论水煤浆的触变性、稳定性及流变性

全国化工热工设计技术中心站2004年年会论文集
论水煤浆的触变性、稳定性及流变性
中国石油工程设计有限公司东北分公司徐健
[内容摘要] 水煤浆是一种新型液态化全煤基燃料，可以象油一样贮存、输送和雾化燃烧。

它具
有燃烧效率高、NOX及废弃物排放量小、代油燃烧经效益高等特点。

我国是以煤为主的能源生产和消费大国。

从“六五”期间开始开发水煤浆技术，至今在多方面得到应用。

本文从水煤浆的实际应用角度出发，分析水煤浆的应用特性：水煤浆的触变性、稳定性、流变性与表观粘度，以在实际运行有效地控制和利用这些特性，制备出高质量的水煤浆。

[关键词] 水煤浆剪切力屈服应力触变性稳定性流变性
⒈水煤浆的触变性
水煤浆的触变性是指流体在剪切力的作用下的一种结构破坏与恢复原有结构的效应。

描述水煤浆的触变性主要包括触变的最后效果和触变过程。

触变过程是指在一定试验条件下水煤浆胶链结构随时间的破坏和恢复过程，它反映了触变性的时间效应。

触变的最后效果是指在一定试验条件下达到稳定时的最大触变量。

所谓稳定在此实际是指胶链结构破坏与恢复的一种动态平衡，而其宏观表现则为水煤浆剪切应力的固定不变，亦即剪切应力具有不随时间而变化的稳定数值。

水煤浆的触变性在水煤浆的制备过程中具备很大的实用价值：静置时，水和固体煤粉必须使其保持稳定的胶链网络结构，从而长期存放不出现硬沉淀；输送时及采用喷嘴雾化时，受强力剪切使结构破坏，降低水煤浆的粘度，从而减少管路阻力和改善雾化效果。

显然，只有水煤浆的触变性才能满足这两个相互矛盾的需要。

水煤浆的触变性受多种因素的影响和制约，主要有：剪切速率、水煤浆浓度和温度。

剪切速率：实践证明，所施加的剪切速率愈大，水煤浆的最大绝对触变量愈大，这样就使得水煤浆的胶链结构的破坏愈充分，从而大大降低水煤浆的粘度。

为此水煤浆生产中强力搅拌和适当增加水煤浆在管道内的流速，以改善水煤浆的流动性及良好的雾化效果。

水煤浆浓度：根据水煤浆的制备理论，水煤浆的浓度大，在相同剪切速率下，水煤浆
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的初始剪切应力（τ0）及最大绝对触变量（Δτ）愈大，其稳定性愈好。

但是，浓度大其表观粘度亦随之增大，粘度增大则对水煤浆的雾化及燃烧不利。

故水煤浆浓度应有一个最佳范围，这个最佳范围视制浆煤种而异。

一般，最佳浓度范围为67-70％。

温度：水煤浆温度升高后，在相同剪切速率下，τ0和Δτ大大减小，从而只需施加较小的剪切力即可达到降低粘度的目的。

这对水煤浆的雾化十分有利。

不过，τ0和Δτ的减小意
味着稳定性变差，这就是为什么在高温季节易于产生沉淀的原因。

因此，预热水煤浆有可能造成喷嘴堵塞，这在水煤浆应用中应给于注意。

⒉水煤浆的稳定性
水煤浆的稳定性是指水煤浆在运输、贮存和使用过程中保持不沉淀的能力。

衡量水煤浆的稳定性有四种方式：stocks稳定性、协同稳定性、静态稳定性、动态稳定性。

影响四种稳定性的因素主要因素是屈服应力τy。

屈服应力是一种最简单的从量能方面反映水煤浆稳定性的参数。

一般水煤浆的的屈服应力应在5—15N/m2之间。

这样，既保证了水煤浆的稳定性，又不至于因屈服力过大而引起水煤浆的粘度过大使流动性不好，从而造成雾化不良、燃烧状况恶化。

八一水煤浆厂测试水煤浆的屈服应力如下：浓度Cw ％ 65.001 66.17 67.933 69.412 70.741 屈服应力τ
y N/m2 6.40 6.98 8.20 10.37 15.05
⒊水煤浆的流变性与表观粘度
水煤浆是一种具有触变性的非牛顿流体，其流变性可以用Bingham流体模型来描述：τ=τy +μρ×γ式中τy—水煤浆的屈服应力μρ—水煤浆的塑性粘度γ—水煤浆的剪切速率τ—水煤浆的剪切应力
各种不同结构状态下的水煤浆其流动特性是不同的。

