界上运量最大的铁精矿输送管道。目前全世界已建成矿浆输送管道上百条，年总输送量超过1.8亿t，遍布五大洲二十多个国家。
我国从上世纪八十年代初起对长距离矿浆管道输送技术进行研究，1995年建成了从山西孟县到山东黄岛的煤浆输送管道，全长720km，年运量70万t。1997年，我国第一条铁精矿输送管道在太原钢铁公司尖山铁矿建成，全长102 km，年运量200万t。2005年，尖山铁矿扩建，建设了平行于第1条管道的第2条管道，使尖山铁精矿管道的总输送能力达到500万吨/年。
2006年12月 由作者所在单位昆明有色冶金设计研究院和美国管道工程公司（PSI）联合设计的云南昆钢大红山铁精矿输送管道投运，起点设在位于崇山峻岭之中的新平县嘎洒镇，终点位于安宁市昆钢厂区（见图1）。输送管道设有3个泵站，全长171 km，为全国铁精矿输送管道长度第一；矿浆扬送高差1520m，全国第一；矿浆输送压力24.44MPa，与秘鲁安塔密娜铜锌金矿并列世界第一；长距离矿浆输送的控制难度居世界前列，年输送铁精矿能力为230万t。昆钢随后又在东川包子铺敷设一条长约10.7km的铁精矿矿浆管道，将海拔3220m的包子铺选矿厂生产的铁精矿输送到海拔1150m的过滤车间，铁精矿矿浆管道利用自然高差采用自流跌落管设计，输送能力为50万t/年。2012年昆明有色冶金设计研究院和美国管道工程公司（PSI）再次合作的攀枝花钢铁公司白马选矿厂铁精矿输送管道投运，这条输送管道全长97 km，输送能力为300万t/年。
图1 大红山铁精矿输送管道示意图
2010年2月我国目前管径最粗、输送能力最大、单级泵站输送距离最长的铁精矿矿浆输送管道，在包钢集团投入使用。包钢的矿石主要来自白云鄂博铁矿，50多年来一直靠铁路运输。管径356mm矿浆管道将白云鄂博铁矿选矿厂铁精矿矿浆输送到包钢厂区，铁精矿矿浆输送管线全长145km，铁精矿年输送能力为550万t。
即将开工建设的神渭输煤管道纵贯陕西省榆林、延安和渭南3市16个区县，输煤管道全长727km，设计年输煤能力1000万t，总投资73亿元，是目前世界上设计距离最长的输煤管道。神渭输煤管道首端制浆厂和泵站设在陕煤化集团所属的神木红柳林煤矿，沿途经过四座中间泵站，终端储浆厂、脱水厂设置在蒲城精细化工园，陕煤化集团正在这里建设180万t/a甲醇和利用自主知识产权的DMTO-Ⅱ甲醇制烯烃技术的70万t/a聚烯烃项目，另有两个支线分别连接陕煤化集团下属的渭化公司、陕化公司两家煤化工企业。
1 矿浆管道输送工艺流程
以攀钢白马选矿厂铁精矿管道输送为例，选矿厂生产出来的铁精矿注入精矿再磨系统的缓冲池中，然后依次经过砂泵输送、旋流器分级、塔磨机细磨、高频振动细筛筛分后，铁精矿细度从-200目60%细磨达到了-325目75%以上，使铁精矿矿浆通过正排量隔膜泵加压，通过97km的管道，输送到攀钢西昌二基地的过滤车间内，再经圆盘真空过滤机脱水，产出含水10.5%的固态铁精矿，通过胶带输送系统，送入后续工序烧结车间矿仓。
2 矿浆管道输送节能减排的效果
以昆钢大红山铁精矿管道输送为例，公路运距为299km，运费为140元/t，而管道输送仅为40元/t，以230万t/年计算，年运费节省23000万元（近年运量加大，油费涨价，运费节省更多），其总投资8.1亿元可在不到4年的时间内收回。铁精矿管道输送主要消耗电能，年耗电量折合标煤4240t，而汽车运输所耗柴油折合标煤39311t，管道输送可节省89%的标煤。柴油燃烧所产生的CO2、SO2、PM2.5量也可以大幅减少。此外，公路运输1%左右的铁精矿抛撒所造成的损失也非常可观。
