水煤漿管道輸送摩阻損失研究①

王鐵力

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司 管道工程院,湖北 武漢430064)

近年來,非離子表面分散劑發(fā)展極為迅速,應(yīng)用越來越廣泛。 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。 非離子型分散劑雖然價(jià)格稍貴, 但用量少,可降低對(duì)煤質(zhì)和水質(zhì)的要求, 明顯提高水煤漿質(zhì)量［1］。 此外,通過對(duì)非離子型分散劑的結(jié)構(gòu)、生成方式、反應(yīng)原料的研究,有助于研制性價(jià)比更好的分散劑。 十二醇醚是一種重要的脂肪醇聚氧乙烯醚,是非離子表面分散劑中發(fā)展最快、用量最大的品種之一。 十二醇醚作為一種主要的非離子分散劑,對(duì)改變水煤漿黏度、制取高濃度水煤漿具有重要作用［2-4］。 但水煤漿中十二醇醚的最佳濃度及其對(duì)煤漿管道輸送摩阻損失的影響研究還未見到,而摩擦阻力對(duì)于管道輸送尤為重要［5］。 因此,有必要開展這方面的研究。

1 水煤漿實(shí)驗(yàn)研究

1.1 固體顆粒特性

實(shí)驗(yàn)所用煤顆粒取自遼北某礦,其特性如表1 所示。 該煤粒收到基低位發(fā)熱量為21.87 MJ/kg,空氣干燥基高位發(fā)熱量為23.12 MJ/kg,可磨性為70。

表1 實(shí)驗(yàn)用煤工業(yè)分析和元素分析結(jié)果

從表1 可以看出,氧/碳比為0.18,介于0.1 ～0.2之間,有利于形成高濃度煤漿。 煤中內(nèi)在水分含量較低,有利于形成高濃度煤漿。 而高揮發(fā)的長焰煤變質(zhì)程度低,不利于成漿。 煤可磨性介于中等可磨和易磨之間。 由煙煤成漿性指標(biāo)［1］計(jì)算可知,該煤粒成漿較難,最高制漿濃度為68.48%。

為了制取最佳濃度煤漿,參考Dinger 模型理想分布［1］,再結(jié)合多峰級(jí)配成漿實(shí)驗(yàn),通過多次實(shí)驗(yàn),確定最佳顆粒級(jí)配曲線如圖1 所示。 從圖1 可看出,煤顆粒范圍為7～200 μm,d50為25 μm。

圖1 煤顆粒級(jí)配曲線

實(shí)驗(yàn)用十二醇醚是一種白色蠟狀顆粒,水溶性較好,耐酸、耐堿、耐硬水、穩(wěn)定性良好。 十二醇醚作為一種非離子型分散劑,其分散效果與溶液pH 值無關(guān),受鹽和電解質(zhì)的影響小。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)施

煤漿管道輸送實(shí)驗(yàn)管路見圖2。 管道輸送時(shí),煤漿流量調(diào)節(jié)范圍為(0.5～4.0)×10-3m3/s,煤漿質(zhì)量濃度變化值為62%、64%和66%,對(duì)應(yīng)的密度分別為1 259、1 268 和1 277 kg/m3。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 中管路材質(zhì)為無縫鋼管,內(nèi)徑分別為35 mm和50 mm。 變頻器可以連續(xù)改變漿體泵的電機(jī)工作電源頻率,從而達(dá)到輸送系統(tǒng)流量無極調(diào)速。 泄流閥是為了管道的安全而設(shè)置的,也可以根據(jù)需要人為操作排空管道中的水煤漿。 熱交換器的作用是在水煤漿流動(dòng)中維持漿體溫度恒定在20 ℃。 通過電磁流量計(jì)可以得到水煤漿流量數(shù)據(jù)。 通過雙法蘭壓差變送器可以獲得一定流量下水煤漿摩阻損失值。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

首先測(cè)定0～400 s-1剪切率范圍內(nèi)剪切速率對(duì)應(yīng)的切應(yīng)力值,繪制流變圖線。 其次進(jìn)行分散劑濃度分別為0.4%、0.8%和1.1%時(shí)濃度62%的煤漿在直徑35 mm管道中流動(dòng)的輸送實(shí)驗(yàn),測(cè)試每一流量Q 值對(duì)應(yīng)的摩阻損失im值；然后進(jìn)行分散劑濃度為1.1%,濃度分別為62%、64%和66%的煤漿在直徑50 mm 管道中流動(dòng)的輸送實(shí)驗(yàn),測(cè)試每一流量Q 值對(duì)應(yīng)的摩阻損失im值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文中煤漿剪切速率和切應(yīng)力等流變參數(shù)分析結(jié)果表明,煤漿流動(dòng)特性符合Herschel Bulkley 流體特征,即:

式中τ 為切應(yīng)力,Pa；τ0為屈服應(yīng)力,Pa；γ 為切變率,s-1；K 為稠度系數(shù),Pa·sn；n 為流動(dòng)指數(shù)。

