第6卷第2期南京師范大學學報(工程技術版)20064F6 F JOURNAL OF NANJING NORMAL UNIVERSITY(ENGINEERING AND TECHNOLOGY) Jun, 2006壓力下水煤漿流變特性的測量王秋粉,任遠,陳良勇,段鈺鋒東南大學潔凈煤發(fā)電和燃燒技術教育部重點實驗室江蘇南京210096)[摘要]水煤漿是一種髙濃度、高粘性、不透明的固液分散懸浮體系表現出非牛頓流體的特性,其流變特性十分復雜,迄今為止難以給出理論上的流變模型表達式水煤漿流變特性是研究水煤漿的穩(wěn)定性輸送的可泵性、流動的阻力特性和霧化特性的前提和基礎詳細介紹了確定壓力下水煤漿流變特性的兩種試驗方法:管流法和旋轉粘度計法并對水煤漿輸送中產生的滑移現象進行了較深入的分析和討論,討論了滑移產生的原因及修正方法[關鍵詞]水煤漿流變特性壓力測量滑移[中圖分類號]TQ3[文獻標識碼]A[文章編號]1672-1292(2006)0200305Measurement for the rheological Behavior ofCoal Water Surry at Elevated PressureWANG Qiufen, REN Yuan, CHEN Liangyong, DUAN YufengKey Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of the Ministry of EducationSoutheast University, Nanjing 210096, ChinaAbstract: Coal water slurry(CWS)is solid-liquid suspended system with dense concentration, high viscosity and o-pacity, which features property of Non-Newtonian fluids. So far it is difficult to gain the rheological model in theorybecause of the complexity in its flows. The characterization study of rheological behavior in Cws is important for slur-ry stability, pumpability, flow resistance and atomization. Two experimental methods known as pipe-flow and rotation-al viscometer to determine the rheological behaviors of CWS are proposed. The slip phenomenon of Cws in pipe flow.is discussed deeply.Key words: coal water slurry, rheological behavior, pressure, measure, slippage0引言當前石油供給的安全性使人們越來越多地關注煤轉化技術,其中包括對水煤漿技術的研究水煤漿是由煤粉、水和少量添加劑混合而成的固液兩相懸浮流體,高濃度水煤漿的安全、穩(wěn)定和經濟地管道輸送是保證水煤漿高效應用的前提水煤漿的大規(guī)模商業(yè)應用取決于很多因素,包括漿的穩(wěn)定性,可泵性和霧化、燃燒特性,而這些因素又反過來影響水煤漿的流變特性特別地,水煤漿的穩(wěn)定性由其低剪切速率下的流變性決定,可泵性取決于中等剪切速率下漿的粘度,霧化和燃燒特性則取決于高剪切速率下漿的粘度可見,流變特性的研究是確定水煤漿管內其它流動規(guī)律(如速度分布、阻力損失計算等)的前提和基礎非牛頓流體的流變特性是研究剪切應力與剪切應變速率之間關系的規(guī)律,其分析表達式稱為流變模型或稱為本構關系.由于水煤漿是一種寬篩分、高含固量的復雜多級分散懸浮體系,影響其流變特性的因素十分復雜,往往同煤的化學性質特別是灰分和煤化程度、煤顆粒的粒度分布及形狀、煤粒之間的相互作用、溫度和濃度等因素有關23.