高濃度水煤漿流變特性和穩定性試驗研究

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定性試驗硏究趙國華,段鈺鋒,徐峰,王秋粉(東南大學(xué)潔凈煤發(fā)電及燃燒技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)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%穩定性十分復雜,影響因素也很多,其流變特性和穩定特性和667%進(jìn)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(zhù)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(zhì)量濃度為60%以上的水煤漿進(jìn)行流變性測量為602%含有添加劑和不含添加劑的漿體進(jìn)行實(shí)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(shí)驗采用國產(chǎn)NXS-4C型旋轉粘度計、表觀(guān)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(guò)對水煤漿穩定HS-4型恒溫浴槽和烘箱等設備進(jìn)行測量。的研究,得出了水煤漿的穩定性隨濃度增加而增加,與煤種研究水煤漿的穩定性及影響因素,采用200ml有關(guān),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(jīng)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(shí)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(guān)鍵詞:水煤漿;流變性;穩定性;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(shí)間的不同,可測出析水率隨時(shí)間的變化關(guān)中圖分類(lèi)號:TQ534.4文獻標識碼:A系。靜置時(shí)間分別為:4、8、12、24、36、48、60和72h引言配制不同質(zhì)量濃度的大同煤水煤漿進(jìn)行實(shí)驗,研究濃度對穩定性的影響,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定性的影響通過(guò)加入和不加入添加劑研究中仍占主導地位。發(fā)展潔凈煤技術(shù),提高我國煤炭穩定性的影響在溫度分別為17、40、52℃下進(jìn)行實(shí)利用率減少煤炭燃燒帶來(lái)的環(huán)境污染,需要大力發(fā)驗,研究溫度對穩定性的影響展大規模煤氣化技術(shù)。開(kāi)發(fā)水煤漿氣化技術(shù)是煤氣化技術(shù)的一個(gè)重要分支。發(fā)展該技術(shù)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(guān)粘度與溫度關(guān)系特性又直接取決于水煤漿的流變性和穩定性-21表觀(guān)粘度是在剪切速率一定情況下(通常是因此開(kāi)展高濃度水煤漿流變特性和穩定性的基礎100時(shí))測出來(lái)的粘度。對濃度為622%、64.6%研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。影響水煤漿和66.7%煤漿,測量其不同溫度下的表觀(guān)粘度,數流變性和穩定性的因素很多,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定性的影響。rhenius關(guān)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(gè)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(zhì)的中國煤化工慮濃度的影響關(guān)規律,在5~65℃的溫度范圍內進(jìn)行實(shí)驗,選擇穩定系可CNMHG度通用經(jīng)驗關(guān)系收稿日期:2007-04-13;修訂日期:200-05-21基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃(973)基金資助項目(200CB21701)作者簡(jiǎn)介:趙國華(1983-),男江蘇如奉人,東南大學(xué)碩士研究生202熱能動(dòng)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(guān)粘度。式中:μ-表觀(guān)粘度;C一煤漿質(zhì)量濃度;T—煤漿溫圖1中顯示3個(gè)濃度下水煤漿的表觀(guān)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(guān)粘度隨溫度的升溫度對懸浮液的表觀(guān)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(shí),表觀(guān)粘度隨體粒子和分散介質(zhì)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(guò)分率/最大固相分率改變的緣故。固體相分率是實(shí)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(guān)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(guān)粘度與溫度關(guān)系大濃度/%2.2煤漿表觀(guān)粘度與濃度關(guān)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(huì )使進(jìn)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(chǎn)率和轉化率但濃度增加時(shí),粘度也會(huì )相應增加,輸送的阻力會(huì )增加,一般當煤粉濃度超過(guò)50%時(shí)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(guān)粘度與質(zhì)量濃度的關(guān)系另外,研究表明,當煤中水分含量在1%~30%溫度/℃時(shí),每1%的含水量大約要降低0.1%的熱值,所以圖1煤漿表觀(guān)粘度與溫度關(guān)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(guān)粘度。溫度的升高,分子間的距離增大,分子間的相互對3個(gè)不同濃度的兗州煤水煤漿進(jìn)行表觀(guān)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(zhù)煤漿濃度的增加,表觀(guān)粘度基本呈線(xiàn)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(guān)粘度降低。