第41卷第3期鍋爐技術(shù)VoL 41. No. 32010年5月BOILER TECHNOLOGYMay.,2010文章編號;CN31-1508(2010)05-0076-05水煤漿的流變特性研究進展代淑蘭1,陳良勇2,代少輝3(1.中北大學化工與環(huán)境學院,山西太原030051;2.東南大學能源與環(huán)境學院,江蘇南京210096;3.宿遷中天建設(shè)工程有限公司,江蘇宿遷223600關(guān)鍵詞:水煤漿;流變特性;流變機理擴要:總結(jié)了水煤漿流變特性的國內(nèi)外研究進展,對水煤漿的流變學屬性、流變特性的研究方法、流變特性的影響因素和流變機理等方面的研究現(xiàn)狀和研究成果進行了概述,重點對水煤漿流變特性的影響因素和流變機理的研究進展進行了詳細地闡述,指出了目前水煤漿流變特性研究中存在的問題探討性地提出了今后的研究方向。中圖分類號:0373文獻標識碼:B0前言而引起變化,因此水煤漿的流變特性呈現(xiàn)復雜多樣性。從目前的研究看,水煤漿涵蓋了牛頓流體水煤漿是由質(zhì)量份額60%~70%的煤粉、和幾乎各種類型的非牛頓流體。由于具有較高30%~40%的水和少量添加劑混合構(gòu)成的液固的固相含量、相對較小的煤粉顆粒以及添加劑的兩相懸浮體系,是一種新型的煤基流體燃料,在加入使煤粉顆粒與水緊密結(jié)合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),多煤的燃燒和氣化等潔凈煤技術(shù)領(lǐng)域應用廣泛。數(shù)水煤漿表現(xiàn)出顯著的非牛頓流體特性。水煤水煤漿具有和石油相似的流動性和穩(wěn)定性,可方漿的非牛頓流體特性通常具有如下特點:非單相便地實現(xiàn)儲存、管道輸送、霧化和燃燒,具有節(jié)性,即流變特性要用多個參數(shù)來表示;非單值性,能、環(huán)保和綜合利用煤泥等多種效益,受到各國粘度隨剪切應力發(fā)生變化;非可逆性,粘度與剪士業(yè)界的高度重視切作用的持續(xù)時間有關(guān),即表現(xiàn)出一定的觸變水煤漿的流變特性主要研究漿體的流動和性(2)。多數(shù)工業(yè)用水煤漿存在屈服應力,在低剪變形,即剪切速率與剪切應力之間的關(guān)系,或剪切速率和高剪切速率下均呈現(xiàn)牛頓流體特性,在切速率與表觀粘度之間的關(guān)系。水煤漿的流變中等剪切速率下呈現(xiàn)剪切稀化特性,只有極少呈特性影響到儲存穩(wěn)定性、輸送過程的流動性和霧現(xiàn)脹流性流體特性。化過程的可霧化性及爐內(nèi)的可燃性等重要工藝描述水煤漿流變特性常用的經(jīng)驗模型有2過程,而水煤漿的流變數(shù)據(jù)是分析和確定漿體牛頓流體:流動規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是輸送管道設(shè)計和運行參(1)數(shù)選擇的重要依據(jù)。賓漢塑性模型:水煤漿的流變學屬性及對流變特性的they(2)冪率模型:要求Kr(3)1.1流變學屬性屈服-冪率模型:水煤漿屬于復雜的多相懸浮體系,施加剪切r=t,+kr(4)應力產(chǎn)生的速率梯度受到其內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)變化Casson模型:的影響,反過來內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)又會因剪切作用中國煤化工5(5)CNMHG收稿日期:2009-09-15作者簡介:代淑蘭(1976-),女,漢族河北省定州市人,講師博士研究方向為復雜流場數(shù)值模擬研究第3期代淑蘭,等:水煤漿的流變特性研究進展Sisko模型水煤漿流變特性的研究方法可分為2類。