另外,真實流變模型還受入中國煤化工水煤漿管內輸送收稿日期:2005-11-22.CNMHG基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2004CB217701)作者簡介:王秋粉(1982-),女碩士研究生,主要從事煤的潔凈燃燒與氣化等方面的學習和研究Emal;gwang1982@163.com通訊聯系人:段鈺鋒(1963-),教授博士生導師,主要從事煤的潔凈燃燒及污染物的控制等方面的教學與研究E-mail:yfduan@seu.edu.cn南京師范大學學報(工程技術版)第6卷第2期(2006的研究進展來看,世界各國都將水煤漿流變模型的確定作為研究的主要內容之般文獻都普遍認為水煤漿是不可壓縮的,因而都未考慮壓力對水煤漿流變特性的影響 GARRAT GW4等和 ATSUSHI TSUTSUM5等雖分別研究了高溫高壓下旋轉粘度計法和管流法的流變特性,但都沒有具體地分析壓力對水煤漿流變特性的影響為了發(fā)展大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術,有必要確定高壓下水煤漿的真實流變模型,為氣流床煤氣化的規(guī)?；头糯蠡瘧锰峁┰O計依據.為此,本文研究內容成為國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)的子課題“高濃度漿態(tài)非牛頓流體的流動特性和均配規(guī)律研究的一部分,對高濃度水煤漿在壓力下的流變特性進行了綜合分析和討論1流變模型流變特性的研究通常有兩種方法:一是從微觀角度出發(fā),即從懸浮液各部分的性質以及它們之間的相互作用,通過理論分析來建立關聯式;二是著眼于懸浮液的宏觀流動行為,即通過實驗來觀察懸浮液的流變特性,提出包含幾個參數的流變模型,然后利用流變學的知識通過實驗的方法來確定這些參數由于液固兩相高濃度水煤漿組成的復雜性,目前還無法從機理上探討流變特性的本構方程許多研究者對水煤漿流變特性的研究,通常是采用第二種方法,借助實驗數據由剪切應力的變化或某些與剪切速率相對應的“表觀粘度”的變化曲線得出流變模型大量實驗表明,水煤漿幾乎包括了非牛頓流體的各種類型,且存在明顯的結構化特征,即存在屈服應力.在較低剪切速率和較高的剪切速率下水煤漿呈現出牛頓流體特性,而在中等剪切速率下呈現假塑性體特性只有極少的水煤漿呈現出脹流性流體特性,此外,有的還具有較大的觸變性和粘彈性6目前,常采用的流變模型有以下幾種牛頓體:r=μy;冪率體:r=ky;n<1,偽塑性體;n>1膨脹體;賓漢體:r=丌+ηy;屈服冪率體r=r,+ky;n<1,有屈服應力的偽塑性體;n>1,有屈服應力的膨脹體;式中μ是粘度;k是流動相容系數(又叫稠度系數)以上模型簡單,直觀,可以直接反映剪切應力和剪切應變之間的關系,為進一步的研究提供了一定的基礎,但它的主要缺陷在于沒有考慮固相顆粒分布以及固相顆粒間的相互作用對懸浮體流變性的影響2測量方法利用流體力學的原理進行流變參數的測量,一般地說,是在一定的條件下,通過對試樣施加切應力(或變形)跟蹤受力后的響應(或應力)與時間的函數關系而得到測定的方法可以大體分為兩種類型:(1)利用圓柱、圓錐或圓盤的旋轉效應測量流體的剪切應力和速度梯度的關系,這就是旋轉粘度計法.主要測量參數是粘度計轉子的旋轉角速度』和轉子所受阻力矩M.但是,旋轉粘度計價格昂貴,容易損壞,且剪切速率變化范圍小(2)根據流體在直管段內流量和壓力降的關系求出其粘度和剪切應力與速度梯度的關系,這屬于間接的測量方法,也稱管流法如常用的管道流動阻力法,毛細管粘度計等.對水煤漿來說,過細管道中的測量將是十分困難的,因此工程上常用較粗的工程管道流阻測量來推算,主要測量參數是測量段上的壓力降P和水煤漿的流量Q.2.1旋轉粘度計法以往很多實驗室的流變特性測量都是采用旋轉粘度計法,如在國外大多使用 Brookfield旋轉粘度計和hake旋轉粘度計確定流變模型,而國內基本上使用的是國產的NDJ-1型和NXs型旋轉粘度計,這幾種粘度計的工作原理基本相同,均為雙圓筒結構測量時的假設條件如下③中國煤化工(1)外筒固定,內筒以等角速度D旋轉:(2)兩筒無限CNMHG)在垂直于轉軸的平面上,流動的流線是圓,即速度僅是半徑的函數,徑向和周向的速度為零;(5)運動為穩(wěn)態(tài)的,即連續(xù)性方程和運動方程的時間導數均為零;(6)系統(tǒng)恒溫用旋轉粘度計法計算流變模型的公式為萬數據王秋粉,等:壓力下水煤漿流變特性的測量(-r2)Mtho