基于管流法和旋轉(zhuǎn)法的洗煤泥流變特性比較研究*

張圓圓 陳春瑞 趙文鑫 趙沛禎 王鵬程 楊鳳玲

(1.山西大學(xué)CO2減排與資源化利用教育部工程研究中心，國(guó)家環(huán)境保護(hù)煤炭廢棄物資源化高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，030006 太原；2.山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司，045000 山西陽(yáng)泉)

0 引 言

洗煤泥是煤炭洗選過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物[1]，是一種高濃度黏稠膏體，屬于典型的非牛頓流體。其遇水即流失、風(fēng)干易飛揚(yáng)[2]的特點(diǎn)限制了煤泥的資源化利用。然而，收到基低位發(fā)熱量約在8 MJ/kg～17 MJ/kg的洗煤泥[3]又是一種低熱值燃料。利用煤泥進(jìn)行循環(huán)流化床燃燒發(fā)電，不僅可以實(shí)現(xiàn)煤基廢棄物的資源化利用，而且可以降低電廠燃料成本，在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，解決環(huán)境污染問(wèn)題。

在煤泥用于循環(huán)流化床燃燒的過(guò)程中，管道輸送是循環(huán)流化床大規(guī)模投用煤泥的重要環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確測(cè)定煤泥的流變特性，并獲取流變參數(shù)對(duì)煤泥輸送管道的設(shè)計(jì)及運(yùn)行有理論指導(dǎo)價(jià)值。目前，測(cè)定煤泥流變特性的主要方法有管流法和旋轉(zhuǎn)法。在管流法測(cè)定煤泥流變特性方面，唐曉明等[4-5]采用管流法研究了含水率、剪切速率對(duì)洗煤泥流變特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)含水率越小，管道輸送屈服應(yīng)力越大；隨著洗煤泥剪切速率的增大，剪切應(yīng)力也增大。TSAI et al[6]采用管流法研究了煤粉含量、粒度、粒度分布及溫度對(duì)煤泥流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)煤泥黏度隨著煤粉含量的增多而變大；粒度越小，黏度越大；溫度增大，黏度相對(duì)降低。呂帥[7]采用擠壓泵管道循環(huán)回送裝置進(jìn)行了印尼褐煤煤泥漿管道流變特性的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)擬合回歸分析，用雙對(duì)數(shù)曲線表征了煤泥膏體的流變特性。潘清波等[8]得到了煤泥膏體流速與表觀黏度、剪切速率、剪切應(yīng)力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著煤泥膏體流速的增大，剪切速率隨之增大；煤泥表觀黏度隨著剪切速率的增大而減??；煤泥剪切應(yīng)力隨著剪切速率增大而增大。GAO et al[9]確定了煤泥(濃度為57.06%～45.44%)在不同管徑下輸送的流變模型，發(fā)現(xiàn)濃度為57.06%～45.44%的煤泥屬于剪切變稀的假塑性非牛頓流體。陳丹丹等[10-11]通過(guò)Herschel-Bulkley模型擬合確定了漿體濃度在39.24%～41.48%的煤泥屬于假塑性流體，濃度在42.32%～43.33%的煤泥屬于屈服假塑性流體。在旋轉(zhuǎn)法測(cè)定煤泥流變特性方面，有學(xué)者[12-15]采用流變儀分析探究了剪切速率、煤泥濃度對(duì)煤泥流變特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著剪切速率的增大，煤泥表觀黏度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；隨著煤泥濃度的增大，煤泥的表觀黏度增大。另外，有多位學(xué)者[16-23]采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)分析探究了不同含水率的煤泥剪切速率、剪切應(yīng)力、表觀黏度的關(guān)系，并通過(guò)關(guān)系曲線分析出煤泥的流變狀態(tài)隨含水率的增大，由賓漢性流體轉(zhuǎn)變?yōu)榧偎苄粤黧w。然而，目前關(guān)于運(yùn)用管流法和旋轉(zhuǎn)法同時(shí)測(cè)定并比較煤泥流變特性的研究還少有報(bào)道。

