神府煤水煤漿管道輸送試驗研究

第20卷第5期潔凈煤技術(shù)Vol 20 No 52014年9月Clean Coal Technology2014神府煤水煤漿管道輸送試驗研究張勝局13,4,段清兵123,4,何國鋒234,劉燁煒123.4,孫海勇123,4(1煤炭科學(xué)研究總院節能工程技術(shù)研究分院,北京I00013;2.國家水煤漿工程技術(shù)研究中心,北京100033煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京10003;4.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100013)摘要:為獲得神府煤水煤漿最佳管道輸送參數,進(jìn)行了水煤漿流變性試驗,確定了水煤漿臨界剪切速率。通過(guò)水煤漿剪切速率和剪切應力的關(guān)系確定神府煤水煤漿流變性模型,擬合岀適于神府煤水煤漿流變性的數學(xué)方程。在不同管道査徑和水煤漿濃度下,硏究了水煤漿泙均速率對管道壓力損失的影響,得到了最佳水煤漿管道輸送參數。結釆表明:神府煤水煤漿臨界剪切速率為4.74-,水煤漿擬合后的流變方程符合賓漢塑性伓模型,適宜泵送和管道輸送。低濃度、低黏度的水煤漿更適合管道輸送。在水煤漿平均流速相冋的條件下,管道直徑越小,管道壓力損失越大。管道直徑為200~300mm時(shí),神府煤水煤漿在管道輸送中的壓力損失在工業(yè)應用合理范圍內,適宜管道輸送。關(guān)鍵詞:水煤漿;管道輸送;輸送特性;流變性;賓漢塑性體模型;壓力損失中圖分類(lèi)號:TQ536;TD849文獻標志碼:A文章編號:1006-6772(204)05-0036-04Pipeline transportation experiments of Shenfu coal water mixtureZHANG Shengju.2.3,, DUAN Qingbing.23,+, HE Guofeng,2,3,4, LIU Yewei23,4, SUN Haiy(1. Energy Conservation and Engineering Technology Research Institute, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. National CWMResearch Institute), Beijing 100013, China; 4.National Energy Technology and Equipment of Cow on(China CoalEngineering and Technology Center, Beying 100013, China; 3. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilizatilization and Emission Control( China Coal Research Institute), Beijing 100013, chinaAbstract: To obtain the optimum Shenfu coal water mixture(CWM) pipeline transportation parameters the CWM rheology test was conducted to determine its critical shear rate. Through the relationship between the shear rate and shear stress of Shenfu CWM determined itsrheology model, fitted the mathematical equation which was suitable for Shenfu CWM. Under different pipe diameters and CWM concentra-tion, investigated the influence of CWM average rate on pipeline pressure loss, obtained the optimum CWM pipeline transportation parame-ers. The results show that the critical shear rate of CWM is 40.74 s", the fitting rheological equation follows the bingham plastic model.Thepipeline is more