(冶金行业)水煤浆流变性描述公式和解释

（冶金行业）水煤浆流变性描述公式和解释
水煤浆流变性描述公式和解释
水煤浆是固液俩相的非牛顿流体.其流变性十分复杂，影响因素也较多，对水煤浆输送和燃烧起决定性作用.水煤浆是由煤粉，水和少量添加剂混合加工制成的稳定流体．影响水煤浆成浆和流变特性的因素很多。

在壹定范围内程度不同地改变这些属性，能够提高输送以及使用的效率和安全性。

描述水煤浆流变特性——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。

从目前的研究见,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和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,粘度和剪切作用的持续时间有关,即表现出壹定的触变性。

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。

常用描述水煤浆流变特性常用的经验模型公式有:
牛顿流体:
τ=μγ
宾汉塑性模型:
τ=τy+hpγ
幂率模型:
τ=Kγn
屈服-幂率模型:
τ=τy+Kγn
Casson模型:
τ0.5=τy0.5+(hpγ)0.5
Sisko模型
τ=h∞g+Kγn
EL模型
-τy=γ/(A+Bτα-1)
式中:τ、τy———分别为剪切应力和屈服应力,Pa;
μ———粘度,Pa·s;
hp———刚度系数,Pa·s;
h∞———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。

之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,之上经验模型很难全面反映速率和响应之间特性,应用这类本构方程描述水煤浆的流动特性时都会出现壹定偏差。

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。

试验仍表明，水煤浆的表观粘度及剪切应力和剪切速率有关。

水煤浆浓度在35%左右时，它们之间的关系仍呈线性。

当水煤浆浓度进壹步提高，就会出现剪切速率增加，其表观粘度的降低及剪切应力的增加趋势将愈益显著，且开始偏离线性关系。

直至水煤浆浓度》50%时，其相互关系已明显地偏离线性，同时，随剪切速率的上、下行变化其剪切应力或表观粘度出现上、下行的差异，且呈现壹定的屈服应力，只是煤种不同其变化程度有所不同。

随着水煤浆浓度的再提高，其剪切应力或表观粘度的上、下行差异增大，且表观粘度随剪切速率增加而降低的趋势愈趋明显。

试验结果如图2、4所示。

试验表明，壹般水煤浆浓度达到50%时，已明显地偏离牛顿流体。

随着水煤浆浓度的进壹步提高，煤粒之间的液体减少，从而增强了粒子间相互作用的力，形成更多的粘滞性大的凝聚结构团，致使水煤浆的结构粘度增大，触变特性增强，同时仍出现了屈服应力。

可见，浓度超过50%的水煤浆已属具有触变特性及壹定屈服应力的非牛顿型流体。

非牛顿型拟塑性流体的剪切应力关联式中较有代表性的方程式应是指数律方程:
T=K(dw/dr)^a
式中:k为均匀系数，k值愈大表明流体的粘度愈高;
n为流变特性系数，表示偏离牛顿型流体的程度。

对不同水煤浆的实验数据进行回归处理，可求得上述被研究的各种水煤浆流变特性的重要参数n和k，而且它的相关系数达0.99之上，说明实验结果能和指数律方程很好地吻合，所得n值均小于1。

n<1是拟塑性流体的特征，更进壹步证昵水煤浆浓度》50%时，确属非牛顿型和拟塑性流体。

关于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。

之上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。

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,即具有壹定的屈服应力;在和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。

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。

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)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pH值;(6)温度等。

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;屈服应力和煤粉含量、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和最大填充份额密切相关,多种水煤浆的屈服应力~浓度关系研究显示：固相体积份额和最大填充份额之比(φ/φm)在0.85~0.90范围内,屈服应力急剧增加,且在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,相对粘度和(1?φ/φm)呈反比关系。

壹般地,水煤浆的粘度随浓度增加而增加,且在固相体积份额达到40%之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-水俩相系统,煤粉含量应控制在粘度急剧增加的浓度范围以下。

壹般地,升高温度有利于提高水煤浆的流动性：
试验表明,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。

温度的影响仍和温度所在范围有关。

温度低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。

2种试验浆体的转折温度发生在50℃和70℃左右,在转折温度之上拟塑性特性随温度升高而增加。

温度的影响和剪切速率有关,低剪切速率下升高温度会增加颗粒间的碰撞机率,从而使颗粒聚且趋势增加,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,壹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,壹般地,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。

综上所述，欲制取高浓度水煤浆必须重视粒度分布问题。

考虑到水煤浆的流动性、稳定性以及制粉的动力消耗和煤浆的用途等因素，可见采用d粗/d细=7~11，粗、细粒重量含量比在4/6~6/4范围内属双模粒度分布的煤粉，更有利于配制成高浓度的水煤浆。

分散系数的影响
目前，表达粒度分布的方程式很多，其中较为广泛应用的是ROSIN粒度分布式
式中:Rd是孔径为d(件m)筛网上残留量，
d是筛网的孔径(件m);
1/d。

是说明粉体细度的系数;
m是表明粒度分布宽度的系数，通常称为分散系数，其值愈大表明粒度分布范围愈窄。

流变机理和公式的解释
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。

下面引用的是孟令杰.增压流化床煤水混合物输送特性研究。

孟令杰提出的煤水混合物流变机理可较好地解释流变特性和物质结构之间的关系,其主要内容如下:
(1)无论在静止状态仍是在剪切状态下,壹部分水分用来浸润煤粉颗粒表面,且形成壹层被颗粒表面吸附而不能参和流动的薄液体层;
(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且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,其排列有序程度和施加的剪切应力相关;
(3)在有序排列的煤粉层中,颗粒和颗粒间的水分不参和剪切流动;(4)在受到剪切作用且达到稳定状态时,剪切变形主要发生在有规律排列的煤粉颗粒层和层之间的水层中,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。

由之上假设,水煤浆的粘度主要取决于φef的大小:
φe f=1-φδ-φs p-φi p
能够见出,在壹定的煤粉浓度下,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,孟令杰等等理论合理解释了浓度、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种变机理对此作出了较好的解释。

另外壹种理论其示意图如图2。

当浓度较高时,颗粒间达到较为密实的堆积,颗粒和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。

仍有壹种机理就是:当高于壹定剪切速率时,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,且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:
H/dp=(φm/φ)1/3-1(8)
式中:H———表示颗粒间的平均作用距离;
dp———表示颗粒平均直径;
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。

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。

总结：
水煤浆的流变特性和其粘度和煤浆质量分数、添加剂类型、用量等因素有密切的关系.研究添加剂和煤浆之间的匹配关系是今后制浆的主要任务之壹。

同时，分析影响煤浆粘度的诸因素及其相互制约的关系，必须综合考虑煤浆的稳定性、流动性等各种因素综合考虑。

才能制造出质量更加优良以及便于运输的水煤浆。

参考文献
陈良勇,段钰锋,刘猛,等.《煤浆真实流变特性研究》动力工程,2008,2
孟令杰.《压流化床煤水混合物输送特性研究》南京:东南大学,1996.
王秋粉.《浓度水煤浆的流变特性和滑移特性试验研究》南京:东南大学,2007 《水煤浆的流变特性及其影响因素》1986年第3期煤炭化工设计总第36期。