本研究以洗煤泥為研究對(duì)象，同時(shí)采用管流法和旋轉(zhuǎn)法探究了含水率、剪切速率、剪切時(shí)間對(duì)煤泥流變特性的影響，并對(duì)兩種方法所得流變特性進(jìn)行系統(tǒng)比較，為煤泥流變特性的評(píng)價(jià)及管道輸送設(shè)計(jì)提供重要理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品性質(zhì)及制備

實(shí)驗(yàn)所用煤泥樣品采自山西省長(zhǎng)治市宏魯洗煤廠，煤泥的基本理化特性如表1所示。樣品的工業(yè)分析采用智能馬弗爐(CTW-500B，中國(guó))，按照GB/T 212-2008進(jìn)行測(cè)定。

表1 洗煤泥的工業(yè)分析(%*)Table 1 Proximate analysis of coal slime(%*)

不同含水率煤泥樣品的制備：通過(guò)原料煤泥含水率的測(cè)定，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)含水率，加水配置成不同含水率的煤泥樣品備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

煤泥的流變特性通過(guò)管流法和旋轉(zhuǎn)法測(cè)定。

管流法實(shí)驗(yàn)采用自行搭建的垂直+水平管路壓降裝置(如圖1所示)，該裝置主要由管道、壓力表、單螺桿泵、變頻器和物料儲(chǔ)存筒等部分構(gòu)成。其中管道采用鍍鋅不銹鋼管，內(nèi)徑為40 mm，整個(gè)管路等徑連通；壓力表選用隔膜壓力表(最大量程為1 MPa)，管路上共安裝了6個(gè)隔膜壓力表，每個(gè)壓力表的示數(shù)依次為p1，p2，p3，p4，p5，p6，其中p4和p5為實(shí)驗(yàn)取點(diǎn)，兩點(diǎn)相距L=1.0 m；變頻器最大頻率為50 Hz，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)改變變頻器頻率來(lái)控制物料泵送的流速。

圖1 垂直+水平管路壓降裝置Fig.1 Schematic diagram of vertical+horizontal pipeline pressure drop device1—Pipeline；2—Pressure gage；3—Helical rotor pump；4—Transducer；5—Check valve；6—Material barrel

旋轉(zhuǎn)法實(shí)驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)流變儀(Malvern Kinexus lab+)來(lái)進(jìn)行，裝置如圖2所示，主要由流變儀、主機(jī)、顯示器三部分組成，通過(guò)設(shè)定剪切速率可得到不同含水率下的膏體流變特性曲線，通過(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)可測(cè)定樣品的表觀黏度等一些基本流變參數(shù)。

圖2 Malvern Kinexus lab+旋轉(zhuǎn)流變儀Fig.2 Schematic diagram of rotary rheometer of Malvern Kinexus lab+

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 測(cè)試方法

1) 管流法。將不同含水率(27.6%，31.2%，35.3%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))的煤泥，倒入垂直+水平管路壓降裝置中循環(huán)泵送3 min，保證物料的均勻性。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，依次改變變頻器頻率從5 Hz到50 Hz(頻率梯度為5 Hz)，在每種工況下，讀取并記錄壓力表p4和p5的示數(shù)，同時(shí)運(yùn)用量筒稱重法測(cè)定計(jì)算管路出口處的流速v。

2) 旋轉(zhuǎn)法。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：環(huán)境溫度為25 ℃，初始剪切速率為10 s-1，結(jié)束剪切速率為350 s-1，單次剪切時(shí)間為5 min。在研究剪切時(shí)間對(duì)煤泥或污泥流變特性的影響時(shí)，給定兩種剪切速率35 s-1和70 s-1，剪切時(shí)間取6 min，每30 s取一個(gè)點(diǎn)。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理方法

管流法實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于煤泥在管道中流動(dòng)，其管壁面剪切應(yīng)力τw和剪切速率Sw滿足冪定律本構(gòu)方程，即

(1)

式中：τ0為屈服剪切應(yīng)力；K為冪定律系數(shù)；n為冪定律指數(shù)。

根據(jù)力平衡關(guān)系可知τw與管徑D、單位管長(zhǎng)壓降ΔpH/L的關(guān)系為：

ΔpH=p4-p5-ρgh

(2)

(3)

式中：ΔpH為壓降，MPa；ρ為對(duì)應(yīng)含水率下煤混膏體的密度，kg/m3；h為p4到p5的垂直高度，m。

即測(cè)得D，ΔpH，L，可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力τw。

(4)

