神府煤水煤浆管道输送试验研究

第20卷第5期洁净煤技术Vol 20 No 52014年9月Clean Coal Technology2014神府煤水煤浆管道输送试验研究张胜局13,4,段清兵123,4,何国锋234,刘烨炜123.4,孙海勇123,4(1煤炭科学研究总院节能工程技术研究分院,北京I00013;2.国家水煤浆工程技术研究中心,北京100033煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京10003;4.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室,北京100013)摘要:为获得神府煤水煤浆最佳管道輸送参数,进行了水煤浆流变性试验,确定了水煤浆临界剪切速率。通过水煤浆剪切速率和剪切应力的关系确定神府煤水煤浆流变性模型,拟合岀适于神府煤水煤浆流变性的数学方程。在不同管道査径和水煤浆浓度下,硏究了水煤浆泙均速率对管道压力损失的影响,得到了最佳水煤浆管道输送参数。结釆表明:神府煤水煤浆临界剪切速率为4.74-,水煤浆拟合后的流变方程符合宾汉塑性伓模型,适宜泵送和管道输送。低浓度、低黏度的水煤浆更适合管道输送。在水煤浆平均流速相冋的条件下,管道直径越小,管道压力损失越大。管道直径为200~300mm时,神府煤水煤浆在管道输送中的压力损失在工业应用合理范围内,适宜管道输送。关键词:水煤浆;管道输送;输送特性;流变性;宾汉塑性体模型;压力损失中图分类号:TQ536;TD849文献标志码:A文章编号:1006-6772(204)05-0036-04Pipeline transportation experiments of Shenfu coal water mixtureZHANG Shengju.2.3,, DUAN Qingbing.23,+, HE Guofeng,2,3,4, LIU Yewei23,4, SUN Haiy(1. Energy Conservation and Engineering Technology Research Institute, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. National CWMResearch Institute), Beijing 100013, China; 4.National Energy Technology and Equipment of Cow on(China CoalEngineering and Technology Center, Beying 100013, China; 3. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilizatilization and Emission Control( China Coal Research Institute), Beijing 100013, chinaAbstract: To obtain the optimum Shenfu coal water mixture(CWM) pipeline transportation parameters the CWM rheology test was conducted to determine its critical shear rate. Through the relationship between the shear rate and shear stress of Shenfu CWM determined itsrheology model, fitted the mathematical equation which was suitable for Shenfu CWM. Under different pipe diameters and CWM concentra-tion, investigated the influence of CWM average rate on pipeline pressure loss, obtained the optimum CWM pipeline transportation