水煤漿的流變特性研究進展

關鍵詞 :   水煤漿 ;  流變特性;  流變機理

摘 要 :   總結了水煤漿流變特性的國內外研究進展 ,對水煤漿的流變學屬性、流變特性的研究方法、流變特性的影響因素和流變機理等方面的研究現狀和研究成果進行了概述 ,重點對水煤漿流變特性的影響因素和流變機理的研究進展進行了詳細地闡述 ,指出了目前水煤漿流變特性研究中存在的問題 ,探討性地提出了今后的研究方向。

0 前 言

水煤漿是由質量份額 60 %～70 %的煤粉、30 %～40 %的水和少量添加劑混合構成的液固兩相懸浮體系 ,是一種新型的煤基流體燃料 , 在煤的燃燒和氣化等潔凈煤技術領域應用廣泛。水煤漿具有和石油相似的流動性和穩定性 ,可方便地實現儲存、管道輸送、霧化和燃燒 , 具有節能、環保和綜合利用煤泥等多種效益 , 受到各國工業界的高度重視。

水煤漿的流變特性主要研究漿體的流動和變形 ,即剪切速率與剪切應力之間的關系 , 或剪切速率與表觀粘度之間的關系。水煤漿的流變特性影響到儲存穩定性、輸送過程的流動性和霧化過程的可霧化性及爐內的可燃性等重要工藝過程[ 1 ] ,而水煤漿的流變數據是分析和確定漿體流動規律的基礎數據 ,是輸送管道設計和運行參數選擇的重要依據。

1 水煤漿的流變學屬性及對流變特性的

要求

1 . 1 流變學屬性

水煤漿屬于復雜的多相懸浮體系 ,施加剪切應力產生的速率梯度受到其內部物理結構變化的影響 ,反過來內部的物理結構又會因剪切作用而引起變化 ,因此水煤漿的流變特性呈現復雜多樣性。從目前的研究看 ,水煤漿涵蓋了牛頓流體和幾乎各種類型的非牛頓流體。由于具有較高的固相含量、相對較小的煤粉顆粒以及添加劑的加入使煤粉顆粒與水緊密結合形成網狀結構 ,多數水煤漿表現出顯著的非牛頓流體特性。水煤漿的非牛頓流體特性通常具有如下特點 :非單相性 ,即流變特性要用多個參數來表示; 非單值性 ,粘度隨剪切應力發生變化 ; 非可逆性 , 粘度與剪切作用的持續時間有關 , 即表現出一定的觸變性[ 2 ] 。多數工業用水煤漿存在屈服應力 ,在低剪切速率和高剪切速率下均呈現牛頓流體特性 ,在中等剪切速率下呈現剪切稀化特性 ,只有極少呈現脹流性流體特性。

描述水煤漿流變特性常用的經驗模型有[ 2 ]  :

牛頓流體:  τ=μγ (1)

賓漢塑性模型: τ=τy  +  pγ (2)

冪率模型:     τ=  Kγn (3)

屈服3/冪率模型: τ=τy  +  Kγn (4)

Casso n 模型:  τ0. 5  =τy 0 . 5 + (  pγ) 0 . 5 (5)

Sisko 模型：     τ=   ∞ +  Kγn (6)

式中:τ、τy  ———分別為剪切應力和屈服應力 , Pa ;

μ———粘度 , Pa·s ;

p———剛度系數 , Pa·s ;

∞———高剪切速率對應的極限剪切粘度 , Pa·s ;

K ———稠度系數;

 n ———流變特性指數。

以上流變模型也稱作本構方程 ,模型中的各參數是需要通過試驗確定的流變參數 ,是水煤漿固有的物性參數。在流變特性研究中 ,可根據研究目的、對象和剪切速率范圍等選擇不同的模型。由于水煤漿流變特性復雜 ,以上經驗模型很難全面反映速率與響應之間特性 ,應用這類本構方程描述水煤漿的流動特性時都會出現一定偏差。

在流變特性研究中 ,往往借用牛頓流體粘度的概念 ,即表觀粘度或剪切粘度來表征水煤漿的流動性。對非牛頓流體 ,表觀粘度是剪切速率的函數 ,它能夠清晰地表明受到剪切作用時漿體抵抗變形的能力。因此 ,考察剪切粘度的影響因素和變化規律對水煤漿流動特征的認識和工程應用具有十分重要的價值。

