水煤漿的流變參數(shù)及水力坡度研究*

趙利安 王鐵力 郭凱鵬

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，123000 遼寧阜新；2.中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計研究院有限公司管道工程院，430064 武漢)

0 引 言

水煤漿技術(shù)作為潔凈煤技術(shù)內(nèi)容之一，是我國煤炭清潔高效利用的重要方向[1]。水煤漿添加劑是制取高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿必要的化學(xué)藥劑，其中必不可少的是分散劑和穩(wěn)定劑[2]。非離子分散劑效率高，不受水質(zhì)和煤中可溶物的影響，具有優(yōu)良的分散降黏作用[3]。月桂醇聚氧乙烯醚作為一種主要的非離子分散劑，對改變水煤漿黏度，制取高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿具有重要作用[4-6]。MISHRA et al[4]研究了月桂醇聚乙烯醚對水煤漿表觀黏度的影響，發(fā)現(xiàn)含0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)月桂醇聚乙烯醚分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的水煤漿，當(dāng)pH值由2增加到7，剪切速率為100 s-1時，水煤漿的表觀黏度由160 mPa·s快速下降到20 mPa·s，同時含0.1%月桂醇聚乙烯醚添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的水煤漿在剪切速率為100 s-1時，表觀黏度快速降低。趙亮[5]發(fā)現(xiàn)3.0%的月桂醇聚氧乙烯醚分散劑分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%和55%的等離子體裂解固體產(chǎn)物(該固體產(chǎn)物具有高灰分、高固定碳和低硫等特點(diǎn)，符合制備水煤漿用原料標(biāo)準(zhǔn))水煤漿中，在剪切速率為20 s-1～1 000 s-1時，水煤漿表觀黏度相對增大。張勛等[6]采用月桂醇聚氧乙烯醚和木質(zhì)素磺酸鈉兩種添加劑按質(zhì)量比為0.8∶0.8進(jìn)行復(fù)配，再加入一定量聚乙二醇穩(wěn)定劑，得到了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%的水煤漿，月桂醇聚氧乙烯醚分散劑加入后，水煤漿的表觀黏度有增有減，其原因很可能是，當(dāng)分散劑用量過多與過少時，水煤漿的表觀黏度不同，而月桂醇聚氧乙烯醚與其他分散劑復(fù)配，只有復(fù)配得當(dāng)才具有顯著的協(xié)同降黏效應(yīng)[7]。海泡石的加入能降低漿體析水率，增加穩(wěn)定性[8]。我國海泡石資源極為豐富，利用其作為水煤漿的穩(wěn)定劑是最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法，而這方面的研究較鮮見。

本實(shí)驗采用月桂醇聚氧乙烯醚和海泡石作分別為水煤漿的分散劑和穩(wěn)定劑，研究分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿表觀黏度及極限沉降濃度的影響，以及穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水煤漿析水率的影響，進(jìn)而確定最佳分散劑和穩(wěn)定劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)一步研究兩者與其他流變參數(shù)關(guān)系及與管道輸送水力坡度的關(guān)系。

1 實(shí)驗部分

1.1 材料和儀器及裝置

實(shí)驗采用遼北某礦的長焰煤，原煤顆粒直接取自原煤分級篩下粒徑小于40 mm的不規(guī)則顆粒，其黏結(jié)性很弱。煤樣的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of samples

煤中灰分主要由SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO和SO3等組成，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.68%，煤樣屬中等灰分煤，灰分較高有利于水煤漿的穩(wěn)定性[2]。由表1可以看出，n(O)∶n(C)為0.19，介于0.10～0.20區(qū)間，有利于形成高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿[2]。煤中內(nèi)在水分較低，也有利于形成高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿。而高揮發(fā)的長焰煤變質(zhì)程度低，不利于成漿[2]。由表1還可以看出，實(shí)驗用煤的熱穩(wěn)定性較好，煤中含油較高(等于10%)，這對水煤漿燃燒有利，原煤的可磨性介于中等可磨和易磨之間。由煙煤成漿性指標(biāo)D=7.5+0.5·w(Mad)-0.05·HGI計算可知，D=3.54，成漿難易程度為容易[2]。

