水力空化對(duì)褐煤水煤漿流變特性影響的試驗(yàn)研究

李大尉，姚立明，呂玉庭,裴 禹，趙孟石，姚鴻賓

(1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

水煤漿是一種新型低污染代油燃料，它是由65%～70%的煤、30%～35%的水和約1%的添加劑制成的混合物，既保持了煤炭原有的物理特性，又可以像油一樣管道輸送和高效燃燒，被稱(chēng)為液態(tài)煤炭產(chǎn)品。我國(guó)褐煤資源賦存豐富，探明儲(chǔ)量約1 300億t，約占國(guó)內(nèi)煤炭探明儲(chǔ)量的13%[1-3],目前，世界上首套采用褐煤水煤漿作為原料的水煤漿氣化爐在大唐呼倫貝爾化肥有限公司運(yùn)行，設(shè)計(jì)煤漿濃度為53%，運(yùn)行煤漿濃度僅為48.5%～49.5%[4-6]。煤漿濃度過(guò)低導(dǎo)致氣化比煤耗和比氧耗較高[7-8]、冷煤氣效率低[9]，造成項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性差[10]，同時(shí)也會(huì)引起合成氣水汽比高、氣化爐溫度與壓力波動(dòng)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響著裝置的“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿(mǎn)、優(yōu)”運(yùn)行。因此，提高褐煤的成漿濃度對(duì)褐煤的高效潔凈化利用意義重大。

1 水力空化作用機(jī)理

當(dāng)流道中局部壓力下降至臨界壓力時(shí)，水開(kāi)始汽化，形成汽泡，汽泡隨著液體流動(dòng)同時(shí)不斷發(fā)育、長(zhǎng)大、相互聚集，當(dāng)進(jìn)入壓力較高的區(qū)域時(shí)，又發(fā)生分裂和潰滅[11-12]。這個(gè)汽泡產(chǎn)生、發(fā)育、聚集、分裂和潰滅的過(guò)程以及與之相伴隨的許多現(xiàn)象稱(chēng)為空化。當(dāng)空泡的潰滅發(fā)生在水力機(jī)械固體表面附近的時(shí)候，還會(huì)引起材料的破壞，稱(chēng)為空蝕[13]；當(dāng)空泡的潰滅產(chǎn)生的微射流、高峰值脈沖壓力、高溫?zé)嵝?yīng)被應(yīng)用于各行業(yè)時(shí)，稱(chēng)為空化利用技術(shù)[14]。

空化現(xiàn)象會(huì)對(duì)于螺旋槳等運(yùn)動(dòng)部件會(huì)造成汽蝕現(xiàn)象，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件附近產(chǎn)生頻率很高、瞬時(shí)壓力很大的沖擊[15]?？栈F(xiàn)象會(huì)在流體中產(chǎn)生大量的微細(xì)氣泡，對(duì)于某些需要高頻振動(dòng)來(lái)作用的過(guò)程可能起到意想不到的效果。根據(jù)空化作用原理，設(shè)計(jì)了最大轉(zhuǎn)速16 000 r/min的調(diào)速空化器用于研究空化作用對(duì)于水煤漿流變特性的影響。

當(dāng)流暢內(nèi)的最低壓力達(dá)到臨界壓力時(shí)，引發(fā)空化現(xiàn)象后所釋放的巨大能量將對(duì)水煤漿固液分散體系的細(xì)度和流變特性產(chǎn)生重大影響,文中通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究具體影響過(guò)程。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 樣品選擇

選擇試驗(yàn)煤種屬于典型的褐煤，其分析水分15.60%，揮發(fā)分達(dá)48.91%，屬于低灰特低硫煤。褐煤樣品脆性比較小，易于粉碎，采用萬(wàn)能粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，粉碎后樣品通過(guò)0.5 mm分級(jí)。

2.2 原料制備

按照選取水煤漿分散劑藥劑用量HSN萘系∶HSM木質(zhì)素為1∶2，稱(chēng)取定量的藥劑，放入磨口瓶中，放入計(jì)算好的用水量的90%，攪拌混合溶解。再講稱(chēng)取的褐煤樣品緩慢放入1 000 r/min轉(zhuǎn)速持續(xù)攪拌的磨口瓶中，將全部煤樣放入攪拌均勻后，加入剩余水，再以2 850 r/min轉(zhuǎn)速恒速攪拌5 min，1 000 r/min轉(zhuǎn)速恒速攪拌5 min。測(cè)定水煤漿粒度和流變粘度。

2.3 水煤漿性質(zhì)的測(cè)定

水煤漿流變性測(cè)定采用旋轉(zhuǎn)粘度儀NXS-11A型。水煤漿流變性能的粘度指標(biāo)一般使用速度梯度為100S-1和30S-1條件下粘度指標(biāo)進(jìn)行衡量。

2.4 制備方法及空化器結(jié)構(gòu)

將常規(guī)制漿工藝獲取的水煤漿樣品裝入空化器中，緩慢提高空化器攪拌器轉(zhuǎn)速至預(yù)定空化轉(zhuǎn)速，空化時(shí)間下，獲取空化后水煤漿樣品，測(cè)定水煤漿流變粘度、粒度，研究空化作用對(duì)水煤漿流變特性的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 水力空化對(duì)水煤漿體粘度的影響

