水煤漿流變特性管流法研究

第1期2009年1月M-Sized Nitrogenous Fertilizer ProgressJan.2009試驗研究水煤漿流變特性管流法研究貝昆侖(上海焦化有限公司,上海200241)[擴要】采用管流法在自建裝置上進(jìn)行水煤漿流變特性研究,結果表明:可用冪律模型描述水煤漿流變特性。討論了水煤漿濃度對流變模型的影響,給出了采用廣義雷諾準數來(lái)計算層流狀態(tài)下的阻力系數的方法。關(guān)鍵詞]冪律模型;流變特性;廣義雷諾準數[中圖分類(lèi)號]0373[文獻標識碼]A[文章編號]1004-9932(200)01-005-04Research on Rheological Properties of Coal-water Slurrywith Tube flow testBEl KunlunShanghai Coking Co, Ld, Shanghai 200241, China)Abstract: Based on experimental research with tube flow test which aimed at obtaining the data on flow andresistance properties of coal-water slurry(CWS), the paper reveals that the rheological properties and flowbehavior of CWS can be described by power law model, presents the formula for resistant coefficientalculating in laminal flow with generalized Reynold s number following the discussion on influences of CWSconcentration on rheological properties.Key Words: power law model; rheological properties; generalized Reynolds number0引言率。流變學(xué)的主要內容就是研究它們之間的函數關(guān)系。把剪切應力和剪切速率的關(guān)系描繪成圖水煤漿是由煤粉、水和少量添加劑混合而成象,就是流變曲線(xiàn)圖。目前常采用的流變模型有的固液兩相懸浮流體。由于添加劑的加入改變了以下幾種煤表面的物化性質(zhì),使得煤粉和水緊密結合,形賓漢塑性模型r=。+m成網(wǎng)狀結構,成為均一體,表現為非牛頓流體的冪律模型性質(zhì)。但水煤漿不同于一般的非牛頓型流體,其屈服一冪律模型r=τ。+Ky顯著(zhù)特點(diǎn)是黏度高且黏度與其濃度、溫度和添加本文采用管流法研究水煤漿的流變特性:當劑量有關(guān)。水煤漿的流變性、阻力特性直接影響水煤漿的流變類(lèi)型已知時(shí),通過(guò)相應流體類(lèi)型的水煤漿的輸送、霧化質(zhì)量、著(zhù)火、穩燃及燃燒效換算關(guān)系式,給出流變參數的具體數值;也可在率,因此研究其流變特性和不同工況下的流動(dòng)阻未知本構方程形式的條件下,通過(guò)換算關(guān)系式給力變化規律是開(kāi)發(fā)利用水煤漿的重點(diǎn)。出壁面上的剪切應力值rv和剪切速率yw描述流變性能的變量是剪切應力和剪切速V山中國煤化工CNMHG收稿日期]20080916流變特性研究在自制的水煤漿流變作者簡(jiǎn)分]貝昆侖(199-),男,河北滄州人助理工程傅。試驗裝置(如圖1)上進(jìn)行。整個(gè)系統分為水煤56中氮肥第1期漿制備和流動(dòng)回路2個(gè)部分。被鄂式破碎機破碎4m,兩端壓差Ap由隔膜差壓計測量,測試管到6mm以下的煤通過(guò)減量秤按照控制流量加入管徑分別為117mm、73mm和57mm。試驗用棒磨機,由添加劑泵把配好的添加劑溶液同煤一煤為神府煤,其工業(yè)分析和元素分析結果見(jiàn)道送入棒磨機,進(jìn)行濕磨制漿,制好的水煤漿送表1。入煤漿槽攪拌混合;借助螺杄泵使煤漿槽中的煤表1神府煤工業(yè)分析和元素分析漿在水平測試管和豎直測試管中流過(guò)并返回到煤工業(yè)分析元素分析漿槽中,如此循環(huán),同時(shí)進(jìn)行試驗測定。試驗時(shí)通過(guò)改變泵的轉速來(lái)調節水煤漿流量,水煤漿流量Q采用電磁流量計測定,試驗測試段管長(cháng)L=3.26235057354431390.9026水添加劑。昌10111110圖1水煤漿流變特性試驗裝置1-煤斗;2一鄂式破碎機;3-料倉;4減量秤;5-添加劑槽;6一棒磨機;7一離心泵;8-煤漿槽;9—螺桿泵;10一測試管;1l-隔膜法蘭;12一差壓變送器;13-隔膜壓力傳感器;14—電磁流量計線(xiàn),則采取平均的方法求得n'。2試驗結果與分析2.2流變方程的描述2.1數據處理通常水煤漿的流變行為屬于非牛頓形式,本根據試驗測試段兩端的壓差Ap,可以求管文分別按照冪定律和屈服-冪定律模型對其進(jìn)行壁處的剪切應力描述,具體結果見(jiàn)表2和表3。