1 . 2 工業用水煤漿對流變特性的要求

水煤漿從制漿到燃燒或氣化要經過儲存、管道輸送和霧化過程 , 要求漿體具有良好的穩定性、輸送特性和霧化特性。以上 3 種特性分別由低剪切速率、中等剪切速率和*剪切速率下的流變特性決定 ,這就要求水煤漿在粘度、流動性和沉降性能方面達到良好的平衡[ 6 ] 。工業用水煤漿理想的流變特性應為: 具有較高的濃度 , 靜止狀態下能夠保持良好的穩定性 ,即具有一定的屈服應力;在與管道輸送過程和霧化過程相對應的中等剪切速率(10 s - 1 ～200 s - 1 ) 和高剪切速率(5 000  s - 1 ～30 000  s - 1 ) 下都應保持較低的粘度[ 1 ] 。當煤粉含量較高時 ,水煤漿粘度會隨濃度的增加而急劇地增大; 當濃度較低時 , 漿體的流動性增加 ,但穩定性變差 ,燃燒效率或氣化過程中碳轉化率相應地降低。因此 ,改善水煤漿流變特性的重點應在保證合理粘度的前提下盡量提高水煤漿的濃度。

2 水煤漿流變特性的影響因素和流變機理

2 . 1 水煤漿流變特性的研究和測量方法

水煤漿流變特性的研究方法可分為 2 類。一類是從漿體組成成分的性質和顆粒 -  顆粒以及顆粒 - 流體的相互作用出發 ,通過理論分析與試驗相結合的方法建立表征流動特性的數學模型。這類模型包含了反映漿體流動機理的多種因素 ,多表達為相對粘度( 漿體粘度與液相粘度之比) 與各類影響因素的關聯式。這類典型關聯式 ,大都以 Einstein 方程式為基礎 , 擴展到高濃度、非球形顆粒和特定粒徑分布的高濃度液固兩相非頓流體。由于漿體的復雜性 ,至今尚無法獲得廣泛適用的關聯式 ,這種方法主要用于漿體的設計和調制。另一種方法則*基于試驗觀測數據 ,采用包含多個參數的數學模型描述水煤漿的宏觀流動行為。這類流變模型包含了式( 1)～(6) ,這些數學模型中只包含了流動特性的描述 ,因此無法解釋產生這種特性的原因和各種因素的作用機理。但這類數學模型直觀簡單 ,直接反映受力與響應的關系 ,而且在多數流動問題研究中并不關心漿體的具體內部物質特性 ,這種描述方法在水煤漿流動問題的研究中得到了廣泛應用 ,本文正是對這種方法所涉及的研究進展和成果進行討論。

測量方法或測量工具是水煤漿流變特性研究的另一重要基礎。按照漿體的流動性質 , 可將測量方法分為 2 類。一類是純剪切流動條件下的流變特性測量 , 測量工具包括雙筒體旋轉粘度計和平行板粘度計等。這種測量方法精度高 ,易于實驗室操作 ,適合于流變機理和各種影響因素的研究。另一類是壓力驅動流動條件下的流變特性測量 , 測量工具為毛細管粘度計或工程管道。與純剪切流動測量方法相比 , 第二種方法可以達到更寬的剪切速率范圍 , 尤其是工程管道測量方法更是直接模擬了實際流動過程 ,所得流變數據對工藝過程具有更直接的指導意義。

2 . 2 水煤漿流變特性的影響因素

影響水煤漿流變特性的主要因素有[ 1 ,3 ]  : (1)煤種及煤的理化特性 ; ( 2) 固相含量; ( 3) 顆粒大小及分布; (4) 添加劑的種類和用量; ( 5) 漿液的p H 值; (6) 溫度等。有關這些影響因素的研究已有相當多的文獻報道 ,主要集中在試驗方面。工程應用中也主要從以上幾個方面著手 ,綜合考慮各種因素以獲得水煤漿流變特性 ,現結合相關文獻研究成果進行分析。