r=n∞y+Ky類是從漿體組成成分的性質(zhì)和顆粒一顆粒以式中:、r,—分別為剪切應力和屈服應力Pa;及顆粒一流體的相互作用出發(fā),通過理論分析與粘度,Pa試驗相結(jié)合的方法建立表征流動特性的數(shù)學模7p—剛度系數(shù),Pa·s型。這類模型包含了反映漿體流動機理的多種n高剪切速率對應的極限剪切粘度,因素,多表達為相對粘度(漿體粘度與液相粘度之比)與各類影響因素的關(guān)聯(lián)式。這類典型關(guān)聯(lián)K—稠度系數(shù);式,大都以 Einstein方程式為基礎(chǔ),擴展到高濃流變特性指數(shù)。度、非球形顆粒和特定粒徑分布的高濃度液固兩以上流變模型也稱作本構(gòu)方程,模型中的各相非牛頓流體。由于漿體的復雜性,至今尚無法參數(shù)是需要通過試驗確定的流變參數(shù),是水煤漿獲得廣泛適用的關(guān)聯(lián)式,這種方法主要用于漿體固有的物性參數(shù)。在流變特性研究中,可根據(jù)研的設(shè)計和調(diào)制。另一種方法則完全基于試驗觀究目的、對象和剪切速率范圍等選擇不同的模測數(shù)據(jù),采用包含多個參數(shù)的數(shù)學模型描述水煤型。由于水煤漿流變特性復雜,以上經(jīng)驗模型很漿的宏觀流動行為。這類流變模型包含了式(1)難全面反映速率與響應之間特性,應用這類本構(gòu)~(6),這些數(shù)學模型中只包含了流動特性的描方程描述水煤漿的流動特性時都會出現(xiàn)一定述,因此無法解釋產(chǎn)生這種特性的原因和各種因偏差。素的作用機理。但這類數(shù)學模型直觀簡單,直接在流變特性研究中,往往借用牛頓流體粘度反映受力與響應的關(guān)系,而且在多數(shù)流動問題研的概念,即表觀粘度或剪切粘度來表征水煤漿的究中并不關(guān)心漿體的具體內(nèi)部物質(zhì)特性,這種描流動性。對非牛頓流體,表觀粘度是剪切速率的述方法在水煤漿流動問題的研究中得到了廣泛函數(shù),它能夠清晰地表明受到剪切作用時漿體抵應用,本文正是對這種方法所涉及的研究進展和抗變形的能力。因此,考察剪切粘度的影響因素和變化規(guī)律對水煤漿流動特征的認識和工程應成果進行討論。用具有十分重要的價值。測量方法或測量工具是水煤漿流變特性研1.2工業(yè)用水煤漿對流變特性的要求究的另一重要基礎(chǔ)。按照漿體的流動性質(zhì),可水煤漿從制漿到燃燒或氣化要經(jīng)過儲存、管將測量方法分為2類。一類是純剪切流動條件道輸送和霧化過程要求漿體具有良好的穩(wěn)定下的流變特性測量測量工具包括雙筒體旋轉(zhuǎn)性輸送特性和霧化特性。以上3種特性分別由粘度計和平行板粘度計等。這種測量方法精度低剪切速率中等剪切速率和極高剪切速率下的高,易于實驗室操作,適合于流變機理和各種影流變特性決定,這就要求水煤漿在粘度流動性響因素的研究。另一類是壓力驅(qū)動流動條件下和沉降性能方面達到良好的平衡。工業(yè)用水的流變特性測量測量工具為毛細管粘度計或煤漿理想的流變特性應為:具有較高的濃度,靜工程管道。與純剪切流動測量方法相比,第二止狀態(tài)下能夠保持良好的穩(wěn)定性,即具有一定的種方法可以達到更寬的剪切速率范圍,尤其是屈服應力在與管道輸送過程和霧化過程相對應工程管道測量方法更是直接模擬了實際流動過的中等剪切速率(10s-1~200s-1)和高剪切速率程,所得流變數(shù)據(jù)對工藝過程具有更直接的指(50001~30000-1)下都應保持較低的粘導意義。