將水煤漿放入空化器進(jìn)行空化實(shí)驗(yàn)時(shí)，空化器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?gòu)撵o止緩慢增加，由于水煤漿粘度影響，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加過(guò)程中間斷性出現(xiàn)了較大聲響和振動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)8 000 r/min后，振動(dòng)和聲響減小，空化器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，這可能隨著空化器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高，對(duì)水煤漿漿體流動(dòng)性產(chǎn)生了一定影響。

空化初步實(shí)驗(yàn)采用空化轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，空化時(shí)間為2 min。實(shí)驗(yàn)所測(cè)原漿體的流變粘度計(jì)算表1,空化后水煤漿的粘度計(jì)算表2。

表1 原漿體的粘度計(jì)算表

表2 空化后水煤漿的粘度指標(biāo)計(jì)算表

對(duì)比水煤漿空化前后的流變特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)空化后水煤漿的流變粘度非常穩(wěn)定，正向旋轉(zhuǎn)的粘度曲線和反向旋轉(zhuǎn)的粘度曲線重合，沒(méi)有變化。說(shuō)明空化后水煤漿的粘度特性已由假塑性流體變成了類(lèi)似牛頓流體。粘度測(cè)試過(guò)程中，表征旋轉(zhuǎn)扭矩的刻度盤(pán)指示數(shù)比較穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)常規(guī)水煤漿測(cè)試時(shí)數(shù)值緩慢下降的現(xiàn)象，而且粘度測(cè)試數(shù)值重現(xiàn)性十分好，說(shuō)明漿體流變特性比較穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)比空化前后水煤漿的運(yùn)動(dòng)粘度指標(biāo)，速度梯度為100 s-1時(shí)粘度指標(biāo)由320 mPa·s提高到340 mPa·s，速度梯度為30 s-1時(shí)粘度指標(biāo)由420 mPa·s提高到850 mPa·s。 經(jīng)過(guò)空化后水煤漿運(yùn)動(dòng)粘度有了一定提高。

3.2 水力空化對(duì)水煤漿粒度的影響

如圖2所示，為空化前后的粒度分布曲線圖。

從圖2可以看出，30 μm以下的細(xì)粒級(jí)含量明顯高于空化前粒級(jí)的含量，主要因?yàn)樗栈a(chǎn)生能量的破碎作用，會(huì)使細(xì)粒級(jí)煤粒增加，顆粒分散程度得到改善，褐煤的粒徑減小提高了水煤漿成漿時(shí)顆粒的空間堆積效率，也有利于提高褐煤水煤漿的成漿濃度。

3.3 水力空化對(duì)水煤漿穩(wěn)定性的影響

褐煤粉碎后，顆粒表面的水化膜和顆粒之間靜電力吸附等作用導(dǎo)致水煤漿漿體流動(dòng)性變差，顆粒群形貌特征表現(xiàn)為長(zhǎng)方形或三角形，少量呈現(xiàn)五邊形。對(duì)煤炭粉碎后分形特征結(jié)果表明煤粉多數(shù)呈現(xiàn)為片狀結(jié)構(gòu)，尤其是小于30 μm的微細(xì)顆粒。由于棱角分明顆粒的尖端靜電力效應(yīng)，顆粒表面吸附了微細(xì)顆粒，而且顆粒之間容易以尖端相互吸附形成鏈狀結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。

在顯微鏡下觀察空化后的漿體見(jiàn)圖4。

空化后水煤漿放置1周后沒(méi)有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。利用顯微鏡觀察水煤漿狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)放置1周后的空化水煤漿中存在著大量不易消散的微細(xì)氣泡。氣泡曲率半徑越小，氣泡表面張力越大，氣泡穩(wěn)定就越好。氣泡在流體中可以長(zhǎng)時(shí)間存在而不會(huì)出現(xiàn)相互兼并破裂現(xiàn)象。通過(guò)空化作用在水煤漿漿體中引入了大量的圓形的微細(xì)氣泡，一方面由于其占位作用而在一定程度上提高了水煤漿粘度和穩(wěn)定性能，另一方面圓形微細(xì)氣泡成為水煤漿漿體流動(dòng)過(guò)程中的潤(rùn)滑劑。微細(xì)氣泡的布朗運(yùn)動(dòng)破壞了顆粒之間的靜電力吸附，從而使得水煤漿流變性能得到較大的改善。

4 結(jié)論

(1)水力空化作用使褐煤水煤漿的流變性能得到較大的改善，其30 μm以下的細(xì)粒級(jí)含量明顯高于空化前粒級(jí)的含量。

(2)經(jīng)空化處理后水煤漿運(yùn)動(dòng)粘度有了一定提高，速度梯度為100 s-1時(shí)粘度指標(biāo)由320 mPa·s提高到340 mPa·s，速度梯度為30 s-1時(shí)粘度指標(biāo)由420 mPa·s提高到850 mPa·s,且粘度測(cè)試數(shù)值重現(xiàn)性十分好，漿體流變特性比較穩(wěn)定。

(3)空化后水煤漿中引入了大量的微細(xì)氣泡，一方面由于氣泡在水煤漿形成了占位，導(dǎo)致水煤漿顆粒群之間濃度提高，使得水煤漿運(yùn)動(dòng)粘度得以提高。另一方面微細(xì)氣泡的布朗運(yùn)動(dòng)破壞了顆粒之間的靜電力吸附，從而使得水煤漿流變性能得到較大的改善。