(5)

(6)

式中：n′為修正冪定律指數(shù)，通過(guò)雙對(duì)數(shù)曲線擬合可得；Qm為煤混膏體的質(zhì)量流量，kg/s。

根據(jù)式(1)～式(6)可計(jì)算得到每種工況下的剪切速率和剪切應(yīng)力。煤泥膏體表觀黏度為剪切應(yīng)力與剪切速率的商值。

2 結(jié)果與討論

2.1 含水率對(duì)煤泥流變特性的影響

2.1.1 基于管流法的煤泥膏體流變特性

圖3所示為基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的單位管長(zhǎng)壓降隨頻率的變化曲線。由圖3可以看出，對(duì)于三種含水率的煤泥，隨著頻率的增大，單位管長(zhǎng)壓降均呈增大的趨勢(shì)。對(duì)同一頻率不同含水率的煤泥而言，隨著含水率的增加，單位管長(zhǎng)壓降逐漸減小，即煤泥的含水率越低，泵送所需要的能耗就相對(duì)越高。含水率為27.6%的煤泥膏體在低頻率(5 Hz)下的單位管長(zhǎng)壓降約為含水率為35.3%的煤泥膏體單位管長(zhǎng)壓降的3倍。含水率為27.6%的煤泥膏體的單位管長(zhǎng)壓降隨頻率的增加尤為顯著，這表明當(dāng)煤泥膏體的含水率較低時(shí)，管道泵送所需要的能耗更高，且隨著泵送頻率的增大(即流速加快)，所需要的能耗也會(huì)顯著增加。

圖3 基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的單位管長(zhǎng)壓降隨頻率的變化曲線Fig.3 Variation curves of pressure drop per unit pipe length of slime paste with different moisture contents as a function of frequency based on tube-flowing method

圖4所示為基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線。由圖4可以看出，對(duì)同一含水率下的煤泥膏體，隨著剪切速率的增大，剪切應(yīng)力均呈增大的趨勢(shì)。對(duì)同一剪切速率不同含水率的煤泥而言，隨著含水率的降低，剪切應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)剪切速率大于200 s-1之后，含水率為27.6%的煤泥膏體的剪切應(yīng)力相比其他兩種膏體的剪切應(yīng)力增加的趨勢(shì)更加顯著。這同樣說(shuō)明隨著含水率的減小，剪切應(yīng)力越來(lái)越大，即應(yīng)力越大，泵送需要的能耗越高。

圖4 基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.4 Shear rate-shear stress relationship curves of slime paste with different moisture contents based on tube-flowing method

圖5所示為基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-表觀黏度關(guān)系曲線。由圖5可以看出，對(duì)同一含水率的煤泥膏體，隨著剪切速率的增大，表觀黏度均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。對(duì)同一剪切速率不同含水率的煤泥而言，隨著含水率的增大，表觀黏度逐漸減小。由圖5還可以看出，相比于高剪切速率條件，低剪切速率下的煤泥膏體表觀黏度減小的趨勢(shì)更加顯著。通過(guò)圖5可知含水率是影響煤泥膏體流變特性的一個(gè)主要因素。隨著含水率的減小，膏體越稠，黏度也越大，管道泵送過(guò)程中的沿程阻力越大，相應(yīng)的泵送所需要的能耗也越高。

圖5 基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-表觀黏度關(guān)系曲線Fig.5 Shear rate-apparent viscosity relationship curves of slime paste with different moisture contents based on tube-flowing method

2.1.2 基于旋轉(zhuǎn)法的煤泥膏體流變特性

圖6所示為基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率的煤泥膏體的Bingham模型或Herschel-Bulkley模型擬合曲線。由圖6可知，通過(guò)Bingham模型擬合發(fā)現(xiàn)，含水率為27.6%的煤泥膏體屬于賓漢性流體；通過(guò)Herschel-Bulkley模型擬合發(fā)現(xiàn)，含水率為31.2%和35.3%的煤泥膏體屬于屈服假塑性流體。

圖6 基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率的煤泥膏體的Bingham模型或Herschel-Bulkley模型擬合曲線Fig.6 Fitting curves of Bingham model or Herschel-Bulkley model for slime paste with different moisture contents based on rotation method