rT-2式中,2和r1分別為粘度計內外筒半徑;h為工作高度;M為轉矩;為旋轉角速度測定M和』后,就可以根據上式進一步回歸出本構方程旋轉粘度計操作簡單,測量結果可直接讀出,使用的樣品少,但是其剪切速率變化范圍較小,如Brookfield旋轉粘度計的范圍為0-100s-,NXs-11型旋轉粘度計的范圍是1.23-996s,而且旋轉粘度計在小剪切速率下還易出現“柱塞流”和滑移現象常用的粘度測量系統(tǒng)是在常壓、非密封條件下進行粘度測試的為了測量高壓條件下水煤漿的流變特性,需要用高壓流變儀或者對一般的旋轉粘度計進行改造,即在一般的同軸圓筒旋轉粘度計的外圍加裝個壓力腔實現高粘稠物料的封閉加壓條件,從而完成物料加壓流變特性的測量92.2管流法管流法測量壓力下流體的流變特性需要在加壓試驗臺上進行,其高壓條件是通過提高輸送泵的壓力來實現的流體在管道內做恒定剪切流動可實測其壓降和流量,并推算剪切應力和剪應變速率的關系,確定流變特性流體在管道內的流動通常作如下假設:(1)粘性層流;(2)穩(wěn)定流動;(3)均勻流動;(4)沿管壁無滑移利用管流法確定流變模型的計算公式為7)=-(出)=8(1+3)TR 4n'式中,為壁面處剪切應力;yv為壁面處剪切速率L為測試段長度,D為管道直徑測定Q和AP后根據上式即可繪出r-γ曲線,回歸擬合即可得到流變模型管流法的特點是裝置結構較簡單,可在較高壓力下操作,剪切速率可在較大范圍內變化,因此更接近于實際流動過程,測量結果比旋轉粘度計法更適于工程應用另外還有學者提出了用毛細管粘度計確定流變模型毛細管粘度計是測量牛頓流體粘度的通用儀器,使用簡單,測量準確.但應用于非牛頓流體時,由于入口效應和滑移的影響,給實際測量帶來了很多不便清華大學和唐山管道研究所都曾作過毛細管粘度計的實驗研究,均沒取得理想結果.劉寶林和孔瓏設計了水煤漿用改型的毛細管粘度計,解決了水煤漿的穩(wěn)定狀態(tài)問題、測壓裝置問題、準確地測量水煤漿流變模型問題. ATSUSHI TSUTSUM和 KUNIO YOSHIDA3也成功的用毛細管粘度計進行了高溫高壓下水煤漿流變特性的研究3滑移現象滑移現象是煤水混合物類液固兩相流體在管內流動時產生的一種特殊流動現象.自從1931年MOONEY1提出關于滑移的問題以來,許多學者相繼對滑移進行了研究 GARNET和 NISSAN、 MALONEMELZNER對高分子溶液、乳膠液和固體懸浮液在應力不均勻流場中的行為進行理論研究表明,在筒壁或管壁處出現異常流動行為.目前對壁面“滑移”的解釋說法不一.一種說法認為,由于近壁處粒子的排列在幾何上不可能與其主體中排列的方式相同,因而產生了滑移現象;另一種說法是,粒子從高剪切速率區(qū)域至低剪切速率區(qū)域的遷移所引起;還有一種說法是粒子的流體動力學再分布普遍認為壁面滑移產生的機理是當介質受到不均勻剪中國煤化工域向低剪切區(qū)域遷移在徑向產生組分濃度梯度.文獻16】研究了顆粒CNMHG的臨界條件提出了顆粒一流體兩相流中主要存在著流體和顆粒及顆粒和顆粒間的兩種相互作用,當這兩種力平衡時,不會產生團聚顆粒濃度處處均勻,不產生滑移現象;當流體-顆粒的作用遠遠大于顆粒-顆粒間的相互作用時,如果顆粒濃度較大,則可能在近壁面處出現顆粒濃度很低的薄層,從而導致滑移現象的出現表現為流體南京師范大學學報(工程技術版)第6卷第2期(2006年)在流動過程中,與它所接觸的固體壁面處形成一層溶劑層,流體與壁面發(fā)生相對滑動,在壁面處出現速度的跳躍.在壁面附近流體的速度可視為不連續(xù),即流體在壁面處出現一個“滑移速度”滑移層是控制管內壓降損失的主要因素,而滑移層的性質隨管徑尺寸和管材的變化而變化同樣的水煤漿在不同管徑的管道內所測得的流變模型不一致這種不一致性正是由于水煤漿的滑移所引起的附加流量的程度不同所造成的所以滑移現象的存在無疑會對非牛頓流體流變模型的確定及其管內流動規(guī)律的研究帶來一定的影響,因此,為確定水煤漿的真實流變模型,探索水煤漿管內流動規(guī)律,有必要進一步深入研究水煤漿管內流動產生滑移流動現象的機理及如何修正滑移現象對水煤漿管內流動特性的影響等一系列問題為了得到正確的流變模型,需要消除滑移的影響滑移的消除一般從兩個方面進行,一是通過改進實驗儀器,例如用旋轉粘度計測高粘度漿體的流變特性時,用十字形葉頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋轉粘度計的圓柱形測量元件,或在旋轉粘度計的內筒上開凹槽來解決測定過程中圓柱形測量元件易“打滑”等問題;二是通過理論分析對實驗數據進行修正由于滑移的存在,水煤漿管內流動的實際流量Q應是無滑移流動時的流量Qc與存在滑移引起的附加流量Q之和即Q=Qc+Qs在管道流動中有:Q=m(r)7l由于滑移層的厚度很薄,可認為8→0,所以:Q3=TR2Us據文獻89,滑移速度不僅與壁面剪切應力有關而且還是管徑的函數,即:Us=Brn/R其中B為滑移系數且B僅是r的函數,與半徑R無關綜上可得:Q=B;+1rf(r)dr因此在給定的r.