(1)表2對應條件下冪定律流變模型質(zhì)量濃度/%管徑/相關(guān)系數各對應流速下的剪切速率rv=0.00y60.88261 +3n' 8y(2)132y1“a9985rv=0.153y30式中3600D73rv=0.0123yX0.7244對n計算采用 Metzner和Reed的處理方法0.00623y如(M-R法),即中國煤化工0.9486n(4p)=k′+nlnQCN MH GAS09856作Ap-Q雙對數坐標圖,得到一條斜率為54.99rv=0.265y0.966n’、截距為k的直線(xiàn)。如果雙對數坐標圖不為直第1期貝昆侖:水煤漿流變特性管流法研究57表3對應條件下屈服一冪定律流變方程量濃度/%管徑/r流變方程相關(guān)系數73ry=-10127+0.0025y“0.9846e-D=73 mmb-D=57 mm33.60.1315+0.00117T=0.4372+0.1460y30.98461673Tw=-1.2834+0.0148y0.822651241r=-L.6917+0.007y如0.950210F亨117Tv=0.234+3.57340.9565554873=-05723+0.89%6y0.985186420從表2看出:水煤漿在低濃度(<50%)時(shí)100400n值大于1,為漲塑性流體;隨著(zhù)濃度的升高圖3不同管徑濃度48.77%水煤漿流變曲線(xiàn)在55%左右時(shí),n值小于1,屬于擬塑性流體低濃度時(shí)水煤漿中煤粉顆粒分散性好,隨著(zhù)剪切速率變大,煤粉因顆粒堆積變得密實(shí),造成水煤漿黏度變大。對高濃度的水煤漿,由于性能趨向擬均相流體,隨著(zhù)剪切速率變大,本來(lái)堆積較密實(shí)的煤粉顆粒由無(wú)規則排列趨向規則排列,流動(dòng)變形的阻力減小,造成水煤漿黏度減小。由表3看出:在用屈服-冪定律處理本試驗10的水煤漿流變特性時(shí),除2個(gè)大管的屈服應力不為負值,其他幾組屈服應力均為負。屈服應力是流體在剪切速率為零時(shí)的截距,是流體開(kāi)始流動(dòng)200300400500所需的最小應力值,按照屈服應力的物理意義該模型形式不適用于本試驗中的水煤漿,所以最圖4不同管徑濃度55.70%水煤漿流變曲線(xiàn)終采取冪定律模型描述水煤漿的流變特性。2.3流變特性的影響因素分析由圖2、圖3和圖4可以看出:相同濃度的水煤漿,在壁面剪切應力相同的情況下,隨著(zhù)管2.3.1管徑對流變特性的影響徑的減小剪切速率變大由試驗中得到的△p和Q按照M-R法擬合2.32濃度對流變特性的影響出n’,根據式(1)和式(2)得到rw、y,作出流圖5、圖6為同一管徑中不同濃度下剪切速變曲線(xiàn)。圖2、圖3和圖4為相同濃度下不同管率與壁面剪切應力的關(guān)系。徑的水煤漿流變曲線(xiàn)。86420=33.6%D=7328=48.45%砂=5548%4062中國煤化工10020030040CNMHG160180200220圖2不同管徑濃度35.27%水煤漿流變曲線(xiàn)圖5同管徑不同濃度流變曲線(xiàn)(D=73mm)中氮肥第1期在管內的流動(dòng)形態(tài),也可以用于計算阻力系數。3225548表4阻力系數∫實(shí)測值和計算值的對比281217000.1290.1253結論50100150200250300350400450500550(1)在試驗范圍內水煤漿屬于非牛頓流體圖6同管徑不同濃度流變曲線(xiàn)(D=41mm)可用冪定律模型來(lái)描述水煤漿流變特性,水煤漿的濃度對其流變模型有影響,水煤漿在低濃度時(shí)濃度越高對應的壁面剪切應力越大,表觀(guān)黏度越0%)為漲塑性流體,隨著(zhù)濃度的升高,在濃大。這是由于濃度增大,水煤漿中煤粉顆粒含量增加,使得水煤漿空隙率下降,顆粒在流動(dòng)中相(2)同一剪切速率下,濃度越高對應的壁互碰撞使阻力增加。當固相濃度達到一定值后,面處剪切應力越大,表觀(guān)黏度越大。本試驗是到55%左右,黏度增加幅度變大。圖53)通過(guò)廣義雷諾數計算的阻力系數值和中濃度為34.4%水煤漿在剪切速率大于110s1實(shí)測值很接近。時(shí)其黏度大于48.45%的水煤漿,主要是因為在符號說(shuō)明這兩個(gè)濃度下都屬于漲塑性流體,但34.4%濃度時(shí)的n值(1.66)大于4845%濃度下的n值屈服應力,Pa·s(1.304)。n大,表明其剪切增稠作用明顯。Tv——管壁處剪切應力,Pa24水煤漿在水平管流動(dòng)時(shí)壓力降的計算壁面處剪切速率液固兩相流在不同流動(dòng)區的單位壓降—剛度系數K—稠度系數(5)n—流變指數根據研究,在層流狀態(tài)下管中的純黏性流D—測試管內徑體、假塑性流體、黏彈性流體、脹流型無(wú)時(shí)間依L測試管長(cháng)度,賴(lài)性流體的阻力系數都可表達為Q流量,m3h平均流速,p—壓差,P在冪定律流體條件下廣義雷諾準數R’表達1—一質(zhì)量濃度,%式為密度,kg/m3R,=pu D-(7)阻力系數R—廣義雷諾準數由試驗測得的水平段壓差Ap和流量可以得到阻力系數[參考文獻DAp(8)[1陳良勇,段鈺鐮,王秋粉,等,高濃度水煤漿的流變特性和L=4m,D=0.11m,=49.31%,阻力[2中國煤化工37(1):60:科學(xué)出版社,199系數實(shí)測值和計算值的對比見(jiàn)表4,兩者相對誤[3]CNMHG準數及其阻力特性差在5%內。廣義雷諾準數可以用來(lái)判斷水煤漿J.化工學(xué)報,195,46(3):299