水煤浆的流变特性研究进展

本文引自《锅炉技术》2010年5月第41卷第3期

水煤浆的流变特性研究进展

代淑兰1  ,  陈良勇2  ,  代少辉3

 (1.  中北大学化工与环境学院 ,  山西太原 030051 ; 2.  东南大学能源与环境学院 ,  江苏南京 210096 ;3 .  宿迁中天建设工程有限公司 ,  江苏宿迁 223600)

关键词 :   水煤浆 ;  流变特性;  流变机理

摘 要 :   总结了水煤浆流变特性的国内外研究进展 ,对水煤浆的流变学属性、流变特性的研究方法、流变特性的影响因素和流变机理等方面的研究现状和研究成果进行了概述 ,重点对水煤浆流变特性的影响因素和流变机理的研究进展进行了详细地阐述 ,指出了目前水煤浆流变特性研究中存在的问题 ,探讨性地提出了今后的研究方向。

 中图分类号 :   O373 文献标识码:   B

0 前 言

水煤浆是由质量份额 60 %～70 %的煤粉、30 %～40 %的水和少量添加剂混合构成的液固两相悬浮体系 ,是一种新型的煤基流体燃料 , 在煤的燃烧和气化等洁净煤技术领域应用广泛。水煤浆具有和石油相似的流动性和稳定性 ,可方便地实现储存、管道输送、雾化和燃烧 , 具有节能、环保和综合利用煤泥等多种效益 , 受到各国工业界的高度重视。

水煤浆的流变特性主要研究浆体的流动和变形 ,即剪切速率与剪切应力之间的关系 , 或剪切速率与表观粘度之间的关系。水煤浆的流变特性影响到储存稳定性、输送过程的流动性和雾化过程的可雾化性及炉内的可燃性等重要工艺过程[ 1 ] ,而水煤浆的流变数据是分析和确定浆体流动规律的基础数据 ,是输送管道设计和运行参数选择的重要依据。

1 水煤浆的流变学属性及对流变特性的

要求

1 . 1 流变学属性

水煤浆属于复杂的多相悬浮体系 ,施加剪切应力产生的速率梯度受到其内部物理结构变化的影响 ,反过来内部的物理结构又会因剪切作用而引起变化 ,因此水煤浆的流变特性呈现复杂多样性。从目前的研究看 ,水煤浆涵盖了牛顿流体和几乎各种类型的非牛顿流体。由于具有较高的固相含量、相对较小的煤粉颗粒以及添加剂的加入使煤粉颗粒与水紧密结合形成网状结构 ,多数水煤浆表现出显著的非牛顿流体特性。水煤浆的非牛顿流体特性通常具有如下特点 :非单相性 ,即流变特性要用多个参数来表示; 非单值性 ,粘度随剪切应力发生变化 ; 非可逆性 , 粘度与剪切作用的持续时间有关 , 即表现出一定的触变性[ 2 ] 。多数工业用水煤浆存在屈服应力 ,在低剪切速率和高剪切速率下均呈现牛顿流体特性 ,在中等剪切速率下呈现剪切稀化特性 ,只有极少呈现胀流性流体特性。

描述水煤浆流变特性常用的经验模型有[ 2 ]  :

牛顿流体:  τ=μγ (1)

宾汉塑性模型: τ=τy  +  pγ (2)

幂率模型:     τ=  Kγn (3)

屈服3/幂率模型: τ=τy  +  Kγn (4)

Casso n 模型:  τ0. 5  =τy 0 . 5 + (  pγ) 0 . 5 (5)

Sisko 模型：     τ=   ∞ +  Kγn (6)

式中:τ、τy  ———分别为剪切应力和屈服应力 , Pa ;

μ———粘度 , Pa·s ;

p———刚度系数 , Pa·s ;

∞———高剪切速率对应的极限剪切粘度 , Pa·s ;

K ———稠度系数;

 n ———流变特性指数。

以上流变模型也称作本构方程 ,模型中的各参数是需要通过试验确定的流变参数 ,是水煤浆固有的物性参数。在流变特性研究中 ,可根据研究目的、对象和剪切速率范围等选择不同的模型。由于水煤浆流变特性复杂 ,以上经验模型很难全面反映速率与响应之间特性 ,应用这类本构方程描述水煤浆的流动特性时都会出现一定偏差。