下,讓Q-對1作圖,所得直線的斜率就是B進而就可計算出滑移引起的附加流量和無滑移流量Qc,根據無滑移流量Qc即可求得真實的剪切速率4結論本文根據非牛頓流體流動理論,介紹了兩種測量壓力下水煤漿流變特性的方法旋轉粘度計法和管流法,這兩種方法各有優(yōu)缺點,可以將兩種方法結合應用,得到壓力下水煤漿的流變特性參數對水煤漿的流變特性雖然已進行了大量的研究工作,取得了很多有意義的成果,也推動了水煤漿技術的應用和發(fā)展,但是由于水煤漿本身的性質比較復雜,目前很多理論還不夠成熟.另外由于這些基礎研究基本上都是在常壓下進行的,對水煤漿高壓條件下的很多特性還沒做過深入的研究和驗證,為了發(fā)展大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術,就有必要從理論上進一步深入研究由于水煤漿兩相懸浮液流動的復雜性,目前對其滑移產生的機理還沒有統(tǒng)一的定論因此有必要深入研究滑移產生的機理及如何修正滑移對水煤漿流動產生的影響等問題,最終確定有滑移修正的水煤漿流變模型,用于工程放大化設計和計算[參考文獻]( References[1] SHIRLEY C TSAL, EVERETT W KNELL. Viscometry and rheology of coal water slurry [J]. Fuel, 1986, 66(4): 566-571[2] RHO NAM-SUN, SHIN DAEHYUN, KIM DONGCHAN. Rheological behaviour of coal water mixtures [J]. Fuel, 1995, 74(8):1220-1225[3]TURIAN R M, HSU FENGLUNG, AVRAMIDIS KOSTAS S, et al中國煤化工of narrow-sized coalparticles [J]. Aiche Joumal, 1992, 38(7): 969-987[4 GARRATT G W, RAND B, WHITEHOUSE S. An apparatus forTYHCNMH Carbonaceous materialsat elevated temperature and pressure [J]. Fuel, 1988, 67 (2): 238-241[5]ATSUSHI TSUTSUMI, KUNIO YOSHIDA. Rheological behaviour of coal-solvent slurries[J]. Fuel, 1986, 65(7):906-909萬數據王秋粉,等:壓力下水煤漿流變特性的測量[6]王衛(wèi)平,顧培韻.懸浮液的流變[J].高分子材料科學與工程,1989,5(1):1-10.WANG Weiping, GU Peiyun. Rheology of suspension[ J]. Polymeric Materials Science and Engineering, 1989, 5(1):1-10( in Chinese[7]張慶,趙曉琳水煤漿的流變學屬性[門].化學工程,1994,22(1):53-59ZHANG Qing, ZHAO Xiaolin. Rheology of coal-water slurry[ J ]. Chemical Engineering, 1994, 22(1): 53-59.(in Chinese[8]岑可法,姚強曹欣玉,等,煤漿燃燒、流動、傳熱和氣化的理論與應用技術[M].杭州:浙江大學出版社,1997:CEN Kefa, YAO Qiang, CAO Xinyu, et al. Theory and Application of Combustion, Flow, Heat Transfer, Gasification of CoalSlurry[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 1997: 146-149.(in Chinese)[9]楊曉璞,曹建文,吳淼.JYX高濃度黏稠物料加壓旋轉流變儀的研制[J.儀表技術與傳感器,2005(4):8-10YANG Xiaopu, CAO Jianwen, WU Miao. Design and manufacture of high pressure JYX rotational rheometer for viscous anddense material of high concentration[ J]. Instrument Technique and Sensor, 2005(4):8-10.(in Chinese)[10]孟令杰,增壓流化床煤水混合物輸送特性研究[D].