suitable for low concentration and low viscosity CWM. Keep the average flow velocity of CWM unchanging the smaller thepipe diameter, the bigger the pipeline pressure loss. When the pipe diameter ranges from 200 mm to 300 mm, the pipeline pressure lossmeets the demands of industrial applicationKey words: coal water mixture CWM); pipeline transportation; transportation properties; rheological property; bingham plastic modelpressure loss0引言?xún)裘杭夹g(shù)之一的水煤漿技術(shù)自20世紀80年代初研發(fā)以來(lái),歷經(jīng)30余年的科技攻關(guān)與生產(chǎn)實(shí)踐,煤炭是中國重要的基礎能源,在未來(lái)相當長(cháng)生產(chǎn)與應用規模均居世界首位。截至2012年底,時(shí)期內以煤炭為主的能源結構難以改變。作為潔全國燃料水煤漿的設計產(chǎn)能突破5000萬(wàn)ta,生產(chǎn)收稿日期:2014062任編輯:白婭娜DO1:0122:1006020凵中國煤化工基金項目:國家科技部科研院所技術(shù)開(kāi)發(fā)專(zhuān)項資助項目(2011EG222214)CNMHG引用格式:張勝局,段清兵,何國鋒,等神府煤水煤漿管道輸送試驗研究[J-.潔凈煤技術(shù),2014,20(5):3-勿g182@163.com作者簡(jiǎn)介:張勝局(1982—),男,江西瑞金人,助理研究員,碩士,從事水煤漿工程和ZHANG Shengju, DUAN Qingbing HE Guofeng, et al. Pipeline transportation experiments of Shenfu coal water mixture[ J]. Clean Coal Technology,2014,20(5):36-39張勝局等:神府煤水煤漿管道輸送試驗研究2014年第5期和使用量達3000萬(wàn)ta,主要用于電站鍋爐、工距離管線(xiàn),中間要設置若干加壓泵站。水煤漿的業(yè)鍋爐和窯爐的代油、代煤燃燒。在氣化水煤漿流變特性和管道輸送特性比較復雜,需全面掌握領(lǐng)域,含多噴嘴、多元料漿等以水煤漿為進(jìn)料的氣水煤漿管道輸送特性和規律,才能為水煤漿管道化爐投產(chǎn)數量近300臺,耗漿量達1億ta以上。工程建設提供技術(shù)支持。國內已有不少關(guān)于水煤隨著(zhù)大型煤化工項目的開(kāi)工建設,未來(lái)幾年水煤漿管道輸送參數的研究,但鮮有針對特定煤種研漿氣化用煤量將突破2億υa。隨著(zhù)水煤漿用量的究適宜其管道輸送特性的報道。因此,為提高管不斷擴大,建設區域型水煤漿生產(chǎn)基地勢在必行道輸送效率,筆者以東莞水煤漿廠(chǎng)生產(chǎn)的神府煤水煤漿管道輸送將成為緩解運力不足的有效手水煤漿為對象,研究了不同管道直徑和水煤漿濃段。水煤漿管道輸送具有運量大、占地少,不受氣度下,水煤漿平均流速對管道壓力損失的影響,并候影響、對復雜地形適應性強、密閉輸送不污染環(huán)確定了最佳管道輸送參數,為相關(guān)單位開(kāi)展管道境、長(cháng)距離輸送運費低及可實(shí)現全線(xiàn)自動(dòng)控制等輸送硏究提供參考優(yōu)點(diǎn),是一種有效的運輸方式。20世紀50年代美國建成了第1條俄亥俄煤漿管道,1970年,美國1試驗條件第2條輸煤管線(xiàn)投產(chǎn)。這2條管道輸送煤炭粒徑1.1試驗原料及設備般在1.5mm以下,濃度在50%左右。20世紀試驗原料選取2種不同濃度的神府煤水煤漿,70年代發(fā)生石油危機,俄羅斯建成世界上第1條分別命名為DG1013、DG1014。試驗設備主要有長(cháng)距離水煤漿輸送管道(長(cháng)260km、年輸送水煤漿NXS-4C型水煤漿黏度儀,J-1型定時(shí)電動(dòng)攪拌器,500萬(wàn)t)12。中國“八五”攻關(guān)課題“水煤漿技術(shù)HB43型快速水分測定儀,水煤漿管道輸送中試裝研究”中提出了應加強水煤漿管道運輸技術(shù)研置。水煤漿管道輸送中試裝置主要由儲漿、管道輸究3。