度。當煤粉含量較高時,水煤漿粘度會隨濃度22水煤漿流變特性的影響因素的增加而急劇地增大;當濃度較低時,漿體的流影響水煤漿流變特性的主要因素有:(1)動性增加,但穩(wěn)定性變差燃燒效率或氣化過程煤種及煤的理化特性;(2)固相含量;(3)顆粒大中碳轉(zhuǎn)化率相應地降低。因此改善水煤漿流變小及分布;(4)添加劑的種類和用量;(5)漿液的特性的重點應在保證合理粘度的前提下盡量提pH值中國煤化工因素的研究已高水煤漿的濃度有相程應HCNMHG試驗方面.工音手,綜合考慮2水煤漿流變特性的影響因素和流變機理各種因素以獲得最佳的水煤漿流變特性,現(xiàn)結(jié)合2.1水煤漿流變特性的研究和測量方法相關(guān)文獻研究成果進行分析。第41卷固相含量對水煤漿的流變特性具有最直接粒徑變化時引起最大填充份額變化。其中,后者的影響。有試驗表明,在較低濃度下水煤漿呈現(xiàn)的影響更為顯著,要獲得低粘度的水煤漿,煤粉牛頓流體特性;質(zhì)量分數(shù)>50%時,隨濃度的增必須具有較大的最大填充份額。均勻分布顆粒加,擬塑性特征迅速增加。Tsai發(fā)現(xiàn),由冪率制成的漿體通常具有較高的粘度和較低的最大流體特性的溶劑和煤粉制成的漿體在低剪切速填充份額除采用添加劑的方法外,采用合理的率下的擬塑性卻隨濃度升高而減小。 Fedir對高粒徑分布或顆粒級配則是改善水煤漿流動性和水分褐煤的成漿特性研究發(fā)現(xiàn),隨濃度的增加穩(wěn)定性的最有效和最常用的方法。通過優(yōu)化?；蛎悍哿降臏p小,漿體的非牛頓流體特性增徑分布獲得了最佳的水煤漿流變特性。特別是加;屈服應力與煤粉含量、煤粉的顆粒大小分布、對成漿性能較差的高水分煤種,通過簡單的粗細內(nèi)孔面積等因素間存在密切的相關(guān)性。固相含顆粒配比使?jié){體的穩(wěn)定性顯著改善,漿體的粘度量對流變特性的影響與最大填充份額密切相關(guān),降低達到5倍左右。這主要是因為粗細顆粒配如 Turian對多種水煤漿的屈服應力~濃度關(guān)系比形成了合理的排列結(jié)構(gòu),提高了顆粒的流動性研究顯示[2,當固相體積份額與最大填充份額之能。顆粒形狀對流變特性也具有顯著的影響,一比(φ/φm)在0.85~0.90范圍內(nèi),屈服應力急劇般地顆粒偏離球形的程度越大,水煤漿的粘度增加,并在φ/φm=0.90~0.95時趨向無窮大;另越大,非牛頓流體特性也越顯著外,對具有牛頓流體特性的水煤漿粘度測量表許多學者對水煤漿流變參數(shù)的變化規(guī)律進明相對粘度與(1-p/m)呈反比關(guān)系。一般行了分析。 Gurses發(fā)現(xiàn)所試驗水煤漿(冪率流地,水煤漿的粘度隨濃度增加而增加,并在固相體)的稠度系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律可分別在高、體積份額達到40%以上時開始表現(xiàn)出非牛頓流低2個剪切速率范圍內(nèi)用 Arrhenius公式表述體特性。工業(yè)用水煤漿的煤粉含量非常接近可Roh的試驗表明口,質(zhì)量份額超過50%時水煤達到的濃度上限,即使是濃度的微小增加也會對漿呈現(xiàn)冪率流體特性;隨濃度增加,稠度系數(shù)增流變特性產(chǎn)生顯著影響。因此,對給定的煤粉加而流變特性指數(shù)呈下降趨勢;Roh通過不同水兩相系統(tǒng),煤粉含量應控制在粘度急劇增加的粗細混合比調(diào)節(jié)顆粒的平均粒徑,發(fā)現(xiàn)隨平均濃度范圍以下。