parame-ers. The results show that the critical shear rate of CWM is 40.74 s", the fitting rheological equation follows the bingham plastic model.Thepipeline is more suitable for low concentration and low viscosity CWM. Keep the average flow velocity of CWM unchanging the smaller thepipe diameter, the bigger the pipeline pressure loss. When the pipe diameter ranges from 200 mm to 300 mm, the pipeline pressure lossmeets the demands of industrial applicationKey words: coal water mixture CWM); pipeline transportation; transportation properties; rheological property; bingham plastic modelpressure loss0引言净煤技术之一的水煤浆技术自20世纪80年代初研发以来,历经30余年的科技攻关与生产实践,煤炭是中国重要的基础能源,在未来相当长生产与应用规模均居世界首位。截至2012年底,时期内以煤炭为主的能源结构难以改变。作为洁全国燃料水煤浆的设计产能突破5000万ta,生产收稿日期:2014062任编辑:白娅娜DO1:0122:1006020凵中国煤化工基金项目:国家科技部科研院所技术开发专项资助项目(2011EG222214)CNMHG引用格式:张胜局,段清兵,何国锋,等神府煤水煤浆管道输送试验研究[J-.洁净煤技术,2014,20(5):3-勿g182@163.com作者简介:张胜局(1982—),男,江西瑞金人,助理研究员,硕士,从事水煤浆工程和ZHANG Shengju, DUAN Qingbing HE Guofeng, et al. Pipeline transportation experiments of Shenfu coal water mixture[ J]. Clean Coal Technology,2014,20(5):36-39张胜局等:神府煤水煤浆管道输送试验研究2014年第5期和使用量达3000万ta,主要用于电站锅炉、工距离管线,中间要设置若干加压泵站。水煤浆的业锅炉和窑炉的代油、代煤燃烧。在气化水煤浆流变特性和管道输送特性比较复杂,需全面掌握领域,含多喷嘴、多元料浆等以水煤浆为进料的气水煤浆管道输送特性和规律,才能为水煤浆管道化炉投产数量近300台,耗浆量达1亿ta以上。工程建设提供技术支持。国内已有不少关于水煤随着大型煤化工项目的开工建设,未来几年水煤浆管道输送参数的研究,但鲜有针对特定煤种研浆气化用煤量将突破2亿υa。随着水煤浆用量的究适宜其管道输送特性的报道。因此,为提高管不断扩大,建设区域型水煤浆生产基地势在必行道输送效率,笔者以东莞水煤浆厂生产的神府煤水煤浆管道输送将成为缓解运力不足的有效手水煤浆为对象,研究了不同管道直径和水煤浆浓段。水煤浆管道输送具有运量大、占地少,不受气度下,水煤浆平均流速对管道压力损失的影响,并候影响、对复杂地形适应性强、密闭输送不污染环确定了最佳管道输送参数,为相关单位开展管道境、长距离输送运费低及可实现全线自动控制等输送硏究提供参考优点,是一种有效的运输方式。20世纪50年代美国建成了第1条俄亥俄煤浆管道,1970年,美国1试验条件第2条输煤管线投产。这2条管道输送煤炭粒径1.1试验原料及设备般在1.5mm以下,浓度在50%左右。20世纪试验原料选取2种不同浓度的神府煤水煤浆,70年代发生石油危机,俄罗斯建成世界上第1条分别命名为DG1013、DG1014。试验设备主要有长距离水煤浆输送管道(长260km、年输送水煤浆NXS-4C型水煤浆黏度仪,J-1型定时电动搅拌器,500万t)12。