昆钢东川包子铺铁精矿矿浆管道总投资概算为7630万元，每年可节约运费1750万元。
2012年4月投运的攀枝花钢铁公司白马选矿厂铁精矿输送管道，公路运距约150km，运费约90元/t，管道输送费用约40元/t，每吨铁精矿输送费用可节省约50元，目前每天铁精矿输送量约8000t，可节省运输费用约40万元。
3 矿浆管道输送的监测和控制
先进的工艺过程离不开工艺参数的监测和控制，而工艺参数的可靠监测和严格的控制不仅保证了工艺过程的正常进行，还提升了工艺过程运行的质量。
3.1 工艺过程的监测
工艺过程设备监控信息和重要过程参数信息必须实时监控，工艺过程设备监控信息包括各个泵站主泵、喂料泵、底流泵、搅拌电机等重要设备的运行状况，重要过程参数信息包括各个泵站矿浆浓度、泵速、管道压力、流量、干矿量、矿槽液位等。
由于矿浆管道输送工艺过程要求严格，比如矿浆在管道内的淤积流速为1.25m/s，流速过大对管道磨损加大，因此要求实际运行流速为1.5m/s~1.9m/s，所以流量(因为管径一定，该值也代表流速)检测至关重要。再如管道压力检测，可反映泵的工作状态和管道运行是否正常。矿浆浓度检测，要求也较为严格，比如大红山铁精矿管道输送设计要求的矿浆浓度为65%（波动范围在62%~68%），低于这个浓度值，耗费了动力，精矿输送量也达不到设计要求，高于这个浓度值，有可能导致管道堵塞。
在这些参数中，矿浆流量检测是一个难点，一是固液两相流，影响流量测量的因素较多，二是部分矿浆含有铁磁性物质，特别是在铁精矿矿浆中含量更高，所以通常用于矿浆流量测量的电磁流量计往往因铁磁性物质干扰而无法得到稳定的参数显示。对一般的非铁磁性矿浆来说，可以选用浆液型电磁流量计，而对于含有铁磁性物质矿浆来说，目前也有两个解决办法，一是采用利用声纳探测原理设计而成的声纳追踪式流量计，二是采用带铁磁性补偿线圈的电磁流量计（见图2）。声纳追踪式流量计的检测原理与铁磁性物质无关，不受铁磁性物质的影响，检测稳定，但价格高昂。使用带铁磁性补偿线圈的电磁流量计，可以补偿铁磁性物质对电磁流量计磁通密度的影响，检测稳定，价格相对较低。
图2 有磁通检测线圈电磁流量计
1-测量管道 2-励磁线圈 3-磁通检测线圈
由于矿浆输送是采用定排量活塞隔膜泵，其每次行程泵出的矿浆量基本恒定，所以矿浆量计量还可以通过定排量活塞隔膜泵活塞的往复次数来计算。
3.2 工艺过程的控制
3.2.1 管控一体化平台
一般来说，矿浆管道输送工艺过程在起点站、终点站和中间泵站设有PLC控制系统的控制站和操作员站，实现所在部位及邻近区域的工艺过程参数监测数据的采集及工艺过程设备的监控，而各个部位的控制站相互连接成网络，构成管控一体化的综合信息化管理体系。以大红山铁精矿输送管道的管控一体化为例，管控一体化的规划为三层两库，三层指生产自动控制（PLC）、生产执行系统（MES）和企业资源规划系统（ERP），两库指用于实时监控的实时关系数据库和用于数据加工分析的关系数据库。通过分析管道运输流程生产过程特点，综合运用实时数据挖掘处理技术，解决MES与其它系统数据的无缝联接，建立模型实现优化控制、实现成本分析、成本控制、智能查询、生产决策支持等调度优化系统，实现企业生产信息数字化综成平台。