三種含水率的煤泥膏體流變特性方程如表2所示。由流變特性方程可以看出，隨著煤泥含水率的增大，煤泥的非牛頓流體類型從賓漢流體變化為屈服假塑性流體，而且屈服應(yīng)力也隨之減小。

表2 不同含水率的煤泥流變特性方程Table 2 Slime rheological properties equation with different moisture contents

圖7所示為基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率煤泥膏體的剪切速率-剪切應(yīng)力曲線。由圖7可以看出，對(duì)同一含水率不同剪切速率的煤泥，隨著剪切速率的增加，剪切應(yīng)力也隨之增加。對(duì)同一剪切速率不同含水率的煤泥，隨著含水率的增加，剪切應(yīng)力隨之減小。由表2可知，含水率為35.3%的洗煤泥屈服應(yīng)力為88.95 Pa，而含水率為27.6%的洗煤泥屈服應(yīng)力為652.85 Pa。平均計(jì)算可知每增加1%含水率，屈服應(yīng)力增加73.32 Pa。低含水率的洗煤泥在高剪切速率下，剪切應(yīng)力的增量越來(lái)越大。這表明隨著含水率的降低，膏體稠度增大，流動(dòng)需要克服的屈服應(yīng)力增大，相應(yīng)增大了泵送所需能耗。

圖7 基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.7 Shear rate-shear stress relationship curves of slime paste with different moisture contents based on rotation method

圖8所示為基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-表觀黏度曲線。由圖8可以看出，對(duì)同一含水率的洗煤泥，隨著剪切速率的增大，表觀黏度降低。含水率為27.6%的洗煤泥在初始剪切速率(12.3 s-1)時(shí)的黏度為42.33 Pa·s，而含水率為35.3%的洗煤泥在初始剪切速率(12.3 s-1)時(shí)的黏度為9.92 Pa·s。在低剪切速率下，對(duì)同一剪切速率不同含水率的煤泥，隨著含水率的增大，黏度顯著降低，這說(shuō)明了高濃度的煤泥膏體黏度相對(duì)更大，且每增加1%含水率，黏度不呈線性增加，而是呈多倍數(shù)增加。

圖8 基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-表觀黏度關(guān)系曲線Fig.8 Shear rate-apparent viscosity relationship curves of slime paste with different moisture contents based on rotation method

2.2 剪切時(shí)間對(duì)煤泥流變特性的影響

圖9所示為基于旋轉(zhuǎn)法得到的定剪切速率(35 s-1，70 s-1)下不同含水率的煤泥的剪切時(shí)間-表觀黏度曲線。由圖9a可以看出，隨著剪切時(shí)間的增加，含水率為25.73%的煤泥的表觀黏度呈上升趨勢(shì)，具有剪切變稠的特點(diǎn)；而含水率為30.87%的煤泥，隨著剪切時(shí)間的增加，其表觀黏度呈下降趨勢(shì)，具有剪切變稀的特點(diǎn)。當(dāng)含水率>31.20%時(shí)，剪切時(shí)間對(duì)煤泥表觀黏度的影響變小，幾乎可以忽略不計(jì)。當(dāng)含水率≥33.78%時(shí)，煤泥的黏度極其穩(wěn)定，不隨剪切時(shí)間的變化發(fā)生變化。這表明在低剪切速率(35 s-1)下，適當(dāng)增加含水率可降低剪切時(shí)間對(duì)煤泥流變特性的影響。由圖9b可以發(fā)現(xiàn)，在含水率<31.20%時(shí)，煤泥膏體的黏度出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)含水率≥33.78%時(shí)，剪切時(shí)間對(duì)煤泥表觀黏度的影響極小，幾乎不隨剪切時(shí)間的變化發(fā)生變化。

圖9 25 ℃下剪切速率為35 s-1和70 s-1時(shí)不同含水率的煤泥的剪切時(shí)間-表觀黏度關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between shear time and apparent viscosity of coal slime with different moisture contents at 25 ℃ with shear rate of 35 s-1 and 70 s-1a—35 s-1；b—70 s-1

