水煤浆的流变特性研究进展

第41卷第3期锅炉技术Vol 41. No. 32010年5月BOILER TECHNOLOGYlay.,2010文章编号:CN31-1508(2010)05-0076-05水煤浆的流变特性研究进展代淑兰1,陈良勇2,代少辉3(1,中北大学化工与环境学院,山西太原030051;2.东南大学能源与环境学院,江苏南京210096;3.宿迁中天建设工程有限公司,江苏宿迁223600关键词:水煤浆;流变特性;流变机理擴要:总结了水煤浆流变特性的国内外研究进展,对水煤浆的流变学属性、流变特性的研究方法、流变特性的影响因素和流变机理等方面的研究现状和研究成果进行了概述,重点对水煤浆流变特性的影响因素和流变机理的研究进展进行了详细地阐述,指出了目前水煤浆流变特性研究中存在的问题探讨性地提出了今后的研究方向中图分类号:O373文獻标识码:B0前言而引起变化,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水煤浆是由质量份额60%~70%的煤粉、和几乎各种类型的非牛顿流体。由于具有较高30%~40%的水和少量添加剂混合构成的液固的固相含量、相对较小的煤粉颗粒以及添加剂的两相悬浮体系,是一种新型的煤基流体燃料,在加入使煤粉颗粒与水紧密结合形成网状结构,多煤的燃烧和气化等洁净煤技术领域应用广泛。数水煤浆表现出显著的非牛顿流体特性。水煤水煤浆具有和石油相似的流动性和稳定性,可方浆的非牛顿流体特性通常具有如下特点:非单相便地实现储存、管道输送、雾化和燃烧,具有节性,即流变特性要用多个参数来表示;非单值性,能、环保和综合利用煤泥等多种效益,受到各国粘度随剪切应力发生变化;非可逆性,粘度与剪士业界的高度重视切作用的持续时间有关,即表现出一定的触变水煤浆的流变特性主要研究浆体的流动和性(2。多数工业用水煤浆存在屈服应力,在低剪变形,即剪切速率与剪切应力之间的关系,或剪切速率和高剪切速率下均呈现牛顿流体特性,在切速率与表观粘度之间的关系。水煤浆的流变中等剪切速率下呈现剪切稀化特性,只有极少呈特性影响到储存稳定性、输送过程的流动性和雾现胀流性流体特性。化过程的可雾化性及炉内的可燃性等重要工艺描述水煤浆流变特性常用的经验模型有过程,而水煤浆的流变数据是分析和确定浆体牛顿流体:流动规律的基础数据,是输送管道设计和运行参(1)数选择的重要依据宾汉塑性模型:水煤浆的流变学属性及对流变特性的y(2)幂率模型:要求Kr(3)1.1流变学属性屈服一幂率模型:水煤浆属于复杂的多相悬浮体系,施加剪切tky应力产生的速率梯度受到其内部物理结构变化Casson模型:的影响,反过来内部的物理结构又会因剪切作用(5)收稿日期:2009-09-15作者简介:代淑兰(1976-),女汉族河北省定州市人,讲师博士研究方向为复杂流场数值模拟研究第3期代淑兰,等:水煤浆的流变特性研究进展Sisko模型水煤浆流变特性的研究方法可分为2类r=n∞y+Ky)一类是从浆体组成成分的性质和颗粒一颗粒以式中:、r,—分别为剪切应力和屈服应力,Pa;及颗粒一流体的相互作用出发,通过理论分析与粘度,Pa试验相结合的方法建立表征流动特性的数学模n,—刚度系数,Pa·s;型。这类模型包含了反映浆体流动机理的多种7∞高剪切速率对应的极限剪切粘度,因素多表达为相对粘度(浆体粘度与液相粘度之比)与各类影响因素的关联式。这类典型关联K—稠度系数;式,大都以 Einstein方程式为基础扩展到高浓流变特性指数度、非球形颗粒和特定粒径分布的高浓度液固两以上流变模型也称作本构方程,模型中的各相非牛顿流体。