固相含量對水煤漿的流變特性具有直接的影響。有試驗表明 ,在較低濃度下水煤漿呈現牛頓流體特性; 質量分數 > 50 %時 , 隨濃度的增加 ,擬塑性特征迅速增加。Tsai 發現[ 4 ] , 由冪率流體特性的溶劑和煤粉制成的漿體在低剪切速率下的擬塑性卻隨濃度升高而減小。Fedir 對高水分褐煤的成漿特性研究發現[ 5 ] ,隨濃度的增加或煤粉粒徑的減小 , 漿體的非牛頓流體特性增加 ;屈服應力與煤粉含量、煤粉的顆粒大小分布、內孔面積等因素間存在密切的相關性。固相含量對流變特性的影響與zui大填充份額密切相關 ,如 Turian 對多種水煤漿的屈服應力～濃度關系研究顯示[ 2 ] ,當固相體積份額與zui大填充份額之比(φ/φm ) 在 0 . 85 ～0 . 90 范圍內 ,屈服應力急劇增加 ,并在φ/φm = 0 . 90～0 . 95 時趨向無窮大;另外 ,對具有牛頓流體特性的水煤漿粘度測量表明 ,相對粘度與 ( 1 3/φ/φm ) 呈反比關系。一般地 ,水煤漿的粘度隨濃度增加而增加 , 并在固相體積份額達到 40 %以上時開始表現出非牛頓流體特性。工業用水煤漿的煤粉含量非常接近可達到的濃度上限 ,即使是濃度的微小增加也會對流變特性產生顯著影響。因此 ,對給定的煤粉 -水兩相系統 ,煤粉含量應控制在粘度急劇增加的濃度范圍以下。

一般地 ,升高溫度有利于提高水煤漿的流動性。Ro h 的試驗結果表明[ 1 ] ,升高溫度在降低粘度的同時也使漿體的非牛頓流體特性弱化。溫度的影響還與溫度所在范圍有關。Sandra 的研究表明[ 6 ] ,溫度低于100 ℃時 , 水煤漿粘度隨溫度升高而降低 ,在溫度高于 100 ℃時則呈相反趨勢。Tsai[ 4 ] 觀察到了類似的現象 ,2 種試驗漿體的轉折溫度發生在 50 ℃和 70 ℃左右 ,在轉折溫度以上擬塑性特性隨溫度升高而加。Gurses[ 3 ] 發現溫度的影響與剪切速率有關 ,低剪切速率下升高溫度會增加顆粒間的碰撞機率 ,從而使顆粒聚并趨勢增加 ,導致漿體的粘度升高。在高溫條件下(如高于 373 K) 測量了水煤漿的流變特性 ,由于煤粉顆粒發生分解和化學反應引起了漿體內部物質結構的顯著變化 ,導致漿體的流變特性隨溫度的變化規律比常規條件下更加復雜。

顆粒大小對液 - 固漿體流動性能的影響有 2種根本途徑: (1) 漿體流動過程中 ,一定顆粒粒徑差異對顆粒層間的相對運動產生影響; ( 2) 顆粒粒徑變化時引起zui大填充份額變化。其中 ,后者的影響更為顯著 ,要獲得低粘度的水煤漿 , 煤粉必須具有較大的zui大填充份額。均勻分布顆粒制成的漿體通常具有較高的粘度和較低的zui大填充份額 ,除采用添加劑的方法外 , 采用合理的粒徑分布或顆粒級配則是改善水煤漿流動性和穩定性的有效和常用的方法。通過優化粒徑分布獲得了水煤漿流變特性。特別是對成漿性能較差的高水分煤種 ,通過簡單的粗細顆粒配比使漿體的穩定性顯著改善 ,漿體的粘度降低達到 5 倍左右。這主要是因為粗細顆粒配比形成了合理的排列結構 ,提高了顆粒的流動性能。顆粒形狀對流變特性也具有顯著的影響 ,一般地 ,顆粒偏離球形的程度越大 , 水煤漿的粘度越大 ,非牛頓流體特性也越顯著。