中国“八五”攻关课题“水煤浆技术HB43型快速水分测定仪,水煤浆管道输送中试装研究”中提出了应加强水煤浆管道运输技术研置。水煤浆管道输送中试装置主要由储浆、管道输究3。水煤浆管道输送系统主要由泵站和管线组送、参数测量和数据采集组成4,具体如图1所示,成,通过加压泵站将水煤浆输送一定距离。对长神府煤煤质分析和水煤浆参数分别见表1、表2。表1神府煤煤质分析业分析/%元素分析/%FCH4)14.46.7610.3336.8856.1267,1010.780.575表2神府煤水煤浆参数水煤浆浓度/%表观黏度/(mPa·s)密度/(g·cm-3)62.13DG101460.5611591.2试验方法1)水煤浆流变性试验。利用定时电动搅拌器剪切神府煤水煤浆现场浆样至无沉淀,取适量水煤浆测定浓度后进行水煤浆流变性试验。2)水煤浆管道输送试验。水煤浆管道输送试l—螺杆泵;2—煤浆过滤器;3一清水桶;4-搅拌桶;5一工作量器;验是在固定管道直径、不同水煤浆流速下测量水煤6—分配器;7—气动换向器;8-温度传感器;9—密度计;10浆输送中的管道压力损失。管道压力损失是管道工电磁流量计;11—压差变送器;12—管道;13—出口母管程设计中设备选型和输送能耗计算的主要依据。管凵中国煤化工道间线长度为8m,在不同管道直径、不同流速下,测量送中试CNMH水煤浆输送中的管道摩阻损失,在对大量试验数据为庾进仃官诅送试验,测定各管道不径向分析的基础上,总结水煤浆摩阻损失的变化规同流速下的清水输送压力损失。清水试验能验证系律,探索管道输送压力损失的计算方法。具体步骤统是否正常运行,为浆体输送试验做好准备。②确372014年第5期洁净媒技术第20卷认试验系统正常,排出系统内清水,向储浆桶中加入s-,利用2段直线进行分段拟合,2条直线交点处即水煤浆,调节泵的转速,改变管道中浆体流速,并进临界剪切速率40.74s。结合剪切速率与剪切行流动参数测量。调定某一流速后需稳定一段时应力的关系,利用 Excel拟合,得到神府煤水煤浆浓间。③试验稳定后,采集管道平均流速、测试段两端度为60.56%时,不同剪切速率下的流变方程为点间压力差和温度等参数。完成一个流速下数据采了=2.0262+2.9286y集后,通过调节泵速完成不同平均流速下的数据水煤浆要求静态时,有较大黏度,防止沉淀;动采集。态时有较低黏度,便于泵送和雾化燃烧,宾汉塑性体2结果与讨论符合此要求。而神府煤水煤浆经过拟合后的流变方程符合宾汉塑性体模型8,因此神府煤水煤浆适合2.1水煤浆流变性试验及模型选择泵送和管道输送2.1.1水煤浆流变性试验2.2水煤浆管道输送试验用定时电动搅拌器将水煤浆搅拌均匀,取适量水煤浆管道输送试验主要研究不同管道直径和水煤浆放入NXS-4C型水煤浆黏度仪,水浴恒温设水煤浆浓度下,水煤浆平均流速对管道压力损失的定在25℃,测得不同浓度水煤浆的流变性5,结果影响。如图2所示。2.2.1管道直径的影响水煤浆管道输送时,压力损失主要来自摩阻损DG1014s120失和部分固体颗粒沉降。试验所用水煤浆粒度较细,可看成均质流,在此忽略部分颗粒沉降的影响[10试验中对水煤浆不同流速下的雷诺数进行监测,得到平均流速下雷诺数为8~200,均小于4000。因此水煤浆在进行管道输送时,一般流速下100均可视为层流。剪切速率/s试验用水煤浆为DG1013和DG1014,试验均在图2剪切速率与剪切应力的关系室温下(20℃左右)进行。水煤浆管道直径分别由图2可知,水煤浆剪切应力随剪切速率的增为100、200、300mm,管道规格见表3。不同管道直大而增加。剪切速率小于40s-时,2种不同浓度水径下,水煤浆流速对管道压力损失的影响如图3煤浆的流变曲线基本重合,剪切速率大于40s时,所示。DG1013的剪切应力大于DGl014。2种水煤浆剪切表3水煤浆输送管道规格参数应力的上升趋势在40s-后均有所减缓,因此确定水煤浆临界剪切速率为30~40s-。试验水煤浆符管道直径/mm相对粗糙度绝对粗糙度/mm合宾汉塑性体流体。0.0722.1.2流变模型的确定0.00060.182不同浓度的神府煤水煤浆流变曲线相近,可找到适于神府煤水煤浆的流变模型6。剪切速率为由图3可知,在温度、水煤浆浓度等一定的条件40s-时,流变曲线变化趋势有所减缓,这与Her下,管道压力损失随水煤浆平均流速的增大而增加。