水煤漿管道輸送系統主要由泵站和管線(xiàn)組送、參數測量和數據采集組成4,具體如圖1所示,成,通過(guò)加壓泵站將水煤漿輸送一定距離。對長(cháng)神府煤煤質(zhì)分析和水煤漿參數分別見(jiàn)表1、表2。表1神府煤煤質(zhì)分析業(yè)分析/%元素分析/%FCH4)14.46.7610.3336.8856.1267,1010.780.575表2神府煤水煤漿參數水煤漿濃度/%表觀(guān)黏度/(mPa·s)密度/(g·cm-3)62.13DG101460.5611591.2試驗方法1)水煤漿流變性試驗。利用定時(shí)電動(dòng)攪拌器剪切神府煤水煤漿現場(chǎng)漿樣至無(wú)沉淀,取適量水煤漿測定濃度后進(jìn)行水煤漿流變性試驗。2)水煤漿管道輸送試驗。水煤漿管道輸送試l—螺桿泵;2—煤漿過(guò)濾器;3一清水桶;4-攪拌桶;5一工作量器;驗是在固定管道直徑、不同水煤漿流速下測量水煤6—分配器;7—氣動(dòng)換向器;8-溫度傳感器;9—密度計;10漿輸送中的管道壓力損失。管道壓力損失是管道工電磁流量計;11—壓差變送器;12—管道;13—出口母管程設計中設備選型和輸送能耗計算的主要依據。管凵中國煤化工道間線(xiàn)長(cháng)度為8m,在不同管道直徑、不同流速下,測量送中試CNMH水煤漿輸送中的管道摩阻損失,在對大量試驗數據為庾進(jìn)仃官詛送試驗,測定各管道不徑向分析的基礎上,總結水煤漿摩阻損失的變化規同流速下的清水輸送壓力損失。清水試驗能驗證系律,探索管道輸送壓力損失的計算方法。具體步驟統是否正常運行,為漿體輸送試驗做好準備。②確372014年第5期潔凈媒技術(shù)第20卷認試驗系統正常,排出系統內清水,向儲漿桶中加入s-,利用2段直線(xiàn)進(jìn)行分段擬合,2條直線(xiàn)交點(diǎn)處即水煤漿,調節泵的轉速,改變管道中漿體流速,并進(jìn)臨界剪切速率40.74s。結合剪切速率與剪切行流動(dòng)參數測量。調定某一流速后需穩定一段時(shí)應力的關(guān)系,利用 Excel擬合,得到神府煤水煤漿濃間。③試驗穩定后,采集管道平均流速、測試段兩端度為60.56%時(shí),不同剪切速率下的流變方程為點(diǎn)間壓力差和溫度等參數。完成一個(gè)流速下數據采了=2.0262+2.9286y集后,通過(guò)調節泵速完成不同平均流速下的數據水煤漿要求靜態(tài)時(shí),有較大黏度,防止沉淀;動(dòng)采集。態(tài)時(shí)有較低黏度,便于泵送和霧化燃燒,賓漢塑性體2結果與討論符合此要求。而神府煤水煤漿經(jīng)過(guò)擬合后的流變方程符合賓漢塑性體模型8,因此神府煤水煤漿適合2.1水煤漿流變性試驗及模型選擇泵送和管道輸送2.1.1水煤漿流變性試驗2.2水煤漿管道輸送試驗用定時(shí)電動(dòng)攪拌器將水煤漿攪拌均勻,取適量水煤漿管道輸送試驗主要研究不同管道直徑和水煤漿放入NXS-4C型水煤漿黏度儀,水浴恒溫設水煤漿濃度下,水煤漿平均流速對管道壓力損失的定在25℃,測得不同濃度水煤漿的流變性5,結果影響。如圖2所示。2.2.1管道直徑的影響水煤漿管道輸送時(shí),壓力損失主要來(lái)自摩阻損DG1014s120失和部分固體顆粒沉降。試驗所用水煤漿粒度較細,可看成均質(zhì)流,在此忽略部分顆粒沉降的影響[10試驗中對水煤漿不同流速下的雷諾數進(jìn)行監測,得到平均流速下雷諾數為8~200,均小于4000。因此水煤漿在進(jìn)行管道輸送時(shí),一般流速下100均可視為層流。剪切速率/s試驗用水煤漿為DG1013和DG1014,試驗均在圖2剪切速率與剪切應力的關(guān)系室溫下(20℃左右)進(jìn)行。水煤漿管道直徑分別由圖2可知,水煤漿剪切應力隨剪切速率的增為100、200、300mm,管道規格見(jiàn)表3。不同管道直大而增加。剪切速率小于40s-時(shí),2種不同濃度水徑下,水煤漿流速對管道壓力損失的影響如圖3煤漿的流變曲線(xiàn)基本重合,剪切速率大于40s時(shí),所示。DG1013的剪切應力大于DGl014。2種水煤漿剪切表3水煤漿輸送管道規格參數應力的上升趨勢在40s-后均有所減緩,因此確定水煤漿臨界剪切速率為30~40s-。試驗水煤漿符管道直徑/mm相對粗糙度絕對粗糙度/mm合賓漢塑性體流體。0.0722.1.2流變模型的確定0.00060.182不同濃度的神府煤水煤漿流變曲線(xiàn)相近,可找到適于神府煤水煤漿的流變模型6。剪切速率為由圖3可知,在溫度、水煤漿濃度等一定的條件40s-時(shí),流變曲線(xiàn)變化趨勢有所減緩,這與Her下,管道壓力損失隨水煤漿平均流速的增大而增加。