月桂醇聚氧乙烯醚是一種非離子共聚物，分子式為(C2H4O)n·C12H26O。其水溶性較好，耐酸，耐堿，耐硬水，穩(wěn)定性良好[2]。海泡石是一種富鎂硅酸鹽纖維礦物，其分子式為Mg(H2O)4[Si6O15]2·(OH)48H2O[8]。海泡石具有非金屬礦物中最大的比表面積和獨(dú)特的內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)，在通道和孔洞中可以吸附大量的水或極性物質(zhì)。

實(shí)驗中，處理原煤顆粒的破碎機(jī)和磨粉機(jī)分別采用衡陽沃力機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PE-180型破碎機(jī)和桂林礦山機(jī)械有限公司生產(chǎn)的HLMX型磨粉機(jī)。粒度分析儀選用英國馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型粒度分析儀。測量水和顆粒質(zhì)量的電子天平選用上海精密儀器儀表有限公司生產(chǎn)的YP20K-1型和FA2004B型電子天平。流變儀選用美國Brookfield公司生產(chǎn)Brookfield RS T-CC型流變儀。變頻器型號為F1500-P0300T3C-1，由瑞歐傳動電氣有限公司生產(chǎn)。隔膜煤漿泵型號為TZPM80，來源于荷蘭GeHo公司。管路中水力坡度和流量分別采用江蘇儀華測控儀表有限公司生產(chǎn)的DYMC3351DP型雙法蘭壓差變送器和四川華海測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的Focmag3102型電磁流量計測定。

水煤漿管道流動水力坡度測試裝置見圖1[9]。管路材質(zhì)為無縫鋼管，總體長度為60 m，內(nèi)徑分別為35 mm和50 mm。實(shí)驗中，變頻器(3)可以連續(xù)改變漿體泵的電機(jī)(2)工作電源頻率，而達(dá)到系統(tǒng)流量無極調(diào)速。泄流閥(4)是為了管道的安全而設(shè)置，也可以根據(jù)需要人為操作排空管道中漿體。熱交換器(8)的作用是在水煤漿流動中，維持漿體溫度恒定在20 ℃。通過電磁流量計(5)可以得到水煤漿流量數(shù)據(jù)。通過雙法蘭壓差變送器(9)獲得一定流量下水煤漿水力坡度值。

圖1 實(shí)驗裝置Fig.1 Experimental device diagram1—Slurry pump；2—Motor；3—Frequency transformer；4—Bleeder valve；5—Electromagnetic flowmeter；6—Slurry tank；7—Compressed air valve；8—Heat exchanger；9—Double flange differential pressure transmitter；10—Test pipeline

1.2 實(shí)驗步驟

實(shí)驗中水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66%～72%，分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.410%～1.787%(分散劑占干煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～0.7%(穩(wěn)定劑占干煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。此處表觀黏度定義為給定剪切速率100 s-1條件下，剪切應(yīng)力與剪切速率的比值[10-11]。

配置水煤漿時，根據(jù)計算用電子天平稱取所需的水、分散劑和煤粉，將前兩者混合，充分?jǐn)嚢韬?，再將煤粉加入攪拌，配置成水煤漿。

1.2.1 顆粒級配確定

用破碎機(jī)將原煤破碎到粒徑20 mm以下，再利用超細(xì)立式磨粉機(jī)，磨制成超細(xì)煤粉，通過篩分和旋流器分級，再通過級配成漿實(shí)驗得到最佳級配，使用Mastersizer 2000粒度分析儀對樣品級配進(jìn)行分析。

1.2.2 極限沉降濃度確定

配置三等份質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的水煤漿(其中分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍為0.410%～1.787%)。其中一份加入穩(wěn)定劑。分別測試極限沉降濃度、表觀黏度和加穩(wěn)定劑后的表觀黏度值。極限沉降濃度測定具體做法為：將煤漿樣品放置于玻璃試管中，自然沉降48 h，除去上清液，試管下部高濃度漿狀混合物干燥后與干燥前的質(zhì)量比，即為水煤漿極限沉降濃度[12-13]。

1.2.3 表觀黏度測試

除了測試上述分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時水煤漿的表觀黏度外，再配置100 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%(分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.000%)的水煤漿，分為兩等份，其中一份加入穩(wěn)定劑攪拌，分別測量表觀黏度；然后將上述兩份水煤漿分別加水依次稀釋到70%，68%和66%，分別測量表觀黏度。