在流变特性研究中 ,往往借用牛顿流体粘度的概念 ,即表观粘度或剪切粘度来表征水煤浆的流动性。对非牛顿流体 ,表观粘度是剪切速率的函数 ,它能够清晰地表明受到剪切作用时浆体抵抗变形的能力。因此 ,考察剪切粘度的影响因素和变化规律对水煤浆流动特征的认识和工程应用具有十分重要的价值。

1 . 2 工业用水煤浆对流变特性的要求

水煤浆从制浆到燃烧或气化要经过储存、管道输送和雾化过程 , 要求浆体具有良好的稳定性、输送特性和雾化特性。以上 3 种特性分别由低剪切速率、中等剪切速率和极高剪切速率下的流变特性决定 ,这就要求水煤浆在粘度、流动性和沉降性能方面达到良好的平衡[ 6 ] 。工业用水煤浆理想的流变特性应为: 具有较高的浓度 , 静止状态下能够保持良好的稳定性 ,即具有一定的屈服应力;在与管道输送过程和雾化过程相对应的中等剪切速率(10 s - 1 ～200 s - 1 ) 和高剪切速率(5 000  s - 1 ～30 000  s - 1 ) 下都应保持较低的粘度[ 1 ] 。当煤粉含量较高时 ,水煤浆粘度会随浓度的增加而急剧地增大; 当浓度较低时 , 浆体的流动性增加 ,但稳定性变差 ,燃烧效率或气化过程中碳转化率相应地降低。因此 ,改善水煤浆流变特性的重点应在保证合理粘度的前提下尽量提高水煤浆的浓度。

2 水煤浆流变特性的影响因素和流变机理

2 . 1 水煤浆流变特性的研究和测量方法

水煤浆流变特性的研究方法可分为 2 类。一类是从浆体组成成分的性质和颗粒 -  颗粒以及颗粒 - 流体的相互作用出发 ,通过理论分析与试验相结合的方法建立表征流动特性的数学模型。这类模型包含了反映浆体流动机理的多种因素 ,多表达为相对粘度( 浆体粘度与液相粘度之比) 与各类影响因素的关联式。这类典型关联式 ,大都以 Einstein 方程式为基础 , 扩展到高浓度、非球形颗粒和特定粒径分布的高浓度液固两相非顿流体。由于浆体的复杂性 ,至今尚无法获得广泛适用的关联式 ,这种方法主要用于浆体的设计和调制。另一种方法则完全基于试验观测数据 ,采用包含多个参数的数学模型描述水煤浆的宏观流动行为。这类流变模型包含了式( 1)～(6) ,这些数学模型中只包含了流动特性的描述 ,因此无法解释产生这种特性的原因和各种因素的作用机理。但这类数学模型直观简单 ,直接反映受力与响应的关系 ,而且在多数流动问题研究中并不关心浆体的具体内部物质特性 ,这种描述方法在水煤浆流动问题的研究中得到了广泛应用 ,本文正是对这种方法所涉及的研究进展和成果进行讨论。

测量方法或测量工具是水煤浆流变特性研究的另一重要基础。按照浆体的流动性质 , 可将测量方法分为 2 类。一类是纯剪切流动条件下的流变特性测量 , 测量工具包括双筒体旋转粘度计和平行板粘度计等。这种测量方法精度高 ,易于实验室操作 ,适合于流变机理和各种影响因素的研究。另一类是压力驱动流动条件下的流变特性测量 , 测量工具为毛细管粘度计或工程管道。与纯剪切流动测量方法相比 , 第二种方法可以达到更宽的剪切速率范围 , 尤其是工程管道测量方法更是直接模拟了实际流动过程 ,所得流变数据对工艺过程具有更直接的指导意义。

2 . 2 水煤浆流变特性的影响因素

影响水煤浆流变特性的主要因素有[ 1 ,3 ]  : (1)煤种及煤的理化特性 ; ( 2) 固相含量; ( 3) 颗粒大小及分布; (4) 添加剂的种类和用量; ( 5) 浆液的p H 值; (6) 温度等。有关这些影响因素的研究已有相当多的文献报道 ,主要集中在试验方面。工程应用中也主要从以上几个方面着手 ,综合考虑各种因素以获得最佳的水煤浆流变特性 ,现结合相关文献研究成果进行分析。