schel- Buckley流體方程中的賓漢塑性體模型非常管道直徑越小,壓力損失增大趨勢越明顯。不同濃類(lèi)似7。度水煤漿在同一直徑管道中輸送時(shí),壓力損失變化Herschel- Buckley模型通用方程為趨勢一致。在水煤漿平均流速相同的條件下,管道了=70+ky且中國煤化工。管道直徑為100mm式中,r為剪切應力,Pa;T為屈服剪切應力,Pa;K時(shí)CNMHG力損失較大,且流速可為稠度系數,Pa/s";γ為剪切速率,s;n為流動(dòng)調控范圍較小,不符合經(jīng)濟節能要求,工業(yè)應用意義指數。不大。管道直徑為200~300mm時(shí),神府煤水煤漿由圖2可知,水煤漿臨界剪切速率為30~40在管道輸送中的壓力損失在工業(yè)應用合理范圍內張勝局等:神府煤水煤漿管道輸送試驗研究2014年第5期0000一-直徑100mm直徑200mm3結論日800直徑300m1)根據水煤漿流變性試驗確定水煤漿臨界剪切速率為30在低剪切速率下,根據剪切速2000率與剪切應力的關(guān)系,確定水煤漿臨界剪切速率為40.74s-1,并得到符合 Herschel- Buckley模型的神1.21.6府煤水煤漿真實(shí)流變方程。平均流速(m:s)2)在溫度、濃度等一定的條件下,管道壓力損a)DG1013失隨水煤漿平均流速的增大而增加。管道直徑越6000直徑100mm小,壓力損失增大趨勢越明顯。在水煤漿平均流速5000相同的條件下,管道直徑越小,管道壓力損失越大。4000管道直徑為200~300mm時(shí),神府煤水煤漿在管道2000輸送中的壓力損失在工業(yè)應用合理范圍內,適宜管1000道輸送。3)在管道直徑、溫度等一定的條件下,管道壓平均流速/(m·s-)力損失隨水煤漿平均流速的增大而增加。DG1014b)DG1014的管道壓力損失小于DGl013,說(shuō)明濃度和黏度較低圖3不同管道直徑下水煤漿平均流速的水煤漿更適合管道輸送,對管道壓力損失的影響參考文獻適宜管道輸送。2.2.2水煤漿濃度的影響[1]顔淑娟,段清兵,何國鋒,等.低揮發(fā)分煤制備氣化水煤漿的可試驗選用水煤漿DG1013和DG1014,濃度分別行性研究[J]潔凈煤技術(shù),2013,19(6):55-58.為62.13%和60.56%,表觀(guān)黏度分別為1311和2]楊俊利,李培芳水煤漿管道輸送特性的硏究[C]/水煤漿技術(shù)推廣應用研討會(huì )論文集昆明:國家水煤漿工程技術(shù)研究中159mPa·s。輸送管道直徑為300mm,研究不同L.2005:56-61水煤漿濃度下,水煤漿平均流速對管道壓力損失的[3]顧伯康對我國管道輸煤?jiǎn)?wèn)題的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1995影響2,結果如圖4所示。23(1):55-58[4]李鵬德士古氣化水煤漿管道設計[J].化工設備與管道DG1013DGI0142007,44(5):52-54350[5]吳艷油煤漿表觀(guān)黏度測定方法硏究[J].潔凈煤技術(shù),2014,20(3);61-65[6]趙國華,段鈺鋒,王秋粉,等水煤漿管道輸送數值模擬研究進(jìn)展[J]南京師范大學(xué)學(xué)報:工程技術(shù)版,2007,7(2):18-23[7]趙國華,陳良勇,段鈺鋒高濃度水煤漿直管內流動(dòng)的數值模擬0.10.20.30.40.50.60.7[J].鍋爐制造,2007,7(4):28-32平均流速(m·s-)[8]何國鋒,段清兵水煤漿新技術(shù)研發(fā)與實(shí)踐[M].北京:中國石圖4不同水煤漿濃度下水煤漿平均流速對化出版社,2012:7-8[9]王睿坤,劉建忠,胡亞軒,等水煤漿摻混濕污泥對漿體成漿特管道壓力損失的影響性的影響[J]煤炭學(xué)報,2010,35(S1):61-65.由圖4可知,在管道直徑、溫度等一定的條件101劉猛,陳良勇,段鈺鋒水煤漿流經(jīng)局部管件的阻力損失和下,管道壓力損失隨水煤漿平均流速的增大而增加均配規律[JJ燃燒科學(xué)與技術(shù),2009,15(5):445-450.DG1014的管道壓力損失小于DG1013,說(shuō)明濃度和中國煤化工某漿管道輸送特性的研究3):4-9黏度較低的水煤漿更適合管道輸送。從經(jīng)濟方面考CNMHG道輸送的比較分析[J煤炭慮,濃度高的水煤漿更利于實(shí)際生產(chǎn)需要,但不利于學(xué)報,1996,21(1):79-84管道輸送3。因此實(shí)際應用中應綜合考慮水煤漿[13]張懷遠,關(guān)于漿體的管道輸送[J].油氣儲運,2000,19(1)濃度和管道輸送的情況選擇合適的水煤漿。