第23卷第2期熱能力工程Vol 23, N2008年3月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERhar.,2008文章編號:1001-2060(2008)0-001-05高濃皮水煤漿流變特性和穩(wěn)定性試驗硏究趙國華,段鈺鋒,徐峰,王秋粉(東南大學潔凈煤發(fā)電及燃燒技術教育部重點實驗室,江蘇南京21009%6)摘要:水煤漿是由液兩相組成的非牛頓流體流變性和性較好的兗州煤水煤漿,濃度分別為62.2%、64.6%穩(wěn)定性十分復雜,影響因素也很多,其流變特性和穩(wěn)定特性和667%進行試驗研究。添加劑采用外購添加劑,對管道輸送和燃燒性能起著決定性的作用。借助于水媒漿煤漿采用大同煤粉自行配置成漿,分別配置了濃度粘度計對質量濃度為60%以上的水煤漿進行流變性測量為602%含有添加劑和不含添加劑的漿體進行實研究了溫度、濃度和添加劑對煤漿流變性的影響,水煤漿的驗。流變性實驗采用國產NXS-4C型旋轉粘度計、表觀粘度隨溫度的升高而降低,隨濃度增加而增大,添加劑的加入大大改善水煤漿的流變特性。通過對水煤漿穩(wěn)定HS-4型恒溫浴槽和烘箱等設備進行測量。的研究,得出了水煤漿的穩(wěn)定性隨濃度增加而增加,與煤種研究水煤漿的穩(wěn)定性及影響因素,采用200ml有關,適量的添加劑能改善德定性,穗定性隨溫度升高而降的廣口瓶測定水煤漿的析水率。將待測的一定濃度低。從榆遂水煤漿慈體經濟角度看,水煤漿的輸送溫度在樣品置于廣口瓶中將水煤漿靜置一定時間后煤漿20~40℃為宜中煤顆粒的沉降,水煤漿分成兩部分,用玻璃管吸出關鍵詞:水煤漿;流變性;穩(wěn)定性;影響因素瓶中表面的水,并用標準量筒(20ml)測定其體積。隨靜置時間的不同,可測出析水率隨時間的變化關中圖分類號:TQ534.4文獻標識碼:A系。靜置時間分別為:4、8、12、24、36、48、60和72h引言配制不同質量濃度的大同煤水煤漿進行實驗,研究濃度對穩(wěn)定性的影響,采用大同煤和神華煤研究煤我國煤炭資源豐富油氣匱乏煤炭在能源結構種對穩(wěn)定性的影響通過加入和不加入添加劑研究中仍占主導地位。發(fā)展?jié)崈裘杭夹g,提高我國煤炭穩(wěn)定性的影響在溫度分別為17、40、52℃下進行實利用率減少煤炭燃燒帶來的環(huán)境污染,需要大力發(fā)驗,研究溫度對穩(wěn)定性的影響展大規(guī)模煤氣化技術。開發(fā)水煤漿氣化技術是煤氣化技術的一個重要分支。發(fā)展該技術的目標是達到2高濃度水煤漿流變特性的研究更高的日處理能力和碳轉化率,這就決定了所使用的水煤漿要具有較好的可泵性和燃燒特性,而這些2.1煤漿表觀粘度與溫度關系特性又直接取決于水煤漿的流變性和穩(wěn)定性-21表觀粘度是在剪切速率一定情況下(通常是因此開展高濃度水煤漿流變特性和穩(wěn)定性的基礎100時)測出來的粘度。對濃度為622%、64.6%研究具有重要的理論意義和實用價值。影響水煤漿和66.7%煤漿,測量其不同溫度下的表觀粘度,數流變性和穩(wěn)定性的因素很多,本文主要分析溫度、濃據如表1所示。文獻[3]對牛頓流體的粘度研究表度及添加劑對高濃度水煤漿流變性的影響和濃度、明,其粘度隨溫度的升高而降低,且近似的服從Ar煤種、添加劑及溫度對水煤漿穩(wěn)定性的影響。