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

摘要：我国煤炭资源丰富,油气匮乏,煤炭在能源结构中仍占主导地位。而开发水煤浆技术是煤能源技术的一个重要分支。而这些技术又直接取决于水煤浆的流变性。

关键字：水煤浆、流变性、原理

一、何谓水煤浆

水煤浆是由质量份额60～7O%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，受到各国土业界的高度重视。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口，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。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。

二、水煤浆的优点与应用

（一）优点：

（1）通过洗选煤可降灰30－40％；

（2）通过洗选煤可降硫30％；

（3）燃烧温度低150度左右可降NOx排放30－40％

（4）可以象油一样运输

（5）燃油锅炉可以很少改动进行燃油

（6）可以方便地作为气化燃料

（二）应用

（1）直接替代燃煤、燃油作为工业锅炉或电站锅炉的直接燃料 约2t水煤浆可以替代1t燃油；

（2）水煤浆还是理想的气化原料，产生的煤气可以用于煤化工或用于联合循环发电；

（3）对于特制的精细水煤浆，还可以作为燃气轮机的燃料使用水煤浆的特点

三、水煤浆的流变性

由于添加剂的加入改变了煤表面的物化性质, 使得煤粉和水紧密结合, 形

成网状结构, 成为均一体, 表现为非牛顿流体的性质。但水煤浆不同于一般的非牛顿型流体, 其显著特点是黏度高且黏度与其浓度、温度和添加剂量有关。水煤浆的流变性十分复杂，影响因素也较多，也直接影响水煤浆的输送、雾化质量、着火、稳燃及燃烧效率, 因此研究其流变特性是开发利用水煤浆的重点。水煤浆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。流变性简单描述如下：

（1）流变性用于描述非均质流体的流动特性；

（2）它影响水煤浆储存的稳定性、输运的流动性、雾化及燃烧效果的重要因素；（3）用剪切应力-切变率关系来表示；

（4）常用参数为黏度，具有较高的表观黏度和较为稳定的剪切应力；

（5）表现为非牛顿流体：假塑性流体、胀流型流体、宾汉姆流体、屈服假塑性流体。

前面说过描述流变性能的变量是剪切应力和剪切速率。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

假塑性流体（幂率方程）:

τ=Kγn

假塑性流体（Sisko方程）：

τ=aγ+bγc

胀流型流体

τ=Kγn-1

宾汉姆流体:

τ=τy+μBγ

屈服假塑性流体:

τ=τy+Kγn

式中:τ、τy———分别为剪切应力和屈服应力,Pa;

μ———动力粘度,Pa·s;;

μB———Bingham粘度

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。

四、水煤浆与浓度、剪切速率的关系

多人的试验还表明，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1、2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。