煤泥粘度影響因素的試驗研究?

王玉朋 韓昌瑞 張東煥 李金風（山東理工大學交通與車輛工程學院,山東省淄博市,255049）

?

煤泥粘度影響因素的試驗研究?

王玉朋 韓昌瑞 張東煥 李金風
（山東理工大學交通與車輛工程學院,山東省淄博市,255049）

摘要煤泥是選煤過程中的產(chǎn)物,大多被廢棄,目前通過管道運輸將煤泥輸送到鍋爐發(fā)電是解決該難題的最佳方法,但在輸送過程中由于煤泥的粘度較大,經(jīng)常粘結(jié)在管道上,增大含水量的方法又會影響其燃燒效率。通過對2種煤泥進行試驗,研究了含水量、溫度和靜置時間對煤泥粘度的影響,結(jié)果表明煤泥粘度隨著含水量的增加和溫度的升高而減小,隨著靜置時間的延長而增大,且含水量是影響煤泥粘度的主要因素。管道輸送時應盡量控制煤泥的含水量,適當提高煤漿溫度,并縮短堆放時間。

關鍵詞煤泥 粘度 含水量 溫度 靜置時間

1　引言

煤泥是煤粉含水形成的半固體物,是煤炭生產(chǎn)過程中的產(chǎn)物,一般情況下原生煤泥占入選原煤的10%～20%,次生煤泥占5%～10%。煤泥的含固量為72%～77%,顆粒直徑小于0.5 mm,并含有大量的灰分和粘土類礦物,所以其粘度較高,形態(tài)極其不穩(wěn)定,遇水易流失,風干即飛揚。大多被廢棄且堆積成山,對環(huán)境造成了極大污染。

原生煤泥的發(fā)熱量在12.55～20.92 MJ/kg之間,仍具有一定的利用價值。隨著循環(huán)流化床（CFB）鍋爐技術的不斷成熟,以煤泥為燃料的CFB鍋爐得到成功應用,管道運輸是將煤泥輸送到鍋爐燃燒的最佳途徑。由于粘度較大,煤泥在輸送過程中極易粘結(jié)在管道上,通常改變含水量可解決粘度大的問題,但又會降低其燃燒效率,研究表明含水量在1%～30%時,每增加1%的含水量要降低0.1%的熱值。根據(jù)鍋爐溫度和煤泥粘度閉環(huán)控制煤泥流量,才能達到兼顧環(huán)保、安全可靠以及經(jīng)濟適用的要求。

煤泥屬于高濃度粘稠物,其粘度受多種因素的影響,國內(nèi)外學者對煤泥的管道運輸和粘度測量做了大量的研究。部分國內(nèi)外專家研究了顆粒濃度和溫度對粘度的影響,發(fā)現(xiàn)粘度隨顆粒濃度的增加而增大,隨溫度的升高而降低;還有專家通過試驗發(fā)現(xiàn)水煤漿粘度隨放置時間的延長而增加;更有專家得出了煤泥的最佳泵送含水率為28%,且煤泥的流動特性與煤的種類和洗選工藝有關;國外相關專家研究了煤顆粒大小對水煤漿粘度的影響,結(jié)果表明煤的平均粒徑越小,水煤漿的粘度越大。

本文通過試驗,研究了影響煤泥粘度的幾種主要因素,對解決煤泥的管道運輸難題和再利用有著重大的意義。

2　相關表達式及其測量原理

煤泥是典型的非牛頓型流體,其粘度隨剪切速率的改變而不同。流體的粘度通常是用牛頓粘性定律定義的,詳見式（1）:

式中:F——粘性力,N;

η——粘度,Pa·s或MPa·s;

S——流層間的接觸面積,m2;

d v/d y——速度梯度,s－1。

當兩平行的平板之間充滿液體時,下板固定不動,對上板施加一個平行于下板的力F,使其勻速運動,緊貼上板的液體與上板等速運動,由于液體的粘性,下層液體隨上層液體而流動,越近下板速度越慢,液體流動示意圖如圖1所示。

圖1　液體流動示意圖

粘度的定義公式見式（2）:

式中:η——粘度,Pa·s或MPa·s;

τ——剪切應力,Pa或MPa;

v——剪切速率,s－1。

本試驗使用的實驗儀器主要有粘度計、烘箱、天平和鐵盤等。其中粘度計為NDJ－79式旋轉(zhuǎn)粘度計,測量范圍為2～106MPa·s,測量誤差為±5%,選用的轉(zhuǎn)速為75 r/min,粘度的計算公式見式（3）:

式中:η——粘度,MPa·s;

k——轉(zhuǎn)子系數(shù),本試驗取10;

a——指針讀數(shù)。

旋轉(zhuǎn)式粘度計的工作原理圖及實物圖如圖2所示。

圖2　工作原理圖及實物圖

由圖2可以看出,電機帶動轉(zhuǎn)子在溶液中轉(zhuǎn)動,由于待測液體的粘性作用,轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生滯后,與轉(zhuǎn)子相連的游絲在反方向上產(chǎn)生一定的扭矩,通過指針的偏轉(zhuǎn)顯示粘度的大小。