固相含量对水煤浆的流变特性具有最直接的影响。有试验表明 ,在较低浓度下水煤浆呈现牛顿流体特性; 质量分数 > 50 %时 , 随浓度的增加 ,拟塑性特征迅速增加。Tsai 发现[ 4 ] , 由幂率流体特性的溶剂和煤粉制成的浆体在低剪切速率下的拟塑性却随浓度升高而减小。Fedir 对高水分褐煤的成浆特性研究发现[ 5 ] ,随浓度的增加或煤粉粒径的减小 , 浆体的非牛顿流体特性增加 ;屈服应力与煤粉含量、煤粉的颗粒大小分布、内孔面积等因素间存在密切的相关性。固相含量对流变特性的影响与最大填充份额密切相关 ,如 Turian 对多种水煤浆的屈服应力～浓度关系研究显示[ 2 ] ,当固相体积份额与最大填充份额之比(φ/φm ) 在 0 . 85 ～0 . 90 范围内 ,屈服应力急剧增加 ,并在φ/φm = 0 . 90～0 . 95 时趋向无穷大;另外 ,对具有牛顿流体特性的水煤浆粘度测量表明 ,相对粘度与 ( 1 3/φ/φm ) 呈反比关系。一般地 ,水煤浆的粘度随浓度增加而增加 , 并在固相体积份额达到 40 %以上时开始表现出非牛顿流体特性。工业用水煤浆的煤粉含量非常接近可达到的浓度上限 ,即使是浓度的微小增加也会对流变特性产生显著影响。因此 ,对给定的煤粉 -水两相系统 ,煤粉含量应控制在粘度急剧增加的浓度范围以下。

一般地 ,升高温度有利于提高水煤浆的流动性。Ro h 的试验结果表明[ 1 ] ,升高温度在降低粘度的同时也使浆体的非牛顿流体特性弱化。温度的影响还与温度所在范围有关。Sandra 的研究表明[ 6 ] ,温度低于100 ℃时 , 水煤浆粘度随温度升高而降低 ,在温度高于 100 ℃时则呈相反趋势。Tsai[ 4 ] 观察到了类似的现象 ,2 种试验浆体的转折温度发生在 50 ℃和 70 ℃左右 ,在转折温度以上拟塑性特性随温度升高而加。Gurses[ 3 ] 发现温度的影响与剪切速率有关 ,低剪切速率下升高温度会增加颗粒间的碰撞机率 ,从而使颗粒聚并趋势增加 ,最终导致浆体的粘度升高。在高温条件下(如高于 373 K) 测量了水煤浆的流变特性 ,由于煤粉颗粒发生分解和化学反应引起了浆体内部物质结构的显著变化 ,导致浆体的流变特性随温度的变化规律比常规条件下更加复杂。

颗粒大小对液 - 固浆体流动性能的影响有 2种根本途径: (1) 浆体流动过程中 ,一定颗粒粒径差异对颗粒层间的相对运动产生影响; ( 2) 颗粒粒径变化时引起最大填充份额变化。其中 ,后者的影响更为显著 ,要获得低粘度的水煤浆 , 煤粉必须具有较大的最大填充份额。均匀分布颗粒制成的浆体通常具有较高的粘度和较低的最大填充份额 ,除采用添加剂的方法外 , 采用合理的粒径分布或颗粒级配则是改善水煤浆流动性和稳定性的最有效和最常用的方法。通过优化粒径分布获得了最佳的水煤浆流变特性。特别是对成浆性能较差的高水分煤种 ,通过简单的粗细颗粒配比使浆体的稳定性显著改善 ,浆体的粘度降低达到 5 倍左右。这主要是因为粗细颗粒配比形成了合理的排列结构 ,提高了颗粒的流动性能。颗粒形状对流变特性也具有显著的影响 ,一般地 ,颗粒偏离球形的程度越大 , 水煤浆的粘度越大 ,非牛顿流体特性也越显著。

许多学者对水煤浆流变参数的变化规律进行了分析。Gurses[ 3 ] 发现所试验水煤浆( 幂率流体) 的稠度系数随温度的变化规律可分别在高、低 2 个剪切速率范围内用 Arrhenius 公式表述。Ro h 的试验表明[ 1 ]  , 质量份额超过 50 %时水煤浆呈现幂率流体特性 ; 随浓度增加 ,稠度系数增加而流变特性指数呈下降趋势 ; Roh 通过不同粗细混合比调节颗粒的平均粒径 , 发现随平均粒径的增大 , 稠度系数减小而流变特性指数增加 ,即水煤浆由拟塑性流体向牛顿流体转变。浙江大学[ 7 ] 采用旋转粘度计和工程管道两种测量方法建立了明确的关联式来描述水煤浆的稠度系数和流变特性指数随温度和浓度的变化规律。