rhenius關系式:u=Aexp(-B/T)試驗方法及試驗物料式中:T—絕對溫度;A和B-流體常數。把這個公式應用到具有非牛頓流體性研究溫度、濃度和添加劑對水煤漿粘度的影響質的中國煤化工慮濃度的影響關規(guī)律,在5~65℃的溫度范圍內進行實驗,選擇穩(wěn)定系可CNMHG度通用經驗關系收稿日期:2007-04-13;修訂日期:200-05-21基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)基金資助項目(200CB21701)作者簡介:趙國華(1983-),男江蘇如奉人,東南大學碩士研究生202熱能動力工程2008年式極性和非極性被增溶物的增溶作用增強,原因是溫p=(-0.006+0.01gC)gep[(2707-9度升高,離子型表面活性劑的臨界膠束濃度變大,形84g C)/T]成更多的膠束,這樣降低了水煤漿的表觀粘度。式中:μ-表觀粘度;C一煤漿質量濃度;T—煤漿溫圖1中顯示3個濃度下水煤漿的表觀粘度均隨度。溫度的升高而降低,且濃度越高,即固相分率越大測得結果顯示,水煤漿的表觀粘度隨溫度的升溫度對懸浮液的表觀粘度影響越明顯。這是由于固高而降低,當溫度升高到50℃左右時,表觀粘度隨體粒子和分散介質的熱膨脹情況不同,從而使固相溫度的變化的幅度減小,如圖1所示。工業(yè)應用過分率/最大固相分率改變的緣故。固體相分率是實程中,可適當提高漿體的溫度降低高濃度水煤漿的際懸浮液中固體占的體積份額,最大固相分率是理表觀粘度,以達到安全輸送、良好霧化和高效率燃燒論堆積可以達到的最大體積份額。固相分率/最大的效果。固相分率增大,煤漿的濃度增加,從而使相對粘度增表1常溫下煤漿表觀粘度與溫度關系大濃度/%2.2煤漿表觀粘度與濃度關系溫度/℃水煤漿濃度是指水煤漿物系中的含固量,即煤928.75漿中的煤與煤漿重量之比。較低的水煤漿濃度,將會使進入氣化爐中的水分增加,為了維持爐溫,勢必261.25762,75445,5增加氧氣的消耗;煤漿濃度高有利于提高生產率和轉化率但濃度增加時,粘度也會相應增加,輸送的阻力會增加,一般當煤粉濃度超過50%時其粘度猛增剪切速度:100125.5285.6溫度:15℃323,75濃度6460%▲濃度666%濃度/%圖2煤漿表觀粘度與質量濃度的關系另外,研究表明,當煤中水分含量在1%~30%溫度/℃時,每1%的含水量大約要降低0.1%的熱值,所以圖1煤漿表觀粘度與溫度關系應該合理地配制水煤漿,使其濃度增加的基礎上盡可能降低其表觀粘度。溫度的升高,分子間的距離增大,分子間的相互對3個不同濃度的兗州煤水煤漿進行表觀粘度作用變弱。由于表面張力是分子間的作用力引起測量隨著煤漿濃度的增加,表觀粘度基本呈線性增的,所以分子間作用力的減弱導致表面張力的變小加,如圖2所示。主要原因是濃度升高,漿體間的空表面張力減小,水煤漿的表觀粘度降低。其次溫度隙中國煤化工動不僅要克服流體對水煤漿中的添加劑活性的影響。離子型的表面活與顆CNMH克服粒子間強烈性劑,它在水溶液中都有一個溶解度,一般的表面活的相互作用,從而導致流體阻力的增加。性劑在低溫時溶解度較小,當溶液的溫度升高時,表23煤漿表觀粘度與添加劑的關系面活性劑的溶解度增加,并且離子型表面活性劑對水煤漿中常用的添加劑有兩種,一種是分散劑第2期趙國華,等:高濃度水煤漿流變特性和穩(wěn)定性試驗研究203種是穩(wěn)定劑,其中分散劑屬于種類繁多的表面活工程上使用的水煤漿濃度通常在60%以上,水性劑中的一類。