由于浆体的复杂性,至今尚无法参数是需要通过试验确定的流变参数,是水煤浆获得广泛适用的关联式,这种方法主要用于浆体固有的物性参数。在流变特性研究中,可根据研的设计和调制。另一种方法则完全基于试验观究目的,对象和剪切速率范围等选择不同的模测数据,采用包含多个参数的数学模型描述水煤型。由于水爆浆流变特性复杂,以上经验模型很浆的宏观流动行为。这类流变模型包含了式(1)难全面反映速率与响应之间特性,应用这类本构(6),这些数学模型中只包含了流动特性的描方程描述水煤浆的流动特性时都会出现一定述,因此无法解释产生这种特性的原因和各种因偏差。素的作用机理。但这类数学模型直观简单,直接在流变特性研究中,往往借用牛顿流体粘度反映受力与响应的关系,而且在多数流动问题研的概念,即表观粘度或剪切粘度来表征水煤浆的究中并不关心浆体的具体内部物质特性,这种描流动性。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述方法在水煤浆流动问题的研究中得到了广泛抗变形的能力,因此,考察剪切粘度的影响因素应用,本文正是对这种方法所涉及的研究进展和和变化规律对水煤浆流动特征的认识和工程应成果进行讨论。用具有十分重要的价值测量方法或测量工具是水煤浆流变特性研1.2工业用水煤浆对流变特性的要求究的另一重要基础。按照浆体的流动性质,可水煤浆从制浆到燃烧或气化要经过储存、管将测量方法分为2类。一类是纯剪切流动条件道输送和雾化过程要求浆体具有良好的稳定下的流变特性测量,测量工具包括双筒体旋转性输送特性和雾化特性。以上3种特性分别由粘度计和平行板粘度计等。这种测量方法精度低剪切速率、中等剪切速率和极高剪切速率下的高易于实验室操作,适合于流变机理和各种影流变特性决定,这就要求水煤浆在粘度、流动性响因素的研究。另一类是压力驱动流动条件下和沉降性能方面达到良好的平衡。工业用水的流变特性测量,测量工具为毛细管粘度计或煤浆理想的流变特性应为:具有较高的浓度,静工程管道。与纯剪切流动测量方法相比,第二止状态下能够保持良好的稳定性即具有一定的种方法可以达到更宽的剪切速率范围尤其是屈服应力在与管道输送过程和雾化过程相对应工程管道测量方法更是直接模拟了实际流动过的中等剪切速率(10s~20-)和高剪切速率程,所得流变数据对工艺过程具有更直接的指(5000-1-~3000s-1)下都应保持较低的粘导意义度。当煤粉含量较高时,水煤浆粘度会随浓度22水煤浆流变特性的影响因素的增加而急剧地增大;当浓度较低时,浆体的流影响水煤浆流变特性的主要因素有:(1)动性增加但稳定性变差燃烧效率或气化过程煤种及煤的理化特性;(2)固相含量;(3)颗粒大中碳转化率相应地降低。因此改善水煤浆流变小及分布;(4)添加剂的种类和用量;(5)浆液的特性的重点应在保证合理粘度的前提下尽量提pH值;(6)温度等。有关这些影响因素的研究已高水煤浆的浓度。有相当多的文献报道,主要集中在试验方面。工2水煤浆流变特性的影响因素和流变机理程应用中也主要从以上几个方面着手综合考虑各种因素以获得最佳的水煤浆流变特性,现结合2.1水煤浆流变特性的研究和测量方法相关文献研究成果进行分析。78第41卷固相含量对水煤浆的流变特性具有最直接粒径变化时引起最大填充份额变化。其中,后者的影响。有试验表明,在较低浓度下水煤浆呈现的影响更为显著,要获得低粘度的水煤浆,煤粉牛顿流体特性;质量分数>50%时,随浓度的增必须具有较大的最大填充份额。均匀分布颗粒加,拟塑性特征迅速增加。Tsai发现{,由幂率制成的浆体通常具有较高的粘度和较低的最大流体特性的溶剂和煤粉制成的浆体在低剪切速填充份额除采用添加剂的方法外,采用合理的率下的拟塑性却随浓度升高而减小。 