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

水煤浆是固液两相的非牛顿流体.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。在一定围程度不同地改变这些属性，可以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部物理结构变化的影响,反过来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。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。

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。

试验还表明，水煤浆的表观粘度及剪切应力与剪切速率有关。水煤浆浓度在35%左右时，它们之间的关系仍呈线性。当水煤浆浓度进一步提高，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，并开始偏离线性

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，并呈现一定的屈服应力，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，一般水煤浆浓度达到50%时，已明显地偏离牛顿流体。随着水煤浆浓度的进一步提高，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，同时还出现了屈服应力。可见，浓度超过50%的水煤浆已属具有触变特性及一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以上，说明实验结果能与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，更进一步证昵水煤浆浓度》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。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。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。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;屈服应力与煤粉含量、煤粉的颗粒大小分布、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,多种水煤浆的屈服应力~浓度关系研究显示：固相体积份额与最大填充份额之比(φ/φm)在