3　試驗過程及測試結(jié)果分析

表1　煤泥A樣品成分分析　%

表2　煤泥B樣品成分分析　%

由表1和表2可以看出,煤泥中除含有C和O等主要元素外,Al、Si、S和Ca的含量也較高,這些元素組成了大量的無機鹽灰分,使得煤泥的粘度較高,也極其不穩(wěn)定。本文通過對含水量、溫度和靜置時間這3個因素的變化研究分析了煤泥的粘度特性。

3.1煤泥含水量對粘度的影響

試驗時首先將原生煤泥在烘箱內(nèi)烘干（烘干溫度為80°C,烘干時間約為12 h）,在烘干后的煤粉中加入一定量的水,用玻璃棒均勻攪拌15 min。當含水量低于20%時,煤泥成團狀,幾乎無流動性,所以含水量的選取范圍為30%～70%。在室溫（約為15°C）下,取4個點,快速測量其粘度,所得數(shù)據(jù)見表3和表4（表中Ai和Bi為樣本編號）,含水量對煤泥粘度的影響如圖3所示。

由圖3可以看出,煤泥的粘度隨著含水量的增加而減小,含水量的變化對粘度的影響較大;當含水量為30%時,煤泥A粘度為77 Pa·s左右,增加5%后,粘度降至52 Pa·s左右,這說明當含水量較低時,較小的含水量變化會對煤泥的粘度產(chǎn)生較大的影響。相反,含水量60%和65%的煤泥粘度變化幾乎不大。

表3　煤樣A在不同含水量下的粘度

表4　煤樣B在不同含水量下的粘度

圖3　含水量對煤泥粘度的影響

含水量增大導致煤漿濃度升高,顆粒間的空隙減少,顆粒流動不僅要克服流體與顆粒間產(chǎn)生的較大摩擦,而且要克服粒子間強烈的相互作用,導致了煤泥粘度的增大。對比表1和表2,煤樣B的微量元素（如Al、Si、S和Ca）含量低于煤樣A,無機鹽灰分相對較少,使得相同條件下的煤樣B的粘度低于煤樣A的粘度。

3.2溫度對煤泥粘度的影響

試驗測量了煤泥在20°C～50°C范圍內(nèi)的粘度,含水量選擇在40%、45%和50%。由于粘度計的底座和轉(zhuǎn)子之間的距離較小,無法放置恒溫水浴,所以本文選擇用烘箱控制溫度。將配置完成的煤泥用保鮮膜裹緊,在烘箱內(nèi)恒溫2 h,取出后快速測量其粘度,煤樣A和煤樣B在不同溫度下的粘度所得數(shù)據(jù)見表5和表6。

該書出版后，學術界評價很好，我在這本書的前言中講到這是我們系列研究的第一本，當時還想一本本往下寫，與出版社簽的合同是出版三本，第二本是“形式化與非形式化”，第三本是實證與非實證，提綱都擬好了，但是由于主要成員紛紛調(diào)動工作，有的當領導了，有的改行了，我自己也從哲學研究所調(diào)到社會學研究所工作，研究領域改變了，新的研究任務壓下來了，“三卷本”的寫作計劃就只好擱下了，實在是很遺憾的。我到社會學所工作以后，還曾經(jīng)另外組織寫作組，以期繼續(xù)履行與出版社的合同，實現(xiàn)我心頭的夙愿，卻終因知識結(jié)構(gòu)不同，原來的寫作計劃難以實現(xiàn)，實為平生一大遺憾。

表5　煤樣A在不同溫度下的粘度

表6　煤樣B在不同溫度下的粘度

根據(jù)表5和表6繪制溫度對煤泥粘度的影響試驗曲線如圖4所示。

圖4　溫度對煤泥粘度的影響

由圖4可以看出,煤泥的粘度隨著溫度的升高而降低。開始時,粘度的下降幅度較大,當溫度升到40°C時,粘度隨溫度的變化幅度減小。通過比較不同含水量下的3條曲線可以看出,含水量越低,溫度對粘度的影響越明顯。流體的粘度取決于分子間的作用力,溫度升高,分子之間的距離增大,分子間的相互作用力減弱,粘度降低。

3.3靜置時間對煤泥粘度的影響

本試驗測量了含水量為35%時的煤泥粘度隨靜置時間的變化,配置完成的煤泥靜置在室溫下,用保鮮袋密封,防止水分的蒸發(fā)。靜置前和靜置8 d后的煤泥圖像如圖5所示。

圖5　煤泥靜置前后

由圖5可以看出,靜置后的煤泥有變干的跡象。每個時間段測量了4個點的粘度,波動范圍在1 Pa·s左右,煤樣A和B在不同靜置時間對煤泥粘度的影響見表7和表8（表中Ai和Bi為樣本編號）,并繪制粘度變化趨勢如圖6所示。

