高浓度水煤浆流变特性和稳定性试验研究

第23卷第2期热能力工程Vol 23, N2008年3月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERhar.,2008文章编号:1001-2060(2008)0-001-05高浓皮水煤浆流变特性和稳定性试验硏究赵国华,段钰锋,徐峰,王秋粉(东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,江苏南京21009%6)摘要:水煤浆是由液两相组成的非牛顿流体流变性和性较好的兖州煤水煤浆,浓度分别为62.2%、64.6%稳定性十分复杂,影响因素也很多,其流变特性和稳定特性和667%进行试验研究。添加剂采用外购添加剂,对管道输送和燃烧性能起着决定性的作用。借助于水媒浆煤浆采用大同煤粉自行配置成浆,分别配置了浓度粘度计对质量浓度为60%以上的水煤浆进行流变性测量为602%含有添加剂和不含添加剂的浆体进行实研究了温度、浓度和添加剂对煤浆流变性的影响,水煤浆的验。流变性实验采用国产NXS-4C型旋转粘度计、表观粘度随温度的升高而降低,随浓度增加而增大,添加剂的加入大大改善水煤浆的流变特性。通过对水煤浆稳定HS-4型恒温浴槽和烘箱等设备进行测量。的研究,得出了水煤浆的稳定性随浓度增加而增加,与煤种研究水煤浆的稳定性及影响因素,采用200ml有关,适量的添加剂能改善德定性,穗定性随温度升高而降的广口瓶测定水煤浆的析水率。将待测的一定浓度低。从榆遂水煤浆慈体經济角度看,水煤浆的输送温度在样品置于广口瓶中将水煤浆静置一定时间后煤浆20~40℃为宜中煤颗粒的沉降,水煤浆分成两部分,用玻璃管吸出关键词:水煤浆;流变性;稳定性;影响因素瓶中表面的水,并用标准量筒(20ml)测定其体积。随静置时间的不同,可测出析水率随时间的变化关中图分类号:TQ534.4文献标识码:A系。静置时间分别为:4、8、12、24、36、48、60和72h引言配制不同质量浓度的大同煤水煤浆进行实验,研究浓度对稳定性的影响,采用大同煤和神华煤研究煤我国煤炭资源丰富油气匮乏煤炭在能源结构种对稳定性的影响通过加入和不加入添加剂研究中仍占主导地位。发展洁净煤技术,提高我国煤炭稳定性的影响在温度分别为17、40、52℃下进行实利用率减少煤炭燃烧带来的环境污染,需要大力发验,研究温度对稳定性的影响展大规模煤气化技术。开发水煤浆气化技术是煤气化技术的一个重要分支。发展该技术的目标是达到2高浓度水煤浆流变特性的研究更高的日处理能力和碳转化率,这就决定了所使用的水煤浆要具有较好的可泵性和燃烧特性,而这些2.1煤浆表观粘度与温度关系特性又直接取决于水煤浆的流变性和稳定性-21表观粘度是在剪切速率一定情况下(通常是因此开展高浓度水煤浆流变特性和稳定性的基础100时)测出来的粘度。对浓度为622%、64.6%研究具有重要的理论意义和实用价值。影响水煤浆和66.7%煤浆,测量其不同温度下的表观粘度,数流变性和稳定性的因素很多,本文主要分析温度、浓据如表1所示。文献[3]对牛顿流体的粘度研究表度及添加剂对高浓度水煤浆流变性的影响和浓度、明,其粘度随温度的升高而降低,且近似的服从Ar煤种、添加剂及温度对水煤浆稳定性的影响。rhenius关系式:u=Aexp(-B/T)试验方法及试验物料式中:T—绝对温度;A和B-流体常数。把这个公式应用到具有非牛顿流体性研究温度、浓度和添加剂对水煤浆粘度的影响质的中国煤化工虑浓度的影响关规律,在5~65℃的温度范围内进行实验,选择稳定系可CNMHG度通用经验关系收稿日期:2007-04-13;修订日期:200-05-21基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)基金资助项目(200CB21701)作者简介:赵国华(1983-),男江苏如奉人,东南大学硕士研究生202热能动力工程2008年式极性和非极性被增溶物的增溶作用增强,原因是温p=(-0.006+0.01gC)gep[(2707-9度升高,离子型表面活性剂的临界胶束浓度变大,形84g C)/T]成更多的胶束,这样降低了水煤浆的表观粘度。