3.2.2远程信息监控系统
实现了管线全程范围内所有设备监控信息（各泵站主泵、喂料泵、底流泵、搅拌电机等重要设备的运行状况）、重要过程参数信息（各泵站矿浆浓度、泵速、管道压力、流量、干矿量、矿槽液位等）进入管控一体化系统，实现实时监控（见图3）。
图3 矿浆输送过程实时监控图
3.2.3 故障诊断系统
管道输送矿浆是一种高风险性的输送方式。在管道输送矿浆时，应避免管道泄漏或堵塞情况的发生。如一旦整条管线中的某一点发生泄漏而不能及时排除，所造成的物料损失也是十分惊人的；如一旦整条管线中的某一点发生堵塞而不能及时排除，整条管道中的固体物料就会沉淀板结，堵塞严重时可能造成整条管道的报废。
在管控一体化平台上，应该通过故障诊断系统对管道泄漏点快速准确判断，当管道发生泄漏时，管道上各点压力都将在很短时间内下降，由此可判断管道泄漏，再根据泄漏点两端压力检测点压力下降之间的延时差及压力波的传递速度可精确计算出泄漏点的位置（见图4）。用类似的方法可诊断管道堵塞故障及堵塞点的位置。
图4 管道压力分析图
3.2.4技术专家系统
起点站、终点站和中间泵站将所有设备的故障现象、故障产生的原因、处理方法和过程信息等全部录入管控一体化的数据库中，通过时间的积累，所有故障信息汇集到该系统中，形成一个集所有人的知识、经验和技术为一体的故障专家系统，实现了所有人的知识、经验和技术共享。
技术专家系统能有效预防故障和快速处理故障。各个泵站对技术专家系统中的所有故障现象进行分析，有针对性地制定事故预防措施，能有效防止设备故障的发生；同时当设备出现故障时，通过技术专家系统快速查找类似故障的处理方法，能快速处理故障。
3.2.5设备知识系统
起点站、终点站和中间泵站将设备信息、备件信息、备件更换信息录入到数据库中，形成了完善的设备知识系统。该数据库为设备的检修、更换、备件计划的制订提供了详细的、真实的信息和依据。同时，当生产设备备件更换或者添加后，通过人工录入，可将更换或添加设备备件的工作周期添加于设备维护支持系统内，设备维护支持系统会在设备、备件寿命周期到达90％、95％、99％时进行告警提示。
4 小结
近年来，矿浆管道输送在我国迅猛发展，已有数十条矿浆管道输送工程正在设计、施工和投运，国内众多高校、科研单位、设计院及用户正在开发、研究这项物料输送新技术。云南省昆钢管道输送公司作为一个用户，其特点在于从实施项目检测和控制系统的施工方（昆钢电子信息公司）转换成矿浆管道输送的生产管理单位（云南大红山管道有限公司），充分发挥了原有单位在信息自动化方面的特长，因此在工艺过程管理和铁精矿输送管道的管控一体化方面都取得显著的成绩，例如年输送铁精矿设计能力为230万t，2011年年输送铁精矿量实际达到350万t。以昆钢为第一单位和第一获奖人的 复杂地形长距离铁精矿固液两相浆体输送关键技术及应用 项目已经获得2010年国家科技进步奖二等奖，其核心技术矿浆管道物联网数字输送系统已出口至阿根廷、秘鲁、巴布亚新几内亚的管道输送工程，合同额超过一千万元。目前该公司参与在建的铁精矿输送管道还有6条，在非铁精矿领域还重点规划了昭通煤炭输送、磷精矿输送、滇池淤泥输送等项目。
由于矿浆管道输送节能减排的优点逐步为人们所接受，一批已投运的样板工程吸引了众多的参观人群，正在规划设计的项目压越来越多，我们可以期待，矿浆管道输送的方式必将在国民经济中发挥巨大的作用。