Fedir对高粒径分布或颗粒级配则是改善水煤浆流动性和水分褐煤的成浆特性研究发现[,随浓度的增加稳定性的最有效和最常用的方法。通过优化粒或煤粉粒径的减小,浆体的非牛顿流体特性增径分布获得了最佳的水煤浆流变特性。特别是加;屈服应力与煤粉含量、煤粉的颗粒大小分布、对成浆性能较差的高水分煤种,通过简单的粗细内孔面积等因素间存在密切的相关性。固相含颗粒配比使浆体的稳定性显著改善,浆体的粘度量对流变特性的影响与最大填充份额密切相关,降低达到5倍左右。这主要是因为粗细颗粒配如 Turian对多种水煤浆的屈服应力~浓度关系比形成了合理的排列结构,提高了颗粒的流动性研究显示2,当固相体积份额与最大填充份额之能。颗粒形状对流变特性也具有显著的影响,一比(φ/φm)在0.85~0.90范围内,屈服应力急剧般地颗粒偏离球形的程度越大,水煤浆的粘度增加,并在φ/φ=0.90~0.95时趋向无穷大;另越大,非牛顿流体特性也越显著外,对具有牛顿流体特性的水煤浆粘度测量表许多学者对水煤浆流变参数的变化规律进明相对粘度与(1-q/pm)呈反比关系。一般行了分析。 Gurses:发现所试验水煤浆(幂率流地,水煤浆的粘度随浓度增加而增加,并在固相体)的稠度系数随温度的变化规律可分别在高、体积份额达到40%以上时开始表现出非牛顿流低2个剪切速率范围内用 Arrhenius公式表述。体特性。工业用水煤浆的煤粉含量非常接近可Roh的试验表明口,质量份额超过50%时水煤达到的浓度上限,即使是浓度的微小增加也会对浆呈现幂率流体特性;随浓度增加,稠度系数增流变特性产生显著影响。因此,对给定的煤粉加而流变特性指数呈下降趋势;Roh通过不同水两相系统,煤粉含量应控制在粘度急剧增加的粗细混合比调节颗粒的平均粒径,发现随平均浓度范围以下。粒径的增大,稠度系数减小而流变特性指数增一般地,升高温度有利于提高水煤浆的流动加,即水煤浆由拟塑性流体向牛顿流体转变。性。Roh的试验结果表明,升高温度在降低粘浙江大学采用旋转粘度计和工程管道两种测度的同时也使浆体的非牛顿流体特性弱化。温量方法建立了明确的关联式来描述水煤浆的稠度的影响还与温度所在范围有关。 Sandra的研度系数和流变特性指数随温度和浓度的变化究表明,温度低于100℃时,水煤浆粘度随温规律。度升高而降低,在温度高于100℃时则呈相反趋测量工具不同也会对流变特性的测量结果势。Tsa观察到了类似的现象,2种试验浆体产生影响,当测量工具内的浆体流动属于不同的的转折温度发生在50℃和70℃左右,在转折温流动性质(压力驱动流动纯剪切流动)时尤其显度以上拟塑性特性随温度升髙而增加。著。在兖州煤水煤浆的流变特性研究中,王秋粉Gurses发现温度的影响与剪切速率有关,低剪等也发现了类似的现象,2种方法测得的屈服切速率下升高温度会增加颗粒间的碰撞机率,从应力等关键参数相差数倍而使颗粒聚并趋势增加,最终导致浆体的粘度升水煤浆的流变特性与煤的理化特性密切相高。在高温条件下(如高于373K)测量了水煤浆关,如煤的内水含量、灰分含量、矿物组分、固定的流变特性,由于煤粉颗粒发生分解和化学反应碳与挥发分比例和可溶性无机离子含量等,这些引起了浆体内部物质结构的显著变化,导致浆体特性主要影响到成浆性能。的流变特性随温度的变化规律比常规条件下更在水煤浆的流变特性测量中往往存在一种加复杂特殊的现象一壁面滑移现象。这是由于壁面剪颗粒大小对液一固浆体流动性能的影响有2切导致的颗粒迁移效应或静态壁面损耗效应,在种根本途径:(1)浆体流动过程中,一定颗粒粒径壁面上形成一层粘度很低、厚度很薄(通常为几差异对颗粒层间的相对运动产生影响;(2)颗粒个至几十pm)的具有润滑作用的液体层(滑移第3期代淑兰,等:水煤浆的流变特性研究进展层),导致浆体与壁面间产生相对运动并使浆体度、粒径以及剪切速率等因素对煤水混合物流动的流动更容易。