式中:μ-表观粘度;C一煤浆质量浓度;T—煤浆温图1中显示3个浓度下水煤浆的表观粘度均随度。温度的升高而降低,且浓度越高,即固相分率越大测得结果显示,水煤浆的表观粘度随温度的升温度对悬浮液的表观粘度影响越明显。这是由于固高而降低,当温度升高到50℃左右时,表观粘度随体粒子和分散介质的热膨胀情况不同,从而使固相温度的变化的幅度减小,如图1所示。工业应用过分率/最大固相分率改变的缘故。固体相分率是实程中,可适当提高浆体的温度降低高浓度水煤浆的际悬浮液中固体占的体积份额,最大固相分率是理表观粘度,以达到安全输送、良好雾化和高效率燃烧论堆积可以达到的最大体积份额。固相分率/最大的效果。固相分率增大,煤浆的浓度增加,从而使相对粘度增表1常温下煤浆表观粘度与温度关系大浓度/%2.2煤浆表观粘度与浓度关系温度/℃水煤浆浓度是指水煤浆物系中的含固量,即煤928.75浆中的煤与煤浆重量之比。较低的水煤浆浓度,将会使进入气化炉中的水分增加,为了维持炉温,势必261.25762,75445,5增加氧气的消耗;煤浆浓度高有利于提高生产率和转化率但浓度增加时,粘度也会相应增加,输送的阻力会增加,一般当煤粉浓度超过50%时其粘度猛增剪切速度:100125.5285.6温度:15℃323,75浓度6460%▲浓度666%浓度/%图2煤浆表观粘度与质量浓度的关系另外,研究表明,当煤中水分含量在1%~30%温度/℃时,每1%的含水量大约要降低0.1%的热值,所以图1煤浆表观粘度与温度关系应该合理地配制水煤浆,使其浓度增加的基础上尽可能降低其表观粘度。温度的升高,分子间的距离增大,分子间的相互对3个不同浓度的兖州煤水煤浆进行表观粘度作用变弱。由于表面张力是分子间的作用力引起测量随着煤浆浓度的增加,表观粘度基本呈线性增的,所以分子间作用力的减弱导致表面张力的变小加,如图2所示。主要原因是浓度升高,浆体间的空表面张力减小,水煤浆的表观粘度降低。其次温度隙中国煤化工动不仅要克服流体对水煤浆中的添加剂活性的影响。离子型的表面活与颗CNMH克服粒子间强烈性剂,它在水溶液中都有一个溶解度,一般的表面活的相互作用,从而导致流体阻力的增加。性剂在低温时溶解度较小,当溶液的温度升高时,表23煤浆表观粘度与添加剂的关系面活性剂的溶解度增加,并且离子型表面活性剂对水煤浆中常用的添加剂有两种,一种是分散剂第2期赵国华,等:高浓度水煤浆流变特性和稳定性试验研究203种是稳定剂,其中分散剂属于种类繁多的表面活工程上使用的水煤浆浓度通常在60%以上,水性剂中的一类。分散剂的结构特征和作用状态的差煤浆的粘度对浓度变化很敏感,尤其是接近最堆别对复合煤粒间的相互作用产生明显的影响,分散积密度时粘度及屈服应力急剧增加,从而使煤浆稳剂的加入可以提高煤表面的亲水性,电动势性质及定性变好。表面积等状态,使水分子吸附在煤粒的表面,在煤粒采用大同煤种制备的3个浓度的水煤浆,在室周围形成一层水化膜将煤粒隔开,减小了煤粒间的温(17℃)下进行稳定性实验测试,沉淀时间为48、阻力,改善了水煤浆的流动特性,达到降低其表观粘12、24、3648、60和72h分别测试,结果如图4所示。度的作用。稳定剂主要是天然和人工合成的高分子水煤浆的稳定性随水煤浆浓度的增加而增强,浓度聚合物,其作用是保证水煤浆存储和输运过程中性越低稳定性越差。由于水煤浆中的固体含量增加态均匀。时煤粉颗粒间的相互作用力增强,空隙的减少降低单纯的煤和水是很难配制出浓度高且稳定性强了煤颗粒的沉降速度,提高了水煤浆的稳定性。因的水煤浆。因为煤炭的主体为有机质,是结构十分此,水煤浆浓度越高,其稳定性越好5。复杂的大分子碳氢化合物。这些有机质的表面具有强烈的疏水性,不易为水所润湿,细煤粉又具有很大的比表面积,在水中很容易自发地彼此聚结,这就使煤粒与水不能密切结合成为一种浆体,在较高浓度时只会形成一种湿的泥团。因此,配制水煤浆时必须加入少量的化学添加剂,以改变煤粒的表面性质大同煤623%使煤粒表面紧紧地被添加剂分子和水化膜包围,让一大同煤64%煤粒均匀地分散在水中,防止煤粒聚结,提高水煤浆的流动性。图3为两种自配相同浓度的大同煤浆(有添加时间/h剂无添加剂)的流变特性曲线。图中显示,剪切速图4不同浓度的大同煤浆析水率关系图率变大时,水煤浆的表观粘度都变小,与添加剂存在无关。