1.2.4 析水率測試

分別配置50 mL穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，0.3%，0.5%和0.7%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的水煤漿樣品四等份，將其等量放入數(shù)個試管中，液面用液體石蠟密封，靜置5 d后，測定析水高度(上層清液高度)占漿體原來高度的比例，即為煤漿析水率[5]。

1.2.5 剪切應(yīng)力和剪切速率關(guān)系測試

配置一定量分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%，0.8%和1.0%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的水煤漿三等份，用流變儀分別測定剪切速率和剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)；配置50 mL分散劑為1.0%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)72%的水煤漿，測量剪切速率和剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)后，將上述煤漿分別加水依次稀釋到70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，68%和66%，分別測量剪切速率和剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)；配置50 mL分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的煤漿四等份，分別加入相應(yīng)劑量的穩(wěn)定劑，形成穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，0.3%，0.5%和0.7%的水煤漿，分別測定剪切速率和剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)。

1.2.6 水力坡度測試

配置50 L分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%，0.8%和1.0%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的水煤漿三等份，依靠壓縮空氣和泵吸力使其進(jìn)入內(nèi)徑為35 mm的管道，通過變頻器控制流量變化，分別測定各種分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下流量和水力坡度值。配置100 L分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)72%的水煤漿，水煤漿進(jìn)入內(nèi)徑50 mm管路后測試流量和水力坡度值。測試完畢后排出管路的漿體重新加水，分別稀釋至70%，68%和66%，再次進(jìn)行實(shí)驗，測試水煤漿各種質(zhì)量分?jǐn)?shù)下流量和水力坡度值。分別配置50 L分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，0.3%，0.5%和0.7%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的水煤漿，使其進(jìn)入內(nèi)徑35 mm的管道進(jìn)行輸送，測試不同穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿的流量和水力坡度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒級配

為制取最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水煤漿，理論上參考Dinger模型理想分布[14]，再結(jié)合多峰級配成漿實(shí)驗，將煤顆粒分為四種粒度級：0.147 mm～0.200 mm，0.074 mm～0.147 mm，0.044 mm～0.074 mm及小于0.044 mm。多次實(shí)驗后確定四種顆粒的最佳質(zhì)量比為10∶15∶17∶58，當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，漿體最高制漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%時，漿體靜置24 h未發(fā)現(xiàn)水析出，黏度為1 182.8 mPa·s(小于1 200 mPa·s)。實(shí)驗確定的顆粒級配如圖2所示。由圖2可知，煤顆粒粒徑范圍為6 μm～200 μm，d50為35 μm。

圖2 煤顆粒級配曲線Fig.2 Curve of particle size distribution

2.2 水煤漿的極限沉降濃度和表觀黏度

當(dāng)不添加穩(wěn)定劑和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的穩(wěn)定劑時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的水煤漿極限沉降濃度的測試結(jié)果如表2所示。

表2 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水煤漿的極限沉降濃度和表觀黏度的影響Table 2 Effects of mass fraction of dispersant on ultimate settling concentration and apparent viscosity of coal water slurry