测量工具不同也会对流变特性的测量结果产生影响 ,当测量工具内的浆体流动属于不同的流动性质(压力驱动流动、纯剪切流动) 时尤其显著。在兖州煤水煤浆的流变特性研究中 ,王秋粉等[ 8 ] 也发现了类似的现象 ,2 种方法测得的屈服应力等关键参数相差数倍。

水煤浆的流变特性与煤的理化特性密切相关 ,如煤的内水含量、灰分含量、矿物组分、固定碳与挥发分比例和可溶性无机离子含量等 ,这些特性主要影响到成浆性能。

在水煤浆的流变特性测量中往往存在一种特殊的现象 - 壁面滑移现象。这是由于壁面剪切导致的颗粒迁移效应或静态壁面损耗效应 ,在壁面上形成一层粘度很低、厚度很薄 ( 通常为几个至几十μm) 的具有润滑作用的液体层 ( 滑移层) ,导致浆体与壁面间产生相对运动并使浆体的流动更容易。对存在壁面滑移效应的流变特性测量 ,必须消除壁面滑移的影响 , 去除壁面滑移因素后的流变数据反映的是真实的受力与响应关系 ,也只有通过真实的受力与响应数据才能建立起流变特性与物质结构之间的联系。在具有壁面滑移效应的水煤浆流动特性研究中 ,对真实流变特性的系统研究仅有少量文献[ 9 ] 报道。

在文献[ 9 ] 中 , 作者在壁面滑移机理和影响因素分析的基础上系统地研究了水煤浆的真实流变特性 ,详细考察了表观粘度、屈服应力、极限剪切粘度的变化规律以及流变特性的转变规律 ,并建立了这些规律与浆体内部物质结构之间的对应关系。

2 . 3 流变机理

尽管对水煤浆的流变特性研究已有很多 ,但迄今为止 ,在流变机理方面尚缺乏深入的研究。孟令杰[ 10 ] 提出的煤水混合物流变机理可较好地解释流变特性与物质结构之间的关系 ,其主要内容如下:

(1)  无论在静止状态还是在剪切状态下 ,一部分水分用来浸润煤粉颗粒表面 ,并形成一层被颗粒表面吸附而不能参与流动的薄液体层 ;

(2)  在浆体受到剪切作用后 ,颗粒间原有的空间网状结构遭到破坏并在高剪切速率下形成沿剪切方向的层状颗粒排列 ,即煤粉颗粒排列由随机的排列结构状态向沿剪切方向的层状有序结构状态转变 ,其排列有序程度与施加的剪切应力相关;

(3)  在有序排列的煤粉层中 ,颗粒与颗粒间的水分不参与剪切流动;

(4)  在受到剪切作用并达到稳定状态时 ,剪切变形主要发生在有规律排列的煤粉颗粒层与层之间的水层中 ,而煤粉颗粒层上吸附的水分变形很小。

图 1 给出了受到剪切作用后煤水混合物流变结构的变化过程 ,φsp 、φδ、φip 、φef 分别为颗粒相、颗粒表面吸附的液相、颗粒间隙中的液相以及自由水分的体积份额。由以上假设 ,水煤浆的粘度主要取决于φef 的大小:

可以看出 , 在一定的煤粉浓度下 , 要获得水煤浆的良好流动性能 ,就要设法降低φδ和φip 。应用该流变机理 , 孟令杰等[ 10 ] 不但合理解释了浓度、粒径以及剪切速率等因素对煤水混合物流动特性的影响 ,而且得到了流动性能最佳的粗细颗粒配比。该流变机理能够对水煤浆的粘度特性、剪切稀化特性以及高剪切速率下浆体的牛顿流体特性作出较好的解释。

图 1   煤水混合物的流变结构示意图

对某些浓度较高的水煤浆 , 在高剪切速率下往往表现出剪切增稠特性。目前 ,主要存在 2种流变机理对此作出了较好的解释。一种是Olhero 提出的理论 ,其示意图如图 2 。当浓度较高时 ,颗粒间达到较为密实的堆积 ,颗粒与颗粒之间的相对滑动将会增加颗粒层间距离 , 导致动量在垂直于剪切方向上进行传递 , 使浆体表现出胀流体特性。另一种机理由 Hoff man 提出。他认为 :当高于一定剪切速率时 ,部分颗粒会从原有的颗粒层中分离出来 , 导致了原有的有序流动向无序流动转变 , 并以粘度增加的形式表现出来。