由圖9可推測(cè)，表觀黏度發(fā)生變化的主要原因?yàn)榱髯儍x轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中使煤顆粒與水混合得更加均勻，其次高剪切速率改變了煤泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了使煤泥膏體泵送的過(guò)程中能耗更低，在實(shí)際應(yīng)用中可以在不改變攪拌轉(zhuǎn)速的情況下，增加攪拌時(shí)間來(lái)保證物料更加均勻。

2.3 兩種測(cè)定方法對(duì)比分析

管流法可測(cè)得管道流速與壓降之間的關(guān)系，在工程實(shí)踐方面更具指導(dǎo)意義[4-5]，旋轉(zhuǎn)法可提供剪切時(shí)間對(duì)煤泥膏體流變特性的影響規(guī)律[17]。為了客觀評(píng)價(jià)兩種測(cè)定方法，選取基于兩種測(cè)定方法的同種含水率煤泥流變特性結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖10。由圖10可以看出，對(duì)于同種含水率不同測(cè)定方法得到的煤泥流變特性，剪切應(yīng)力隨著剪切速率變化的趨勢(shì)基本相同，但兩種方法在所測(cè)數(shù)值上存在較大差異。其中旋轉(zhuǎn)法得到的剪切應(yīng)力曲線明顯高于管流法得到的剪切應(yīng)力曲線，若以基于旋轉(zhuǎn)法的試驗(yàn)結(jié)果估算實(shí)際管道泵送能耗，將會(huì)導(dǎo)致估算能耗偏高。而管流法基于更接近電廠的泵送裝置設(shè)計(jì)，所得到的結(jié)果更接近實(shí)際應(yīng)用過(guò)程，對(duì)工程設(shè)計(jì)更具指導(dǎo)價(jià)值。

圖10 不同測(cè)定方法下同種含水率的煤泥的剪切速率-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.10 Shear rate-shear stress relationship curves of coal slime with same moisture content under different determination methods

綜合分析兩種方法所測(cè)煤泥流變特性，可知：

1) 相比于旋轉(zhuǎn)法，管流法可以提供管道泵送過(guò)程中管段的單位管長(zhǎng)壓降，且在量化數(shù)值上更接近實(shí)際應(yīng)用過(guò)程，這對(duì)煤泥管道搭建更具現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。在管道設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)單位管長(zhǎng)壓降可計(jì)算整個(gè)泵送過(guò)程中的最小阻力損失，以便于確定泵的揚(yáng)程及型號(hào)。

2) 旋轉(zhuǎn)法可提供剪切時(shí)間對(duì)煤泥膏體流變特性的影響規(guī)律，這模擬了管道泵送之前的攪拌預(yù)處理過(guò)程，有助于獲取合適的攪拌方案，從而為管道泵送提供理論數(shù)據(jù)參考。

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)管流法和旋轉(zhuǎn)法，發(fā)現(xiàn)煤泥膏體的剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增大而增大，含水率對(duì)高濃度煤泥膏體的流變特性影響更加顯著。含水率為27.6%的煤泥膏體經(jīng)過(guò)Bingham模型擬合屬于賓漢性流體，而含水率為31.2%和35.3%的煤泥膏體經(jīng)過(guò)Herschel-Bulkley模型擬合屬于屈服假塑性流體。

2) 剪切時(shí)間也會(huì)影響洗煤泥的流變特性，在剪切速率一定的情況下，適當(dāng)增加含水率可以減小膏體的表觀黏度，或者在剪切速率和含水率一定的情況下適當(dāng)增加攪拌時(shí)間，可保證物料在泵送前更加均勻，降低泵送的能耗。

3) 通過(guò)比較管流法和旋轉(zhuǎn)法測(cè)得的煤泥流變特性，發(fā)現(xiàn)兩者在含水率對(duì)煤泥流變特性的影響上呈現(xiàn)相同的規(guī)律，但所測(cè)數(shù)值有較大差異。管流法可以提供管道泵送過(guò)程中垂直管段的單位管長(zhǎng)壓降，可以提供直接的工程參考。旋轉(zhuǎn)法可提供剪切時(shí)間對(duì)煤泥膏體流變特性的影響規(guī)律，有助于獲取合適的攪拌方案，從而為管道泵送提供理論數(shù)據(jù)參考。