數(shù)據(jù)分析及擬合結(jié)果表明:煤漿屈服應(yīng)力τ0變化范圍為4.24 ～6.37 Pa,流動(dòng)指數(shù)n 變化范圍為0.87 ～1.13,稠度指數(shù)K 變化范圍為0.35～1.45 Pa·sn。

實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)定了48 組流量與摩阻損失數(shù)據(jù),測(cè)試結(jié)果如圖3 和圖4 所示。 從圖3 和圖4 可以看出,隨著煤漿流量增大,摩阻損失也增大。 從圖3 可以看出,漿體中分散劑濃度越大(煤漿濃度為62%),則管徑35 mm 管道中煤漿摩阻損失值越小。 這說明十二醇醚作為煤漿分散劑,具有明顯的減阻作用。 其原因在于十二醇醚會(huì)與水分子形成氫鍵,在煤顆粒表面形成一層水化膜,使原疏水表面轉(zhuǎn)換為親水表面,表現(xiàn)為煤漿黏度降低,從而造成摩阻損失增大。

圖3 分散劑濃度對(duì)摩阻損失的影響

圖4 煤漿濃度對(duì)摩阻損失的影響

圖4顯示,煤漿濃度越大(分散劑濃度1.1%),管徑50 mm 管道中煤漿摩阻損失越大。 這是因?yàn)闈舛仍酱?煤漿單位體積內(nèi)固體顆粒含量就會(huì)增加,導(dǎo)致煤漿黏度增加,從而增大了阻力。

煤漿阻力與煤漿的流動(dòng)狀態(tài)存在密切關(guān)系。 本研究中,流體雷諾數(shù)最大值為772.26,最小值為13.55,又因?yàn)槊簼{流動(dòng)指數(shù)n 接近1。 根據(jù)有關(guān)研究,非牛頓流體流動(dòng)指數(shù)n 接近1 時(shí),可采用與牛頓流體相同的方法確定其層流還是紊流流動(dòng)而不會(huì)造成較大偏差［6］,因此,確定本文中管道輸送時(shí)煤漿流態(tài)為層流。

根據(jù)有關(guān)研究［7］,任何與時(shí)間無關(guān)的非牛頓體層流時(shí),平均切變率8U/D 只是剪切應(yīng)力的函數(shù),可用下式表示:

式中τw為管壁切應(yīng)力,Pa；L 為管道長度,m；ΔP 為長度L 段的壓降,Pa；η*為綜合有效黏度,Pa·s；U 為管道內(nèi)煤漿平均速度,m/s；D 為管道直徑,m。

式(2)可變?yōu)?

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),繪制η*與平均切變率8U/D 的關(guān)系如圖5～6 所示。 通過煤漿流量Q=(0.5～2.5)×10-3m3/s 范圍內(nèi)的30 組8U/D-η*數(shù)據(jù)擬合,發(fā)現(xiàn)綜合有效黏度η*與切變率8U/D 近似成線性關(guān)系,兩者關(guān)系可用下式表示:

從圖5 可以發(fā)現(xiàn),煤漿濃度62%時(shí),分散劑濃度越大,則綜合有效黏度越小。 隨著平均切變率8U/D 增加,綜合有效黏度有增加的趨勢(shì),不過增加趨勢(shì)不明顯。 分散劑濃度增加,有利于降低煤漿黏度,這在一定程度上減少了綜合有效黏度。 從圖6 可看出,隨著煤漿濃度增大,綜合有效黏度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖5 不同分散劑濃度下綜合有效黏度與切變率的關(guān)系

圖6 不同煤漿濃度下綜合有效黏度與切變率的關(guān)系

從上面分析可知,本文所研究的Herschel Bulkley流體摩阻損失可用下式計(jì)算:

圖7 為基于流量(3.0 ～4.0)×10-3m3/s 范圍內(nèi)18組數(shù)據(jù)的摩阻損失計(jì)算值(式(5))與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況。 可以看出,摩阻損失計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的偏差為17.12%,不超過18%。 偏差產(chǎn)生的原因主要為實(shí)驗(yàn)測(cè)量偏差以及數(shù)據(jù)擬合存在偏差。 這說明,式(5)可以對(duì)水煤漿管道輸送的摩阻損失進(jìn)行一定程度的預(yù)測(cè)。

圖7 摩阻損失計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3 結(jié) 語

1) 十二醇醚分散劑濃度與水煤漿摩阻損失值負(fù)相關(guān),水煤漿濃度與摩阻損失值正相關(guān),十二醇醚分散劑對(duì)水煤漿管道輸送有明顯的減阻作用。

2) 水煤漿的綜合有效黏度與平均切變率近似成線性關(guān)系,煤漿濃度62%時(shí),綜合有效黏度與分散劑濃度負(fù)相關(guān),與水煤漿濃度正相關(guān)。

3) 基于理論推導(dǎo)和數(shù)據(jù)擬合,給出了Herschel Bulkley 流體的摩阻損失計(jì)算公式,公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差不大于18%。