schel- Buckley流体方程中的宾汉塑性体模型非常管道直径越小,压力损失增大趋势越明显。不同浓类似7。度水煤浆在同一直径管道中输送时,压力损失变化Herschel- Buckley模型通用方程为趋势一致。在水煤浆平均流速相同的条件下,管道了=70+ky且中国煤化工。管道直径为100mm式中,r为剪切应力,Pa;T为屈服剪切应力,Pa;K时CNMHG力损失较大,且流速可为稠度系数,Pa/s";γ为剪切速率,s;n为流动调控范围较小,不符合经济节能要求,工业应用意义指数。不大。管道直径为200~300mm时,神府煤水煤浆由图2可知,水煤浆临界剪切速率为30~40在管道输送中的压力损失在工业应用合理范围内张胜局等:神府煤水煤浆管道输送试验研究2014年第5期0000一-直径100mm直径200mm3结论日800直径300m1)根据水煤浆流变性试验确定水煤浆临界剪切速率为30在低剪切速率下,根据剪切速2000率与剪切应力的关系,确定水煤浆临界剪切速率为40.74s-1,并得到符合 Herschel- Buckley模型的神1.21.6府煤水煤浆真实流变方程。平均流速(m:s)2)在温度、浓度等一定的条件下,管道压力损a)DG1013失随水煤浆平均流速的增大而增加。管道直径越6000直径100mm小,压力损失增大趋势越明显。在水煤浆平均流速5000相同的条件下,管道直径越小,管道压力损失越大。4000管道直径为200~300mm时,神府煤水煤浆在管道2000输送中的压力损失在工业应用合理范围内,适宜管1000道输送。3)在管道直径、温度等一定的条件下,管道压平均流速/(m·s-)力损失随水煤浆平均流速的增大而增加。DG1014b)DG1014的管道压力损失小于DGl013,说明浓度和黏度较低图3不同管道直径下水煤浆平均流速的水煤浆更适合管道输送,对管道压力损失的影响参考文献适宜管道输送。2.2.2水煤浆浓度的影响[1]顔淑娟,段清兵,何国锋,等.低挥发分煤制备气化水煤浆的可试验选用水煤浆DG1013和DG1014,浓度分别行性研究[J]洁净煤技术,2013,19(6):55-58.为62.13%和60.56%,表观黏度分别为1311和2]杨俊利,李培芳水煤浆管道输送特性的硏究[C]/水煤浆技术推广应用研讨会论文集昆明:国家水煤浆工程技术研究中159mPa·s。输送管道直径为300mm,研究不同L.2005:56-61水煤浆浓度下,水煤浆平均流速对管道压力损失的[3]顾伯康对我国管道输煤问题的探讨[J].煤炭科学技术,1995影响2,结果如图4所示。23(1):55-58[4]李鹏德士古气化水煤浆管道设计[J].化工设备与管道DG1013DGI0142007,44(5):52-54350[5]吴艳油煤浆表观黏度测定方法硏究[J].洁净煤技术,2014,20(3);61-65[6]赵国华,段钰锋,王秋粉,等水煤浆管道输送数值模拟研究进展[J]南京师范大学学报:工程技术版,2007,7(2):18-23[7]赵国华,陈良勇,段钰锋高浓度水煤浆直管内流动的数值模拟0.10.20.30.40.50.60.7[J].锅炉制造,2007,7(4):28-32平均流速(m·s-)[8]何国锋,段清兵水煤浆新技术研发与实践[M].北京:中国石图4不同水煤浆浓度下水煤浆平均流速对化出版社,2012:7-8[9]王睿坤,刘建忠,胡亚轩,等水煤浆掺混湿污泥对浆体成浆特管道压力损失的影响性的影响[J]煤炭学报,2010,35(S1):61-65.由图4可知,在管道直径、温度等一定的条件101刘猛,陈良勇,段钰锋水煤浆流经局部管件的阻力损失和下,管道压力损失随水煤浆平均流速的增大而增加均配规律[JJ燃烧科学与技术,2009,15(5):445-450.DG1014的管道压力损失小于DG1013,说明浓度和中国煤化工某浆管道输送特性的研究3):4-9黏度较低的水煤浆更适合管道输送。从经济方面考CNMHG道输送的比较分析[J煤炭虑,浓度高的水煤浆更利于实际生产需要,但不利于学报,1996,21(1):79-84管道输送3。因此实际应用中应综合考虑水煤浆[13]张怀远,关于浆体的管道输送[J].油气储运,2000,19(1)浓度和管道输送的情况选择合适的水煤浆。