分散劑的結構特征和作用狀態(tài)的差煤漿的粘度對濃度變化很敏感,尤其是接近最堆別對復合煤粒間的相互作用產生明顯的影響,分散積密度時粘度及屈服應力急劇增加,從而使煤漿穩(wěn)劑的加入可以提高煤表面的親水性,電動勢性質及定性變好。表面積等狀態(tài),使水分子吸附在煤粒的表面,在煤粒采用大同煤種制備的3個濃度的水煤漿,在室周圍形成一層水化膜將煤粒隔開,減小了煤粒間的溫(17℃)下進行穩(wěn)定性實驗測試,沉淀時間為48、阻力,改善了水煤漿的流動特性,達到降低其表觀粘12、24、3648、60和72h分別測試,結果如圖4所示。度的作用。穩(wěn)定劑主要是天然和人工合成的高分子水煤漿的穩(wěn)定性隨水煤漿濃度的增加而增強,濃度聚合物,其作用是保證水煤漿存儲和輸運過程中性越低穩(wěn)定性越差。由于水煤漿中的固體含量增加態(tài)均勻。時煤粉顆粒間的相互作用力增強,空隙的減少降低單純的煤和水是很難配制出濃度高且穩(wěn)定性強了煤顆粒的沉降速度,提高了水煤漿的穩(wěn)定性。因的水煤漿。因為煤炭的主體為有機質,是結構十分此,水煤漿濃度越高,其穩(wěn)定性越好5。復雜的大分子碳氫化合物。這些有機質的表面具有強烈的疏水性,不易為水所潤濕,細煤粉又具有很大的比表面積,在水中很容易自發(fā)地彼此聚結,這就使煤粒與水不能密切結合成為一種漿體,在較高濃度時只會形成一種濕的泥團。因此,配制水煤漿時必須加入少量的化學添加劑,以改變煤粒的表面性質大同煤623%使煤粒表面緊緊地被添加劑分子和水化膜包圍,讓一大同煤64%煤粒均勻地分散在水中,防止煤粒聚結,提高水煤漿的流動性。圖3為兩種自配相同濃度的大同煤漿(有添加時間/h劑無添加劑)的流變特性曲線。圖中顯示,剪切速圖4不同濃度的大同煤漿析水率關系圖率變大時,水煤漿的表觀粘度都變小,與添加劑存在無關。添加劑的加入可以明顯降低在相同剪切速度·3.2煤種對水煤漿穩(wěn)定性影響下漿體的粘度。因為添加劑的加入提高了煤表面的由于煤的物理化學性質對水煤漿的影響很大,親水性,在煤粒周圍形成一層水膜,將煤粒隔開,減所以不同煤種配制的水煤漿其穩(wěn)定特性也有所不少了煤粒間的阻力,改善了煤漿的流變性,達到降低同。實驗證明,煤的親水性是煤中氧碳比的函數當粘度的作用。氧碳比增加時,羥基和羧基等官能團氧在煤表面上200增多,從而使煤的親水性增加。一般認為氧碳比較大同煤62高,其表面活性高,吸附能力強。無添加劑另外煤中的無機礦物質對水煤漿的穩(wěn)定性也有影響。煤中的礦物質主要通過影響煤表面的親水性、電化學性質或通過與制漿用分散劑的相互作用來影響漿體的穩(wěn)定性。研究表明,煤中的礦物質可以吸收水分,從而大大降低了漿體中作為流動介質的水分,同時煤中的高價金屬粒子溶出后能吸附在剪切速度/g煤表面而使煤親水性增強,被吸附的水分子在固體顆粒表面定向排列減少了漿體中自由水的含量,并圖3各個剪切速率下煤漿格度與添加劑的關系且由V中國煤化工古滯性,導致漿體結構3水煤漿穩(wěn)定性研究CNMHG用大同和神華兩個煤種配制的相同濃度3.1濃度對水煤漿穩(wěn)定性的影響(623%)的煤漿在室溫(17℃)下進行實驗,其析水率對比曲線如圖5所示。大同煤漿的析水率大于神·204·熱能動力工程2008年華煤漿,其原因可能為大同煤粉與神華煤粉的粒度的絕對值增大,增加了煤粒之間的靜電排斥力,使靜分布不同、O/C比、HC比等成分不同,導致大同煤態(tài)穩(wěn)定性增加。