南京:東南大學1996:28-29MENG Lingjie. An investigation on transportation properties of coal-water paste in a pressurized fluidized bed[ D]. NanjingUnivercity, 1996: 28-29.( in CH1]劉寶林,孔瓏水煤漿流動特性及其流變模型確定方法綜述[J.煤化工,1995,73(4):49-53.LIU Baolin, KONG Long. A summary of flowing properties of coal-water slurry and determination of rheologic model thereof[J]. Coal Chemical Industry, 1995, 73(4): 49-53 ( in Chinese)[12]劉寶林,孔瓏,水煤漿用改型的細管式粘度計[J]·發(fā)電設備,199(99:7-10LIU Baolin, KONG Long. A new type of slim-tube viscosimeter for coal slurry[J]. Power Equipment, 1996(9):7-10.(in[13] MOONEY M. Explicit formulas for slip and fluidity [J]. Journal of Rheology2(2):210-222[14]楊小生,張榮曾,陳基等.賓漢流管壁滑移速度預測模型[J·礦冶工程,1993,13(4):24-27YANG Xiaosheng, ZHANG Rongzeng, CHEN Ji, et al. Prediction model for the wall slip velocity of a bingham flow pipeJ]. Mining and Metallurgical Engineering, 1993, 13(4): 24-27. (in Chinese)[15]孟令杰,章明耀.高濃度水煤漿流動的滑移現象及其對管內流動特性的影響[J.熱能動力工程,1996,11(2):85-MENG Lingjie, ZHANG Mingyao. The slip phenomenon of coal water mixture of high concentration and its effect on flowcharacteristics in pipes[ J]. Journal of Engineering for Thermal Energey, 1996, 11(2):85-88.(in Chinese)[16]吳文淵,楊勵丹.顆粒-流體兩相流中顆粒團聚物存在的臨界條件[J].工程熱物理學報,199,13(3):324-328WU Wenyuan, YANG Lidan. Critical condition for the existence of particle aggregation in particle-fluid two-phase flow[J]Journal of Engineering Thermal Physics, 1992, 13(3): 324-328. (in Chinese)17]段鴻杰,孫恒虎高濃度漿體流變參數測定的新方法[中國礦業(yè)大學學報:自然科學版,200,30(4):371-374DUAN Hongjie, SUN Henghu. New method of measuring rheologic parameters of high-density slurry[J]. Jourmal of ChinaUniversity of Mining and Technology Natural Science Edition, 2001, 30(4): 371-374. (in Chinese)18]KALGANETAL D M. Rheological behavior of a concentrated suspensions: a solid rocket fuel simulant [J]. Rheology, 199337(1):35-53[ 19]JASTRZEBSKI Z D. Entrance effects and wall effects in an extrusion rheoeter during the flow of concentrated suspensions[J]. I EC Fund,1967,6(3):445-450[責任編輯:劉健]中國煤化工CNMHG