对存在壁面滑移效应的流变特特性的影响,而且得到了流动性能最佳的粗细颗性测量,必须消除壁面滑移的影响,去除壁面滑粒配比。该流变机理能够对水煤浆的粘度特性、移因素后的流变数据反映的是真实的受力与响剪切稀化特性以及高剪切速率下浆体的牛顿流应关系,也只有通过真实的受力与响应数据才能体特性作出较好的解释。建立起流变特性与物质结构之间的联系。在具有壁面滑移效应的水煤浆流动特性研究中,对真实流变特性的系统研究仅有少量文献[9]报道。在文献[9]中,作者在壁面滑移机理和影响因素分析的基础上系统地研究了水煤浆的真实流变特性,详细考察了表观粘度、屈服应力、极限剪切粘度的变化规律以及流变特性的转变规律,并建图1煤水混合物的流变结构示意图立了这些规律与浆体内部物质结构之间的对应对某些浓度较高的水煤浆,在高剪切速率关系。下往往表现出剪切增稠特性。目前,主要存在22.3流变机理种流变机理对此作出了较好的解释。一种是尽管对水煤浆的流变特性研究已有很多,但 Other提出的理论,其示意图如图2。当浓度较迄今为止,在流变机理方面尚缺乏深入的研究。高时,颗粒间达到较为密实的堆积颗粒与颗粒孟令杰0提出的煤水混合物流变机理可较好地之间的相对滑动将会增加颗粒层间距离导致解释流变特性与物质结构之间的关系,其主要内动量在垂直于剪切方向上进行传递使浆体表容如下:现出胀流体特性。另一种机理由 Hoffman提(1)无论在静止状态还是在剪切状态下,一出。他认为:当高于一定剪切速率时,部分颗粒部分水分用来浸润煤粉颗粒表面并形成一层被会从原有的颗粒层中分离出来,导致了原有的颗粒表面吸附而不能参与流动的薄液体层;有序流动向无序流动转变,并以粘度增加的形(2)在浆体受到剪切作用后颗粒间原有的式表现出来空间网状结构遭到破坏并在高剪切速率下形成沿剪切方向的层状颗粒排列,即煤粉颗粒排列由随机的排列结构状态向沿剪切方向的层状有序结构状态转变,其排列有序程度与施加的剪切应力相关;(3)在有序排列的煤粉层中颗粒与颗粒间图2煤水混合物剪切增稠特性的流变结构示意图的水分不参与剪切流动;(4)在受到剪切作用并达到稳定状态时,剪水煤浆的流变特性随浓度的变化呈现复杂切变形主要发生在有规律排列的煤粉颗粒层与多样性,有文献尝试采用颗粒间相互作用强度的层之间的水层中,而煤粉颗粒层上吸附的水分变概念来解释该现象。认为不同浓度下浆体的流形很小。动特性主要取决于颗粒间的相互作用强度,而颗图1给出了受到剪切作用后煤水混合物流粒间的相互作用强度主要取决于颗粒间的平均变结构的变化过程,p甲99n、9分别为颗粒相、作用距离颗粒间的平均作用距离越小浆体的颗粒表面吸附的液相颗粒间隙中的液相以及自非牛顿流体特性就越显著。颗粒间平均作用距由水分的体积份额。由以上假设,水煤浆的粘度离计算如下:主要取决于g的大小H/d,=(pm/p)13-1(8)7)式中:H—表示颗粒间的平均作用距离;可以看出,在一定的煤粉浓度下,要获得水d—表示颗粒平均直径;煤浆的良好流动性能就要设法降低g和p。应9、qm—分别为固相体积份额和最大填充用该流变机理,孟令杰等10不但合理解释了浓份额。80锅炉技术第41卷之所以采用Hd指标,主要是因为方程式待于发展完善的流变机理模型。中同时包含最大填充份额和体积份额,消除了颗粒大小分布等特性的影响。 Alkalin通过试验给參考文献:出的流动特性划分如下:当H/d>0.08时为牛[l] Roh Ns, Shin d H. Kim D C. et al.. Rheological behaviour of顿流体;当0.035