漿的析水率大于神華煤漿。因此,神華煤水煤漿的3.4溫度對水煤漿穩(wěn)定性影響穩(wěn)定性比大同煤的穩(wěn)定性好。3%17℃623%52℃大同煤623%神華煤623%間/h時間/h圖7溫度對穩(wěn)定性的影響圖5不同煤種的析水率對比圖采用大同煤配制的濃度為62.3%的煤漿分別3.3添加劑對水煤漿穩(wěn)定性影響水煤漿制備過程中添加劑的主要作用在于改在室溫1740和52℃下靜置72h,其中40,52℃時變煤粒的表面性質,促使顆粒在水中分散,使?jié){體具如圖7所示。原因是溫度升高使煤漿中緊密排列的有良好的流變性和穩(wěn)定性,此外,還將借助添加劑調煤顆粒間拉力減小,造成水煤漿粘度降低,顆粒與流節(jié)煤漿的酸堿度消除有害因素6。它們主要作用是體間的流動阻力減小,煤顆粒沉淀加快,從而降低了改變煤表面的親水性,降低煤水表面張力使煤粒充煤漿的穩(wěn)定性。分潤濕和均勻分散在少量水中,復合煤粒能夠通過表面分散劑之間的相互作用形成三維網絡結構,有效阻止重力沉降導致的煤粒間的深度聚結,使煤顆結論粒穩(wěn)定懸浮在水中,不發(fā)生硬沉淀,形成的漿體具有對質量濃度為60%以上的兗州煤和大同煤的很好的靜態(tài)穩(wěn)定性。流變特性和穩(wěn)定特性進行研究,得出如下結論(1)水煤漿的表觀粘度隨溫度的升高而降低,但是當剪切速率的增加或溫度升高到50℃以后,表觀粘度的變化幅度減小,粘溫近似服從 Arrhenius關系式。因此實際應用過程中,可以通過適當增強攪拌,提高管道流速和溫度的方法降低漿體的粘度以→大同煤623%(無添加劑)改善水煤漿的流動性和霧化效果。(2)濃度增加,表觀粘度增加,溫度對水煤漿的表觀粘度影響也越明顯,添加劑的加入可大大改善時間/h水煤漿的流變特性。(3)水煤漿的穩(wěn)定性隨煤漿濃度增加而增加,圖6有無添加劑對穩(wěn)定性的影響適量的添加劑能大大改善水煤漿的穩(wěn)定性。(4)為了滿足降低漿體粘度又要使煤漿穩(wěn)定而由圖6顯示,添加劑的加入大大減小了漿體的不中國煤化工有的濃度要求從析水率改善了漿體的穩(wěn)定性。這是因為當爆粒吸實驗附分散劑后使其本身硫水性較強的表面改為親水種輸質重度萬CNMHG慮,對于特定的煤6%適量的添加劑,溫性并形成具有一定厚度水化膜的荷電粒子稱之為度在20-40℃之間為宜。復合煤?！?。隨添加劑的加入,相應煤表面電動勢第2期趙國華,等:高濃度水煤漿流變特性和穩(wěn)定性試驗研究[4]希利科.溫度對水煤漿的流變性質及對用腐植酸鹽使其增塑參考文獻:的影啊[刀劉加龍,譯腐植酸,2004(5):42-47[]夏鯤鵬陳汗平,王賢華,等.氣流床煤氣化技術的現(xiàn)狀及發(fā)展[5] TURIAN R M, MA T W, HSU F L G. Characterization, setling, and[]煤炭轉化,2005,28(4):69-73.[2]章莉娟鄭忠水煤漿穩(wěn)定性和流變性的研究[門.華南理工Technology,1997,93:219-233大學學報,1991,19(4):7-76[6]壽祟琦,趙春賓賈海波,等.水煤漿添加劑及水煤漿穩(wěn)定性的[3]岑可法,姚強,曹欣玉,等煤漿燃燒流動傳熱和氣化的理研究[刀.