它具有不同的屈服应力和塑性粘度。

目前我国应用的水煤浆其屈服应力一般在5-15N/m2之间，塑性粘度在0.02-0.6N·s/m2之间变化。

工程上一般用表观粘度来恒量水煤浆流变性的好坏。

影响水煤浆流变性的因素很多，例如煤种、粉煤平均粒度及其分布、添加剂的种类及加入量、水煤浆的温度及浓度等。

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⒋水煤浆的导热系数与导温系数
水煤浆的导热系数与导温系数如下表：
浓度Cw ％ 68.8 68.9 69.0 69.5
导热系数λW/（m.k） 0.141x10-6 0.143x10-6 0.147x10-6 0.159x10-6
导温系数α m2/s 0.2223 0.2254 0.2317 0.2506
水煤浆的储存：一般情况下，在冬季最低气温不低于-10℃的地区，储存可不采取任何防冻措施。

最低气温在-10—-18℃的地区可采用储罐外加保温层的办法。

最低气温低于-18℃的地区则除保温层外，还需采取加热措施。

此外，为防止水煤浆产生硬沉淀，储罐内应定期搅拌。

⒌水煤浆特性在吉林石化公司动力厂的应用
吉林石化公司动力厂35万吨/年水煤浆车间于2003年10月运行。

水煤浆主要供有机合成厂、炼油厂原燃油锅炉使用。

由于吉林石化水煤浆厂的水煤浆产品主要用于区内动力锅炉，水煤浆的储存期较长，对水煤浆的稳定性要求较高，故在水煤浆的制备过程中，增加适当强度的
剪切作用，可以提高水煤浆的屈服应力，增强水煤浆的触变性，加速水煤浆的熟化，从而改善水煤浆的稳定性。

本设计中，对经球磨机高浓度磨矿后排出的水煤浆，先后经过三次搅拌和调浆，一次高剪切处理。

第一次搅拌的主要目的，是将二次补加的分散剂与水煤浆进行混合和充分接触，以进一步改善浆体的流动性。

第二次是将加入的稳定剂与水煤浆进行混合和充分接触。

第三次是对经过高剪切处理后的煤浆进行熟化和混匀，以保证在进入储浆罐前，水煤浆的流变性达到质量要求和成品浆质量的均一性。

根据以上工艺要求，分别选用和设计了下列搅拌和调浆桶：
（1）第一次搅拌：除渣搅拌缓冲槽与Φ3.0×11m球磨机系列配套，搅拌槽有效容积
12m3，单轴搅拌，搅拌器转速：133rpm，功率：11kW，数量：每系列1台。

（2）第二次搅拌：与Φ3.0×11m球磨机系列配套，选用SJB26Ⅰ型双轴搅拌，在稳
定性处理桶（有效容积26m3）中进行。

搅拌器转速160rpm，功率：18.5kW×2，数量：每系列2台。

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（3）第三次搅拌在熟化罐（有效容积250m3 ）中进行。

搅拌器功率：45kW，搅拌器
转速46-67.7rpm，数量： 2台。

水煤浆的高剪切处理设备采用强化泵，其主要技术参数如下：型号： CQP100型转子转速： 1470rpm 功率： 30kW 处理量： 15t/h 台数： 6台
从近一年的实际运行情况看，水煤浆的触变性、稳定性、流变性与表观粘度是适宜的，满足了水煤浆的储存、管道输送、雾化及燃烧的要求。

[参考文献]
1. 夏德宏王世均水煤浆的应用特性及测试方法 1991.
2. 2. 夏德宏王世均水煤浆厂区管道输送与储备技术 199
3.3.
3. 中国石油工程设计有限公司东北分公司吉林石化公司燃油锅炉改烧水煤浆工程
初步设计。