添加剂的加入可以明显降低在相同剪切速度·3.2煤种对水煤浆稳定性影响下浆体的粘度。因为添加剂的加入提高了煤表面的由于煤的物理化学性质对水煤浆的影响很大,亲水性,在煤粒周围形成一层水膜,将煤粒隔开,减所以不同煤种配制的水煤浆其稳定特性也有所不少了煤粒间的阻力,改善了煤浆的流变性,达到降低同。实验证明,煤的亲水性是煤中氧碳比的函数当粘度的作用。氧碳比增加时,羟基和羧基等官能团氧在煤表面上200增多,从而使煤的亲水性增加。一般认为氧碳比较大同煤62高,其表面活性高,吸附能力强。无添加剂另外煤中的无机矿物质对水煤浆的稳定性也有影响。煤中的矿物质主要通过影响煤表面的亲水性、电化学性质或通过与制浆用分散剂的相互作用来影响浆体的稳定性。研究表明,煤中的矿物质可以吸收水分,从而大大降低了浆体中作为流动介质的水分,同时煤中的高价金属粒子溶出后能吸附在剪切速度/g煤表面而使煤亲水性增强,被吸附的水分子在固体颗粒表面定向排列减少了浆体中自由水的含量,并图3各个剪切速率下煤浆格度与添加剂的关系且由V中国煤化工古滞性,导致浆体结构3水煤浆稳定性研究CNMHG用大同和神华两个煤种配制的相同浓度3.1浓度对水煤浆稳定性的影响(623%)的煤浆在室温(17℃)下进行实验,其析水率对比曲线如图5所示。大同煤浆的析水率大于神·204·热能动力工程2008年华煤浆,其原因可能为大同煤粉与神华煤粉的粒度的绝对值增大,增加了煤粒之间的静电排斥力,使静分布不同、O/C比、HC比等成分不同,导致大同煤态稳定性增加。浆的析水率大于神华煤浆。因此,神华煤水煤浆的3.4温度对水煤浆稳定性影响稳定性比大同煤的稳定性好。3%17℃623%52℃大同煤623%神华煤623%间/h时间/h图7温度对稳定性的影响图5不同煤种的析水率对比图采用大同煤配制的浓度为62.3%的煤浆分别3.3添加剂对水煤浆稳定性影响水煤浆制备过程中添加剂的主要作用在于改在室温1740和52℃下静置72h,其中40,52℃时变煤粒的表面性质,促使颗粒在水中分散,使浆体具如图7所示。原因是温度升高使煤浆中紧密排列的有良好的流变性和稳定性,此外,还将借助添加剂调煤颗粒间拉力减小,造成水煤浆粘度降低,颗粒与流节煤浆的酸碱度消除有害因素6。它们主要作用是体间的流动阻力减小,煤颗粒沉淀加快,从而降低了改变煤表面的亲水性,降低煤水表面张力使煤粒充煤浆的稳定性。分润湿和均匀分散在少量水中,复合煤粒能够通过表面分散剂之间的相互作用形成三维网络结构,有效阻止重力沉降导致的煤粒间的深度聚结,使煤颗结论粒稳定悬浮在水中,不发生硬沉淀,形成的浆体具有对质量浓度为60%以上的兖州煤和大同煤的很好的静态稳定性。流变特性和稳定特性进行研究,得出如下结论(1)水煤浆的表观粘度随温度的升高而降低,但是当剪切速率的增加或温度升高到50℃以后,表观粘度的变化幅度减小,粘温近似服从 Arrhenius关系式。因此实际应用过程中,可以通过适当增强搅拌,提高管道流速和温度的方法降低浆体的粘度以→大同煤623%(无添加剂)改善水煤浆的流动性和雾化效果。(2)浓度增加,表观粘度增加,温度对水煤浆的表观粘度影响也越明显,添加剂的加入可大大改善时间/h水煤浆的流变特性。(3)水煤浆的稳定性随煤浆浓度增加而增加,图6有无添加剂对稳定性的影响适量的添加剂能大大改善水煤浆的稳定性。(4)为了满足降低浆体粘度又要使煤浆稳定而由图6显示,添加剂的加入大大减小了浆体的不中国煤化工有的浓度要求从析水率改善了浆体的稳定性。这是因为当爆粒吸实验附分散剂后使其本身硫水性较强的表面改为亲水种输质重度万CNMHG虑,对于特定的煤6%适量的添加剂,温性并形成具有一定厚度水化膜的荷电粒子称之为度在20-40℃之间为宜。复合煤粒”。随添加剂的加入,相应煤表面电动势第2期赵国华,等:高浓度水煤浆流变特性和稳定性试验研究[4]希利科.温度对水煤浆的流变性质及对用腐植酸盐使其增塑参考文献:的影啊[刀刘加龙,译腐植酸,2004(5):42-47[]夏鲲鹏陈汗平,王贤华,等.气流床煤气化技术的现状及发展[5] TURIAN R M, MA T W, HSU F L G. 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