粒徑的增大,稠度系數(shù)減小而流變特性指數(shù)增般地,升高溫度有利于提高水煤漿的流動加,即水煤漿由擬塑性流體向牛頓流體轉(zhuǎn)變。性。Roh的試驗結(jié)果表明,升高溫度在降低粘浙江大學采用旋轉(zhuǎn)粘度計和工程管道兩種測度的同時也使?jié){體的非牛頓流體特性弱化。溫量方法建立了明確的關(guān)聯(lián)式來描述水煤漿的稠度的影響還與溫度所在范圍有關(guān)。 Sandra的研度系數(shù)和流變特性指數(shù)隨溫度和濃度的變化究表明,溫度低于100℃時,水煤漿粘度隨溫規(guī)律。度升高而降低,在溫度高于100℃時則呈相反趨測量工具不同也會對流變特性的測量結(jié)果勢。Tsa觀察到了類似的現(xiàn)象,2種試驗漿體產(chǎn)生影響,當測量工具內(nèi)的漿體流動屬于不同的的轉(zhuǎn)折溫度發(fā)生在50℃和70℃左右,在轉(zhuǎn)折溫流動性質(zhì)(壓力驅(qū)動流動純剪切流動)時尤其顯度以上擬塑性特性隨溫度升髙而增加。著。在兗州煤水煤漿的流變特性研究中,王秋粉guises發(fā)現(xiàn)溫度的影響與剪切速率有關(guān),低剪等也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象2種方法測得的屈服切速率下升高溫度會增加顆粒間的碰撞機率,從應力等關(guān)鍵參數(shù)相差數(shù)倍。而使顆粒聚并趨勢增加,最終導致漿體的粘度升水煤漿的流變特性與煤的理化特性密切相高。在高溫條件下(如高于373K)測量了水煤漿關(guān),如煤的內(nèi)水含量、灰分含量、礦物組分、固定的流變特性,由于煤粉顆粒發(fā)生分解和化學反應碳與揮發(fā)分比例和可溶性無機離子含量等,這些引起了漿體內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)的顯著變化,導致漿體特性主要影響到成漿性能的流變特性隨溫度的變化規(guī)律比常規(guī)條件下更中國煤化工往往存在一種加復雜。特殊HCNMHG是由于壁面剪顆粒大小對液一固漿體流動性能的影響有2切導致的積程江秒雙厘馭醉念里面損耗效應,在種根本途徑:(1)漿體流動過程中,一定顆粒粒徑壁面上形成一層粘度很低、厚度很薄(通常為幾差異對顆粒層間的相對運動產(chǎn)生影響;(2)顆粒個至幾十pm)的具有潤滑作用的液體層(滑移代淑蘭,等:水煤漿的流變特性研究進展層),導致漿體與壁面間產(chǎn)生相對運動并使?jié){體度、粒徑以及剪切速率等因素對煤水混合物流動的流動更容易。對存在壁面滑移效應的流變特特性的影響,而且得到了流動性能最佳的粗細顆性測量,必須消除壁面滑移的影響,去除壁面滑粒配比。該流變機理能夠?qū)λ簼{的粘度特性、移因素后的流變數(shù)據(jù)反映的是真實的受力與響剪切稀化特性以及高剪切速率下漿體的牛頓流應關(guān)系,也只有通過真實的受力與響應數(shù)據(jù)才能體特性作出較好的解釋。建立起流變特性與物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。