由表2可以看出，隨著分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的水煤漿的極限沉降濃度先增加后降低，極限沉降濃度的最大值為78.03%。這表明，可通過調(diào)節(jié)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)改變極限沉降濃度。對比表2和2.1分析結(jié)果還可以看出，分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.000%時，本研究中極限沉降濃度比最高制漿濃度大3.78%。這與祁赟樸等[12]得出極限制漿濃度大于極限沉降濃度的結(jié)論不同，原因在于本研究中最大制漿濃度考慮了析水和黏度因素。由表2還可知，無論是否有穩(wěn)定劑，隨著分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，水煤漿的表觀黏度先降低后增加。原因在于：分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，月桂醇聚氧乙烯醚的親水端(聚氧乙烯鏈)將會與水分子中的氫原子形成氫鍵，疏水端吸附在煤顆粒表面的疏水微區(qū)上，這樣就在煤顆粒表面形成一層水化膜，使煤顆粒表面原有的疏水表面轉(zhuǎn)換為親水表面，分散在連續(xù)相水中[7,15]，從而形成隨分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加表觀黏度降低的現(xiàn)象。當(dāng)分散劑達(dá)到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，水煤漿表觀黏度會增大，這是由于：首先，月桂醇聚氧乙烯醚分散劑屬于一種高分子聚合物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高會導(dǎo)致水煤漿的表觀黏度增加；其次，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)分散劑會在煤顆粒表面形成多層吸附，增加表觀黏度；最后，分散劑溶于水產(chǎn)生水化作用，導(dǎo)致自由水減小，增加黏度[15]。水煤漿的表觀黏度存在一個最小值442.31×10-3Pa·s(有穩(wěn)定劑時為903.85×10-3Pa·s)，最小值對應(yīng)的分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.000%，這與其他非離子型分散劑作用類似[16]。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%穩(wěn)定劑的加入顯然在很大程度上增加了水煤漿的表觀黏度(增幅為53.06%～124.23%)，且隨著分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，增幅逐漸減小。

水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與表觀黏度的關(guān)系如表3所示。由表3可知，隨著水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，表觀黏度呈現(xiàn)增加的趨勢，且相同水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，穩(wěn)定劑加入后，表觀黏度增加，增幅為38.40%～260.00%。這是由于對于同一種煤，水煤漿的表觀黏度與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)。穩(wěn)定劑增加表觀黏度的原因在于，針狀海泡石顆粒遇到水能夠迅速溶脹，形成無規(guī)律分散且互相制約的單體纖維或纖維束，同時增加了體積，大大增加了水煤漿的表觀黏度和穩(wěn)定性。

表3 水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與表觀黏度的關(guān)系Table 3 Relationship between mass fraction and apparent viscosity of coal water slurry

2.3 水煤漿的析水率

圖3所示為水煤漿的析水率與穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系。由圖3可看出，隨著穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的水煤漿析水率先降低，穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%后，析水率值保持0.2%恒定不變。這說明穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.5%后，對漿體的穩(wěn)定性不產(chǎn)生較大的影響。雖然水煤漿中的穩(wěn)定劑超過一定限度后，繼續(xù)增加用量，不會再顯著增強(qiáng)水煤漿的穩(wěn)定性，但可能顯著增加表觀黏度(如表2所示)，這對分散劑降黏不利。因此，本實(shí)驗中穩(wěn)定劑最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為0.5%。

圖3 漿體析水率與穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between water separating proportion and mass fraction of stabilizer

2.4 剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系

實(shí)驗測試的剪切應(yīng)力和剪切速率數(shù)據(jù)曲線見圖4～圖6。顯然，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為66%～72%的水煤漿符合假塑性體及膨塑流體特征。故存在下面關(guān)系：

τ=Kγn

(1)

式中：τ為切應(yīng)力，Pa；γ為切變率，s-1；K為稠度系數(shù)，Pa·sn(n為流動指數(shù))。

實(shí)驗數(shù)據(jù)的回歸方程為：

lnτ=lnK+nlnγ

(2)

通過繪制切應(yīng)力-切變率曲線圖，將lnτ作為lnγ的函數(shù)，進(jìn)行線性回歸擬合，得到參數(shù)K和n的值。不同情況下K和n擬合結(jié)果見表4～表6。

圖4所示為質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%水煤漿中分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大時，剪切應(yīng)力和剪切速率擬合曲線。由圖4可以看出，同一剪切率下，剪應(yīng)力隨著分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小。當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，呈現(xiàn)明顯的假塑性體流體特征。這是由于分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(小于1.0%)增大導(dǎo)致水煤漿的表觀黏度降低(見表2)，從而導(dǎo)致剪應(yīng)力降低。表4所示為圖4數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。由表4可知，隨著分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，稠度系數(shù)K有減小的趨勢，同時流動指數(shù)n也隨著分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大。鑒于稠度系數(shù)K值越小，漿體越稀，黏度就越低[17]。因此，由表4還可知，隨著分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，在0 s-1～400 s-1剪切速率區(qū)間表觀黏度逐漸降低，而同時水煤漿的假塑性特征逐漸減弱。