日用化學工業(yè),2003,3(2):120-123論與應用技術[M]浙江:浙江大學出版社,1997編坪單麗華〈熱能動力工程》投稿須知《熱能動力工程》是學術性與技術性相結合的科技期刊,雙月刊,國內外公開發(fā)行?！稛崮軇恿こ獭窞閲液诵钠诳?已被ECJ、CA等著名國際檢索系統(tǒng)收錄。本刊為2003年第二屆國家期刊獎“百種重點期刊”?！稛崮軇恿こ獭吩O置的欄目:專題綜述;熱力渦輪機械;熱力循環(huán);熱力工程;新能源動力技術;技術信息。主要報道陸用/船用燃氣輪機、汽輪機鍋爐等領域科研成果;傳動元件技術新能源等實用性強且具有推廣價值的先進技術經驗。1投稿簡約1.1來稿應具有創(chuàng)新性科學性、準確性。凡屬國家、省部級各類科學研究基金資助項目的學術論文,本刊將優(yōu)先發(fā)表。12紙質來稿可直接寄本刊編輯部(15006哈爾濱市香坊區(qū)公濱路452號);電子稿件可發(fā)送到 mulch703@163.cm信箱。1.3來稿請勿一稿二投。投稿三個月內,可查詢審閱結果(電話:0451-55654932),三個月后稿件可自行處理。來稿不退,請自留底稿。1.4來稿文責自負(學術、保密、署名)編輯部有權對擬用稿件做必要的修改刪節(jié),但實質性內容修改要征得作者同意1.5本刊已入《中國學術期刊(光盤)》《—數字化期刊群》《中文科技期刊數據庫》,作者如不同意將文章編入該數據庫,來稿時請聲明1.6本刊對錄用稿件收取一定的發(fā)表費。論文發(fā)表后按其學術水平質量字數付給作者稿酬贈雜志2本2要求和注意事項2.1稿件論點明確、邏輯嚴密數據可靠、文字精煉、圖表清晰,并作解密處理綜述性論文以6000字為宜。研究性論文以5000字為宜22題目:不宜超過20字;作者署名:最多為4人,其他作者可在文后標注或致謝。第一作者應有自然簡介:姓名、出生年月性別、民族、籍貫(市(縣)人)、職稱。單位標至二級部門、省市、郵編。中文摘要:具體、清楚、全面的將論文主要內容反映出來,并將研究目的試驗方法結果和結論介紹給讀者。200字為宜。對背景材料、評論性語言和公式不宜寫入摘要中。必須將中文摘要譯成英文。摘要中的英文縮略語在第一次出現(xiàn)時,應標注全稱。關鍵詞:所選的關鍵詞應反映文章主題內容(3-8個為宜)。中圖分類號:請按中國圖書分類法”第4版要求標注。23文、圖、表中的物理計量單位必須符合國家標準。物理量符號一律斜體包括上、下角標易混各種符號、希文、拉丁字母、大小寫、正斜體、上、下角標應用鉛筆標注24圖表隨文排版,全文統(tǒng)一編號。坐標軸要有名稱和單位。每篇文章插圖5幅為宜。表格用三線表(表中無斜、豎線)。2.5參考文獻必須是公開出版物,采用順序編碼制著錄。外文作者采用姓前名后格式,名用縮寫,不加縮寫點幾種參考文獻的書寫格式(其中空格、標點符號、字母照寫):連續(xù)出版物:[標引序號]作者文題[.刊名年,卷(期):起始頁碼-終止頁碼專著:[標引序號]作者.書名[M].出版地出版者,出版年著:[標引序號]作者.書名[M]譯者出版地:出版者,出版年論文集:[標引序號作者.文題/編者文集[C]出版地:出版學位論文:[標引序號]作者文題[D]所在城市:保存單位,年份專利:[標引序號]申請者專利名[P]國名:專利號發(fā)布日期YHa中國煤化工CNMHG技術標準:[標引序號技術標準代號技術標準名稱[S]技術報告:[標引序號]作者文題[R]報告代碼及編號,地名:責任單位年份