其次溫度隙中國煤化工動(dòng)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(gè)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(shí)溶解度較小,當溶液的溫度升高時(shí),表23煤漿表觀(guān)粘度與添加劑的關(guān)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定性試驗研究203種是穩定劑,其中分散劑屬于種類(lèi)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(lèi)。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(chǎn)生明顯的影響,分散積密度時(shí)粘度及屈服應力急劇增加,從而使煤漿穩劑的加入可以提高煤表面的親水性,電動(dòng)勢性質(zhì)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(gè)濃度的水煤漿,在室周?chē)纬梢粚铀⒚毫８糸_(kāi),減小了煤粒間的溫(17℃)下進(jìn)行穩定性實(shí)驗測試,沉淀時(shí)間為48、阻力,改善了水煤漿的流動(dòng)特性,達到降低其表觀(guān)粘12、24、3648、60和72h分別測試,結果如圖4所示。度的作用。穩定劑主要是天然和人工合成的高分子水煤漿的穩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(guò)程中性越低穩定性越差。由于水煤漿中的固體含量增加態(tài)均勻。時(shí)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定性強了煤顆粒的沉降速度,提高了水煤漿的穩定性。因的水煤漿。因為煤炭的主體為有機質(zhì),是結構十分此,水煤漿濃度越高,其穩定性越好5。復雜的大分子碳氫化合物。這些有機質(zhì)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(shí)只會(huì )形成一種濕的泥團。因此,配制水煤漿時(shí)必須加入少量的化學(xué)添加劑,以改變煤粒的表面性質(zhì)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(dòng)性。圖3為兩種自配相同濃度的大同煤漿(有添加時(shí)間/h劑無(wú)添加劑)的流變特性曲線(xiàn)。圖中顯示,剪切速圖4不同濃度的大同煤漿析水率關(guān)系圖率變大時(shí),水煤漿的表觀(guān)粘度都變小,與添加劑存在無(wú)關(guān)。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(xué)性質(zhì)對水煤漿的影響很大,親水性,在煤粒周?chē)纬梢粚铀?將煤粒隔開(kāi),減所以不同煤種配制的水煤漿其穩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(shí)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(shí),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(wú)添加劑另外煤中的無(wú)機礦物質(zhì)對水煤漿的穩定性也有影響。煤中的礦物質(zhì)主要通過(guò)影響煤表面的親水性、電化學(xué)性質(zhì)或通過(guò)與制漿用分散劑的相互作用來(lái)影響漿體的穩定性。研究表明,煤中的礦物質(zhì)可以吸收水分,從而大大降低了漿體中作為流動(dòng)介質(zhì)的水分,同時(shí)煤中的高價(jià)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(gè)剪切速率下煤漿格度與添加劑的關(guān)系且由V中國煤化工古滯性,導致漿體結構3水煤漿穩定性研究CNMHG用大同和神華兩個(gè)煤種配制的相同濃度3.1濃度對水煤漿穩定性的影響(623%)的煤漿在室溫(17℃)下進(jìn)行實(shí)驗,其析水率對比曲線(xiàn)如圖5所示。大同煤漿的析水率大于神·204·熱能動(dòng)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溫度對水煤漿穩定性影響穩定性比大同煤的穩定性好。3%17℃623%52℃大同煤623%神華煤623%間/h時(shí)間/h圖7溫度對穩定性的影響圖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添加劑對水煤漿穩定性影響水煤漿制備過(guò)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(shí)變煤粒的表面性質(zhì),促使顆粒在水中分散,使漿體具如圖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(dòng)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定性。分潤濕和均勻分散在少量水中,復合煤粒能夠通過(guò)表面分散劑之間的相互作用形成三維網(wǎng)絡(luò )結構,有效阻止重力沉降導致的煤粒間的深度聚結,使煤顆結論粒穩定懸浮在水中,不發(fā)生硬沉淀,形成的漿體具有對質(zhì)量濃度為60%以上的兗州煤和大同煤的很好的靜態(tài)穩定性。流變特性和穩定特性進(jìn)行研究,得出如下結論(1)水煤漿的表觀(guān)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(guān)粘度的變化幅度減小,粘溫近似服從 Arrhenius關(guān)系式。因此實(shí)際應用過(guò)程中,可以通過(guò)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(wú)添加劑)改善水煤漿的流動(dòng)性和霧化效果。(2)濃度增加,表觀(guān)粘度增加,溫度對水煤漿的表觀(guān)粘度影響也越明顯,添加劑的加入可大大改善時(shí)間/h水煤漿的流變特性。(3)水煤漿的穩定性隨煤漿濃度增加而增加,圖6有無(wú)添加劑對穩定性的影響適量的添加劑能大大改善水煤漿的穩定性。(4)為了滿(mǎn)足降低漿體粘度又要使煤漿穩定而由圖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定性。這是因為當爆粒吸實(shí)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(zhì)重度萬(wàn)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(chēng)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(dòng)勢第2期趙國華,等:高濃度水煤漿流變特性和穩定性試驗研究[4]希利科.溫度對水煤漿的流變性質(zhì)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(shù)的現狀及發(fā)展[5] TURIAN R M, MA T W, HSU F L G. 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