許多學者對水煤漿流變參數的變化規律進行了分析。Gurses[ 3 ] 發現所試驗水煤漿( 冪率流體) 的稠度系數隨溫度的變化規律可分別在高、低 2 個剪切速率范圍內用 Arrhenius 公式表述。Ro h 的試驗表明[ 1 ]  , 質量份額超過 50 %時水煤漿呈現冪率流體特性 ; 隨濃度增加 ,稠度系數增加而流變特性指數呈下降趨勢 ; Roh 通過不同粗細混合比調節顆粒的平均粒徑 , 發現隨平均粒徑的增大 , 稠度系數減小而流變特性指數增加 ,即水煤漿由擬塑性流體向牛頓流體轉變。浙江大學[ 7 ] 采用旋轉粘度計和工程管道兩種測量方法建立了明確的關聯式來描述水煤漿的稠度系數和流變特性指數隨溫度和濃度的變化規律。

測量工具不同也會對流變特性的測量結果產生影響 ,當測量工具內的漿體流動屬于不同的流動性質(壓力驅動流動、純剪切流動) 時尤其顯著。在兗州煤水煤漿的流變特性研究中 ,王秋粉等[ 8 ] 也發現了類似的現象 ,2 種方法測得的屈服應力等關鍵參數相差數倍。

水煤漿的流變特性與煤的理化特性密切相關 ,如煤的內水含量、灰分含量、礦物組分、固定碳與揮發分比例和可溶性無機離子含量等 ,這些特性主要影響到成漿性能。

在水煤漿的流變特性測量中往往存在一種特殊的現象 - 壁面滑移現象。這是由于壁面剪切導致的顆粒遷移效應或靜態壁面損耗效應 ,在壁面上形成一層粘度很低、厚度很薄 ( 通常為幾個至幾十μm) 的具有潤滑作用的液體層 ( 滑移層) ,導致漿體與壁面間產生相對運動并使漿體的流動更容易。對存在壁面滑移效應的流變特性測量 ,必須消除壁面滑移的影響 , 去除壁面滑移因素后的流變數據反映的是真實的受力與響應關系 ,也只有通過真實的受力與響應數據才能建立起流變特性與物質結構之間的。在具有壁面滑移效應的水煤漿流動特性研究中 ,對真實流變特性的系統研究僅有少量文獻[ 9 ] 報道。

在文獻[ 9 ] 中 , 作者在壁面滑移機理和影響因素分析的基礎上系統地研究了水煤漿的真實流變特性 ,詳細考察了表觀粘度、屈服應力、極限剪切粘度的變化規律以及流變特性的轉變規律 ,并建立了這些規律與漿體內部物質結構之間的對應關系。

2 . 3 流變機理

盡管對水煤漿的流變特性研究已有很多 ,但迄今為止 ,在流變機理方面尚缺乏深入的研究。孟令杰[ 10 ] 提出的煤水混合物流變機理可較好地解釋流變特性與物質結構之間的關系 ,其主要內容如下:

(1)  無論在靜止狀態還是在剪切狀態下 ,一部分水分用來浸潤煤粉顆粒表面 ,并形成一層被顆粒表面吸附而不能參與流動的薄液體層 ;

(2)  在漿體受到剪切作用后 ,顆粒間原有的空間網狀結構遭到破壞并在高剪切速率下形成沿剪切方向的層狀顆粒排列 ,即煤粉顆粒排列由隨機的排列結構狀態向沿剪切方向的層狀有序結構狀態轉變 ,其排列有序程度與施加的剪切應力相關;

(3)  在有序排列的煤粉層中 ,顆粒與顆粒間的水分不參與剪切流動;

(4)  在受到剪切作用并達到穩定狀態時 ,剪切變形主要發生在有規律排列的煤粉顆粒層與層之間的水層中 ,而煤粉顆粒層上吸附的水分變形很小。

圖 1 給出了受到剪切作用后煤水混合物流變結構的變化過程 ,φsp 、φδ、φip 、φef 分別為顆粒相、顆粒表面吸附的液相、顆粒間隙中的液相以及自由水分的體積份額。由以上假設 ,水煤漿的粘度主要取決于φef 的大小:

可以看出 , 在一定的煤粉濃度下 , 要獲得水煤漿的良好流動性能 ,就要設法降低φδ和φip 。應用該流變機理 , 孟令杰等[ 10 ] 不但合理解釋了濃度、粒徑以及剪切速率等因素對煤水混合物流動特性的影響 ,而且得到了流動性能粗細顆粒配比。該流變機理能夠對水煤漿的粘度特性、剪切稀化特性以及高剪切速率下漿體的牛頓流體特性作出較好的解釋。