在具有壁面滑移效應的水煤漿流動特性研究中,對真實流變特性的系統(tǒng)研究僅有少量文獻[9]報道在文獻[9]中,作者在壁面滑移機理和影響因素分析的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地研究了水煤漿的真實流變特性,詳細考察了表觀粘度、屈服應力、極限剪切粘度的變化規(guī)律以及流變特性的轉(zhuǎn)變規(guī)律,并建煤水混合物的流變結(jié)構(gòu)示意圖立了這些規(guī)律與漿體內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的對應對某些濃度較高的水煤漿,在高剪切速率關(guān)系下往往表現(xiàn)出剪切增稠特性。目前,主要存在223流變機理種流變機理對此作出了較好的解釋。一種是盡管對水煤漿的流變特性研究已有很多,但 Otero提出的理論,其示意圖如圖2。當濃度較迄今為止,在流變機理方面尚缺乏深入的研究。高時顆粒間達到較為密實的堆積顆粒與顆粒孟令杰0提出的煤水混合物流變機理可較好地之間的相對滑動將會增加顆粒層間距離導致解釋流變特性與物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系其主要內(nèi)動量在垂直于剪切方向上進行傳遞,使?jié){體表容如下:現(xiàn)出脹流體特性。另一種機理由 Hoffman提(1)無論在靜止狀態(tài)還是在剪切狀態(tài)下出。他認為:當高于一定剪切速率時,部分顆粒部分水分用來浸潤煤粉顆粒表面并形成一層被會從原有的顆粒層中分離出來,導致了原有的顆粒表面吸附而不能參與流動的薄液體層;有序流動向無序流動轉(zhuǎn)變,并以粘度增加的形(2)在漿體受到剪切作用后,顆粒間原有的式表現(xiàn)出來。空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞并在高剪切速率下形成沿剪切方向的層狀顆粒排列,即煤粉顆粒排列由隨機的排列結(jié)構(gòu)狀態(tài)向沿剪切方向的層狀有序結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)變,其排列有序程度與施加的剪切應力相關(guān)(3)在有序排列的煤粉層中,顆粒與顆粒間圖2煤水混合物剪切增稠特性的流變結(jié)構(gòu)示意圖的水分不參與剪切流動;(4)在受到剪切作用并達到穩(wěn)定狀態(tài)時,剪水煤漿的流變特性隨濃度的變化呈現(xiàn)復雜切變形主要發(fā)生在有規(guī)律排列的煤粉顆粒層與多樣性,有文獻嘗試采用顆粒間相互作用強度的層之間的水層中,而煤粉顆粒層上吸附的水分變概念來解釋該現(xiàn)象。認為不同濃度下漿體的流形很小動特性主要取決于顆粒間的相互作用強度,而顆圖1給出了受到剪切作用后煤水混合物流粒間的相互作用強度主要取決于顆粒間的平均變結(jié)構(gòu)的變化過程,、p、9p分別為顆粒相、作用距離,顆粒間的平均作用距離越小,漿體的顆粒表面吸附的液相顆粒間隙中的液相以及自非牛頓流體特性就越顯著。顆粒間平均作用距由水分的體積份額。由以上假設(shè),水煤漿的粘度離計算如下:主要取決于gd的大小(8)中國煤化工1-g-9-9p(7)式中作用距離;可以看出,在一定的煤粉濃度下,要獲得水CNMHG煤漿的良好流動性能就要設(shè)法降低g和φp。應9qm—分別為固相體積份額和最大填充用該流變機理,孟令杰等0不但合理解釋了濃份額。80鍋爐技術(shù)第41卷之所以采用H/d指標,主要是因為方程式待于發(fā)展完善的流變機理模型中同時包含最大填充份額和體積份額,消除了顆粒大小分布等特性的影響。 Acikalin通過試驗給參考文獻:出的流動特性劃分如下:當H/d>0.08時為牛[] Roh Ns, Shin d h, Kim D C, et al.. Rheological behaviour of頓流體;當0.035