圖6　靜置時間對煤泥粘度的影響

由圖6可以看出,開始一段時間,靜置時間越長煤泥的粘度越大,粘度增加較快,隨著靜置時間的增加,粘度增加越來越緩慢,在靜置時間超過5 d后,煤泥的粘度趨于不變。

煤泥粘度隨靜置時間的變化是由煤泥的保水性引起的。開始的一段時間,顆粒間含有較多的游離水,流動時克服的阻力小,粘度較小;隨著時間的增加,游離水逐漸被煤顆粒吸收,粘度增大,當顆粒飽和后,粘度趨于不變。

表7　煤樣A在不同靜置時間對煤泥粘度的影響

表8　煤樣B在不同靜置時間對煤泥粘度的影響

4　結(jié)論

通過一系列的試驗與研究,總結(jié)出煤泥具有以下的粘度特性:

（1）含水量的改變會大幅度影響煤泥的粘度,含水量越大煤泥的粘度越低,含水量越小煤泥的粘度越高。

（2）隨著溫度的升高,溫度對粘度的影響越來越小。在煤泥運輸過程中,可適當提高煤漿的溫度,達到降低粘度的目的。

（3）煤泥的粘度與靜置時間有關。開始時,靜置時間越長,其粘度越大;在靜置一段時間后,粘度增加越來越緩慢,最終趨于不變。所以洗煤廠產(chǎn)生的煤泥應盡快進行管道運輸,縮短堆放時間。

（4）相同條件下,煤樣B的粘度略低于煤樣A的粘度,原因是煤泥B組分中的微量元素含量較低,無機鹽灰分少,說明煤泥的成分組成也是影響粘度的因素之一。

所以,在不影響其燃燒效率的前提下,應盡量控制煤泥的含水量,適當提高煤泥溫度并縮短堆放時間。

參考文獻:

［1］趙璐琪.利用煤泥制備生物質(zhì)型煤的研究［J］.中國煤炭,2010（7）

［2］劉志峰,倪立閣,楚德全等.煤泥循環(huán)流化床鍋爐燃燒控制與效率在線檢測研究［J］.煤礦現(xiàn)代化, 2011（6）

［3］李寧,雷宏彬,田忠文等.煤泥資源化利用關鍵技術研究分析［J］.煤炭工程,2011（12）

［4］劉志強.煤泥管道輸送與大比例摻燒技術在上灣電廠的應用［J］.煤炭工程,2013（2）

［5］江愛朋,王春林,范佳峰等.煤泥流變特性試驗研究與管道輸送分析［J］.熱力發(fā)電,2013（7）

［6］吳淼,潘越,趙國瑞等.煤泥輸送管道壓力分布［J］.煤炭學報,2009（2）

［7］凌智勇,孫東健,張忠強等.溫度和顆粒濃度對納米流體粘度的影響［J］.功能材料,2013（1）

［8］趙國華,段鈺鋒,徐峰等.高濃度水煤漿流變特性和穩(wěn)定性試驗研究［J］.熱能動力工程,2008（2）

［9］虞育杰,劉建忠,張傳名等.低揮發(fā)分煤的成漿特性和水煤漿流變特性［J］.浙江大學學報（工學版）, 2011（2）

［10］井云環(huán),楊磊,劉洪剛等.寧東煤水煤漿漿體性能實驗研究［J］.煤化工,2011（6）

［11］唐曉明,楊家林,蔣旭光等.興隆莊洗煤泥流化床焚燒的給料泵送流變特性［J］.煤炭學報, 2007（6）

（責任編輯王雅琴）

Experimental study on influencing factors of coal slime viscosity

Wang Yupeng,Han Changrui,Zhang Donghuan,Li Jinfeng
（School of Transportation and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology, Zibo,Shandong 255049,China）

AbstractCoal slime is the product of coal washing,abandoned largely. At present,transporting the slime by pipeline into boiler to generate electricity is the best way to solve the problem.But because of the high viscosity,it always binds on the pipeline in the transport process. The usual way is to increase the water content,but it may affect the combustion efficiency.By experiment with two kinds of coal slimes,the influences of water content,temperature and standing time on coal slime viscosity were studied. The results showed that slime viscosity decreased with the increasing of water content and temperature,and increased with the increasing of standing time;the water content was the main influencing factor of slime viscosity.In the pipeline transport process,the water content of slime should be controlled well,the coal slurry temperature should be raised properly and the standing time should be shortened.

Key wordscoal slime,viscosity,water content,temperature,standing time

中圖分類號TQ536.4

文獻標識碼A

基金項目:?山東省自然科學基金資助項目（ZR2011EEM020）

作者簡介:王玉朋（1989－）,男,山東濰坊人,在讀碩士研究生,主要從事煤泥的粘性和管道運輸方面的研究。