图 2   煤水混合物剪切增稠特性的流变结构示意图

水煤浆的流变特性随浓度的变化呈现复杂多样性 ,有文献尝试采用颗粒间相互作用强度的概念来解释该现象。认为不同浓度下浆体的流动特性主要取决于颗粒间的相互作用强度 ,而颗粒间的相互作用强度主要取决于颗粒间的平均作用距离 ,颗粒间的平均作用距离越小 , 浆体的非牛顿流体特性就越显著。颗粒间平均作用距离计算如下:

式中 :    H  ———表示颗粒间的平均作用距离;

           dp ———表示颗粒平均直径;

           φ、φm  ———分别为固相体积份额和最大填充份额。

之所以采用 H/ dp 指标 ,主要是因为方程式中同时包含最大填充份额和体积份额 ,消除了颗粒大小分布等特性的影响。Acikalin 通过试验给出的流动特性划分如下 : 当 H/ dp  > 0 . 08 时为牛顿流体;当 0 . 035 < H/ dp  < 0 . 08 时为剪切变稀流体;当 H/ dp  < 0 . 035 时 ,浆体表现出胀流体特性。这一结果是否具有通用性尚需更多的试验数据进行验证。

3 结论与建议

(1)  水煤浆流变特性随各种因素的变化规律非常复杂 ,各种影响因素之间存在相互干涉 , 在试验中将各因素的影响区分开来对流变特性和流变机理的深入研究具有十分重要的意义。在工程应用中 ,需要综合考虑多种因素以获得最佳的水煤浆流变特性。

(2)  将压力驱动流动条件下与纯剪切流动条件下的流变特性进行对比研究是今后研究工作的一个重要方向 ,若能够建立起 2 种流动条件下流变数据的联系 ,试验室条件下的纯剪切流动测量结果将可以直接用于水煤浆流动问题的研究 ,如此可大大节省试验成本。

(3)  在流变机理研究方面仍然缺乏深入的研究 ,多数流变理论只能对水煤浆的部分流变特性作出合理的解释 ,水煤浆流变特性的深入研究有待于发展完善的流变机理模型。

参考文献:

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[ 3 ] Gurses A , Ac ky ld z M ,et al . An investigation on effect s ofvarious parameters on viscosities of coal water  mixt ure p repared wit h Erzurum Askale lignite coal [ J ] . Fuel Processing Technology ,2006 ,87 (9) :821 - 827 .  

[ 4 ] Tasi S C , Knell  Everett  W. Visco met ry and rheology of coalwater slurry [J ] . Fuel ,1986 ,65 (4) :566 - 571 .  

[ 5 ] Fedir  W , Siemon  S  R , Creasy  D E. Rheology of  Victorian2 2  2 2brown coal slurries ,1 . raw coal water [J ] . Fuel ,1987 ,66 ( 9) :1299 - 1304 .

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[ 10 ] 孟令杰. 增压流化床煤水混合物输送特性研究[ D ] . 南京:东南大学 ,1996 . 2

Advances  in Researchon Rheological Behaviourof Coal-water Slurries

 DA I Shu lan1  , C H EN Liang yong2  , DA I Shao hui3

(1 . Chemical Indust ry and Ecology Instit ute of Nort h U niversity of China ,  Taiyuan 030051 , China ;

 2 . School of Energy and Environment , Sout heast U niversity , Nanjing 210096 , China ;

 3. Zho ngtian Engineering Co nst ructio n Limited Company , Suqian 223600 , China)

Key  words : coal water slurry ; rheological Behavio ur ; rheology mechanism

Abstract : Rheological behaviors of coal water slurries ( CWS)  have important influenceson these processessuch  as  preparation ,  transport and  atomization  of CWS. In this  paper ,advances in research o n rheolo gical behavio ur of CWS were o utlined wit h t he emp hasis of the overall situation and the latest research findings on rheology of CWS , the research methods , the influencing factors and rheology mechanism. Especially , the advances in research on the influencing factors of rheological behaviour and rheology mechanism were described in detail . The sho rtco mings and p ro blems existing in t he current research were al so pointed o ut and so me f ut ure work was  suggested.