圖4 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對流變特性的影響Fig.4 Effect of mass fraction of dispersant on rheological characteristic□—Mass fraction of dispersant is 0.5%；×—Mass fraction of dispersant is 0.8%；○—Mass fraction of dispersant is 1.0%；—Pseudoplastic body fitting

表4 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對流變參數(shù)的影響Table 4 Effect of mass fraction of dispersant on rheological parameters

圖5所示為分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時，剪切應(yīng)力和剪切速率的擬合曲線。表5所示為圖5數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。由圖5可看出，同一剪切率下，漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，剪應(yīng)力越大。由表5可以看出，隨漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，流動指數(shù)n和稠度系數(shù)K均呈現(xiàn)增大趨勢，說明隨著漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，漿體表觀黏度逐漸增大，同時流體逐漸由假塑性流體過渡到脹塑性流體[14]。

圖5 水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對流變特性的影響Fig.5 Effect of mass fraction of coal water slurry on rheological characteristic□—Mass fraction of coal water slurry is 66%；×—Mass fraction of coal water slurry is 68%；○—Mass fraction of coal water slurry is 70%；△—Mass fraction of coal water slurry is 72%；—Pseudoplastic body fitting

表5 水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對流變參數(shù)的影響Table 5 Effect of mass fraction of coal water slurry on rheological parameters

圖6所示為穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對流變特性的影響。由圖6可以看出，分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的水煤漿隨著穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，剪切應(yīng)力先增大后減小，最后恒定不變。由圖6還可以看出，穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%增大到0.7%時，流變曲線變化幅度很小，兩者基本重合。這表明穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.5%時，其對水煤漿的表觀黏度已無大的影響。

表6所示為圖6各曲線的擬合結(jié)果。由表6可以看出，隨著穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，流動指數(shù)n逐漸減小，稠度系數(shù)K逐漸增加。這是由于，穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會導(dǎo)致水煤漿越來越稠，黏度越來越大，同時假塑性特征隨穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而增強(qiáng)。

圖6 穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對流變特性的影響Fig.6 Effect of mass fraction of stabilizer on rheological characteristic□—Mass fraction of stabilizer is 0%；×—Mass fraction of stabilizer is 0.3%；◇—Mass fraction of stabilizer is 0.5%；△—Mass fraction of stabilizer is 0.7%；—Pseudo-plastic body fitting

表6 穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對流變參數(shù)的影響Table 6 Effect of mass fraction of stabilizer on rheological parameters

2.5 水力坡度

圖7～圖9所示為水煤漿管道輸送的水力坡度與泵流量關(guān)系測試結(jié)果。由圖7～圖9可以看出，水煤漿流量在0.5×10-3m3/s～2.5×10-3m3/s范圍逐漸增大時，煤漿水力坡度增大，穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對水力坡度的影響相對較小。

圖7a所示為質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的水煤漿依次加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%，0.8%和1.0%的分散劑后，在35 mm管道中流動的水力坡度值與流量的關(guān)系。由圖7a可以看出，在水煤漿中分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，水力坡度值越小。這種現(xiàn)象可由表2得到解釋，分散劑由0.5%增加大1.0%的過程中，水煤漿的表觀黏度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，直接導(dǎo)致水力坡度降低。這說明，水煤漿管道輸送時采用月桂醇聚氧乙烯醚作為分散劑的減阻效果明顯。

圖7 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水力坡度的影響Fig.7 Effect of mass fraction of dispersant, mass fraction of coal water slurry and mass fraction of stablizeron hydraulic gradienta—Mass fraction of dispersant；b—Mass fraction of coal water slurry；c—Mass fraction of stablizer

圖7b所示為水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水力坡度的影響。由圖7b可以看出，在管徑為50 mm的煤漿管道中，分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，水力坡度就越大。這是由于漿體黏度與水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)正相關(guān)，因而質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大會導(dǎo)致黏度較大，從而輸送水力坡度就越大。

圖7c所示為穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對水力坡度的影響。由圖7c可以看出，分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%水煤漿在管徑為35 mm的管道中輸送時，加入的穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸由0.3%增加到0.7%時，漿體輸送水力坡度也相應(yīng)增加，但是增加的趨勢有所降低。再結(jié)合圖3的分析可知，穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.5%后，其對漿體穩(wěn)定性和水力坡度的影響已較小。這是由于穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會導(dǎo)致黏度增大，從而增加了水力坡度值。

