水煤浆的流变特性研究进展

第41卷第3期2010年5月　锅　炉　技　术BOIL ER TECHNOLO GYVol.41,No.3May.,2010收稿日期:2009209215作者简介:代淑兰(19762),女,汉族,河北省定州市人,讲师,博士,研究方向为复杂流场数值模拟研究。

文章编号:　CN3121508(2010)0520076205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:　O 373 文献标识码:　B0　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 +p γ(2)幂率模型:τ=K γn(3)屈服∃幂率模型:τ=τy +Kγn(4)Casson 模型:τ0.5=τy 0.5+(p γ)0.5(5)第3期代淑兰,等:水煤浆的流变特性研究进展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(10s-1～200s-1)和高剪切速率(5000s-1～30000s-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牛顿流体。

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。

77锅　炉　技　术 第41卷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∃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。

Roh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增加。

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373K)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。

Roh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。