圖 1   煤水混合物的流變結構示意圖

對某些濃度較高的水煤漿 , 在高剪切速率下往往表現出剪切增稠特性。目前 ,主要存在 2種流變機理對此作出了較好的解釋。一種是Olhero 提出的理論 ,其示意圖如圖 2 。當濃度較高時 ,顆粒間達到較為密實的堆積 ,顆粒與顆粒之間的相對滑動將會增加顆粒層間距離 , 導致動量在垂直于剪切方向上進行傳遞 , 使漿體表現出脹流體特性。另一種機理由 Hoff man 提出。他認為 :當高于一定剪切速率時 ,部分顆粒會從原有的顆粒層中分離出來 , 導致了原有的有序流動向無序流動轉變 , 并以粘度增加的形式表現出來。

圖 2   煤水混合物剪切增稠特性的流變結構示意圖

水煤漿的流變特性隨濃度的變化呈現復雜多樣性 ,有文獻嘗試采用顆粒間相互作用強度的概念來解釋該現象。認為不同濃度下漿體的流動特性主要取決于顆粒間的相互作用強度 ,而顆粒間的相互作用強度主要取決于顆粒間的平均作用距離 ,顆粒間的平均作用距離越小 , 漿體的非牛頓流體特性就越顯著。顆粒間平均作用距離計算如下:

式中 :    H  ———表示顆粒間的平均作用距離;

           dp ———表示顆粒平均直徑;

           φ、φm  ———分別為固相體積份額和zui大填充份額。

之所以采用 H/ dp 指標 ,主要是因為方程式中同時包含zui大填充份額和體積份額 ,消除了顆粒大小分布等特性的影響。Acikalin 通過試驗給出的流動特性劃分如下 : 當 H/ dp  > 0 . 08 時為牛頓流體;當 0 . 035 < H/ dp  < 0 . 08 時為剪切變稀流體;當 H/ dp  < 0 . 035 時 ,漿體表現出脹流體特性。這一結果是否具有通用性尚需更多的試驗數據進行驗證。

3 結論與建議

(1)  水煤漿流變特性隨各種因素的變化規律非常復雜 ,各種影響因素之間存在相互干涉 , 在試驗中將各因素的影響區分開來對流變特性和流變機理的深入研究具有十分重要的意義。在工程應用中 ,需要綜合考慮多種因素以獲得水煤漿流變特性。

(2)  將壓力驅動流動條件下與純剪切流動條件下的流變特性進行對比研究是今后研究工作的一個重要方向 ,若能夠建立起 2 種流動條件下流變數據的 ,試驗室條件下的純剪切流動測量結果將可以直接用于水煤漿流動問題的研究 ,如此可大大節省試驗成本。

(3)  在流變機理研究方面仍然缺乏深入的研究 ,多數流變理論只能對水煤漿的部分流變特性作出合理的解釋 ,水煤漿流變特性的深入研究有待于發展完善的流變機理模型。

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Advances  in Researchon Rheological Behaviourof Coal-water Slurries

 DA I Shu lan1  , C H EN Liang yong2  , DA I Shao hui3

(1 . Chemical Indust ry and Ecology Instit ute of Nort h U niversity of China ,  Taiyuan 030051 , China ;

 2 . School of Energy and Environment , Sout heast U niversity , Nanjing 210096 , China ;

 3. Zho ngtian Engineering Co nst ructio n Limited Company , Suqian 223600 , China)

Key  words : coal water slurry ; rheological Behavio ur ; rheology mechanism

Abstract : Rheological behaviors of coal water slurries ( CWS)  have important influenceson these processessuch  as  preparation ,  transport and  atomization  of CWS. In this  paper ,advances in research o n rheolo gical behavio ur of CWS were o utlined wit h t he emp hasis of the overall situation and the latest research findings on rheology of CWS , the research methods , the influencing factors and rheology mechanism. Especially , the advances in research on the influencing factors of rheological behaviour and rheology mechanism were described in detail . The sho rtco mings and p ro blems existing in t he current research were al so pointed o ut and so me f ut ure work was  suggested.