3 水力坡度理論分析

3.1 水力坡度計算公式推導(dǎo)

通過前面的實(shí)驗數(shù)據(jù)分析，已確定研究中水煤漿符合假塑性流體及脹塑流體流動特征，其層流到紊流過渡雷諾數(shù)Red定義為：

(3)

式中：ρm為水煤漿密度，kg/m3；Vm為水煤漿管道輸送平均流速，m/s；D為管道直徑，m；μe為有效黏度(Pa·s)。μe可用下式計算[18]：

(4)

通過計算，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗中各種流速下，水煤漿漿體雷諾數(shù)Red范圍為8.27～710.24。非牛頓流體流動指數(shù)n接近1時，可采用與牛頓流體相同的方法確定其是層流還是紊流流動而不會造成較大偏差[19]。一般認(rèn)為牛頓體雷諾數(shù)小于2 100～2 300時為層流，大于4 000為紊流。由此斷定，本實(shí)驗中水煤漿管道輸送均為層流流動。

根據(jù)雷諾數(shù)定義，再結(jié)合式(3)和式(4)，可以得到：

(5)

則根據(jù)阻力系數(shù)λ定義，存在：

(6)

均質(zhì)漿體水力坡度公式為[20]：

(7)

式中：im為漿體管道流動水力坡度，Pa/m。式(7)可以看作是基于流變參數(shù)n和K的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿水力坡坡度計算公式。

3.2 水力坡度計算公式驗證

采用式(7)得到的水煤漿輸送水力坡度計算值與實(shí)測水力坡度的對比見圖8。由圖8可以看出，均質(zhì)漿體阻力計算公式(7)的計算值與實(shí)測值的偏差不超過18%。這說明式(7)可以對水煤漿輸送水力坡度進(jìn)行一定程度的預(yù)測。

圖8 水力坡度計算值與實(shí)測值的對比Fig.8 Comparison between calculated value and measured value of hydraulic gradient

造成式(7)水力坡度計算值與實(shí)測值有一定偏差的原因可能為：水煤漿以層流形式輸送時，切變率較小，限于流變參數(shù)采用的儀器尺寸等因素導(dǎo)致偏差；流變參數(shù)n和K通過數(shù)據(jù)擬合確定時導(dǎo)致偏差；此外，利用電磁流量計和法蘭壓差變送器在測試數(shù)據(jù)中也可能存在一定偏差。

通過水力坡度的實(shí)驗研究和理論分析，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗所研究的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿在相同流量時的水力坡度值與分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)負(fù)相關(guān)，與水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)正相關(guān)，且水力坡度值可用含流變參數(shù)n和K的均質(zhì)漿體水力坡度公式計算。

4 結(jié) 論

1) 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，最高制漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%；分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%水煤漿的極限沉降濃度存在最大值78.03%；分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，極限沉降濃度比最高制漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)大3.78%。

2) 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%水煤漿的表觀黏度存在最小值442.31×10-3Pa·s(有穩(wěn)定劑時為903.85×10-3Pa·s)，對應(yīng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%；質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%穩(wěn)定劑的加入可以增加水煤漿的表觀黏度；表觀黏度隨著水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大；穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%的水煤漿析水率先降低，達(dá)到0.2%后恒定不變。

3) 隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%水煤漿的分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，剪應(yīng)力減小，表觀黏度降低，假塑性特征逐漸減弱；分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，隨著水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，剪應(yīng)力和表觀黏度也增大，水煤漿從假塑性流體過渡到脹塑性流體；質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%水煤漿隨著穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，剪切應(yīng)力先增后減，最后恒定不變，穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.5%時，對表觀黏度已無影響。

4) 隨著分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%水煤漿的水力坡度逐漸降低；水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，水力坡度越大；當(dāng)穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時，水力坡度先增加，當(dāng)穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.5%后，其對水力坡度的影響已很小。假塑性流體及脹塑流體水力坡度可通過先確定流變參數(shù)n和K，后采用均質(zhì)漿體水力坡度公式計算，計算值與實(shí)測值最大偏差不超過18%。