王鐵力

(中煤科工集團武漢設(shè)計研究院有限公司 管道工程院,湖北 武漢430064)

近年來,非離子表面分散劑發(fā)展極為迅速,應(yīng)用越來越廣泛。 非離子分散劑效率高,不受水質(zhì)和煤中可溶物的影響,具有優(yōu)良的分散降黏作用。 非離子型分散劑雖然價格稍貴, 但用量少,可降低對煤質(zhì)和水質(zhì)的要求, 明顯提高水煤漿質(zhì)量［1］。 此外,通過對非離子型分散劑的結(jié)構(gòu)、生成方式、反應(yīng)原料的研究,有助于研制性價比更好的分散劑。 十二醇醚是一種重要的脂肪醇聚氧乙烯醚,是非離子表面分散劑中發(fā)展最快、用量最大的品種之一。 十二醇醚作為一種主要的非離子分散劑,對改變水煤漿黏度、制取高濃度水煤漿具有重要作用［2-4］。 但水煤漿中十二醇醚的最佳濃度及其對煤漿管道輸送摩阻損失的影響研究還未見到,而摩擦阻力對于管道輸送尤為重要［5］。 因此,有必要開展這方面的研究。

1 水煤漿實驗研究

1.1 固體顆粒特性

實驗所用煤顆粒取自遼北某礦,其特性如表1 所示。 該煤粒收到基低位發(fā)熱量為21.87 MJ/kg,空氣干燥基高位發(fā)熱量為23.12 MJ/kg,可磨性為70。

表1 實驗用煤工業(yè)分析和元素分析結(jié)果

從表1 可以看出,氧/碳比為0.18,介于0.1 ～0.2之間,有利于形成高濃度煤漿。 煤中內(nèi)在水分含量較低,有利于形成高濃度煤漿。 而高揮發(fā)的長焰煤變質(zhì)程度低,不利于成漿。 煤可磨性介于中等可磨和易磨之間。 由煙煤成漿性指標［1］計算可知,該煤粒成漿較難,最高制漿濃度為68.48%。

為了制取最佳濃度煤漿,參考Dinger 模型理想分布［1］,再結(jié)合多峰級配成漿實驗,通過多次實驗,確定最佳顆粒級配曲線如圖1 所示。 從圖1 可看出,煤顆粒范圍為7～200 μm,d50為25 μm。

圖1 煤顆粒級配曲線

實驗用十二醇醚是一種白色蠟狀顆粒,水溶性較好,耐酸、耐堿、耐硬水、穩(wěn)定性良好。 十二醇醚作為一種非離子型分散劑,其分散效果與溶液pH 值無關(guān),受鹽和電解質(zhì)的影響小。

1.2 實驗設(shè)備設(shè)施

煤漿管道輸送實驗管路見圖2。 管道輸送時,煤漿流量調(diào)節(jié)范圍為(0.5～4.0)×10-3m3/s,煤漿質(zhì)量濃度變化值為62%、64%和66%,對應(yīng)的密度分別為1 259、1 268 和1 277 kg/m3。

圖2 實驗裝置

圖2 中管路材質(zhì)為無縫鋼管,內(nèi)徑分別為35 mm和50 mm。 變頻器可以連續(xù)改變漿體泵的電機工作電源頻率,從而達到輸送系統(tǒng)流量無極調(diào)速。 泄流閥是為了管道的安全而設(shè)置的,也可以根據(jù)需要人為操作排空管道中的水煤漿。 熱交換器的作用是在水煤漿流動中維持漿體溫度恒定在20 ℃。 通過電磁流量計可以得到水煤漿流量數(shù)據(jù)。 通過雙法蘭壓差變送器可以獲得一定流量下水煤漿摩阻損失值。

1.3 實驗步驟

首先測定0～400 s-1剪切率范圍內(nèi)剪切速率對應(yīng)的切應(yīng)力值,繪制流變圖線。 其次進行分散劑濃度分別為0.4%、0.8%和1.1%時濃度62%的煤漿在直徑35 mm管道中流動的輸送實驗,測試每一流量Q 值對應(yīng)的摩阻損失im值；然后進行分散劑濃度為1.1%,濃度分別為62%、64%和66%的煤漿在直徑50 mm 管道中流動的輸送實驗,測試每一流量Q 值對應(yīng)的摩阻損失im值。

2 實驗結(jié)果分析

本文中煤漿剪切速率和切應(yīng)力等流變參數(shù)分析結(jié)果表明,煤漿流動特性符合Herschel Bulkley 流體特征,即:

式中τ 為切應(yīng)力,Pa；τ0為屈服應(yīng)力,Pa；γ 為切變率,s-1；K 為稠度系數(shù),Pa·sn；n 為流動指數(shù)。

數(shù)據(jù)分析及擬合結(jié)果表明:煤漿屈服應(yīng)力τ0變化范圍為4.24 ～6.37 Pa,流動指數(shù)n 變化范圍為0.87 ～1.13,稠度指數(shù)K 變化范圍為0.35～1.45 Pa·sn。

實驗過程中測定了48 組流量與摩阻損失數(shù)據(jù),測試結(jié)果如圖3 和圖4 所示。 從圖3 和圖4 可以看出,隨著煤漿流量增大,摩阻損失也增大。 從圖3 可以看出,漿體中分散劑濃度越大(煤漿濃度為62%),則管徑35 mm 管道中煤漿摩阻損失值越小。 這說明十二醇醚作為煤漿分散劑,具有明顯的減阻作用。 其原因在于十二醇醚會與水分子形成氫鍵,在煤顆粒表面形成一層水化膜,使原疏水表面轉(zhuǎn)換為親水表面,表現(xiàn)為煤漿黏度降低,從而造成摩阻損失增大。

圖3 分散劑濃度對摩阻損失的影響

圖4 煤漿濃度對摩阻損失的影響

圖4顯示,煤漿濃度越大(分散劑濃度1.1%),管徑50 mm 管道中煤漿摩阻損失越大。 這是因為濃度越大,煤漿單位體積內(nèi)固體顆粒含量就會增加,導致煤漿黏度增加,從而增大了阻力。

煤漿阻力與煤漿的流動狀態(tài)存在密切關(guān)系。 本研究中,流體雷諾數(shù)最大值為772.26,最小值為13.55,又因為煤漿流動指數(shù)n 接近1。 根據(jù)有關(guān)研究,非牛頓流體流動指數(shù)n 接近1 時,可采用與牛頓流體相同的方法確定其層流還是紊流流動而不會造成較大偏差［6］,因此,確定本文中管道輸送時煤漿流態(tài)為層流。

根據(jù)有關(guān)研究［7］,任何與時間無關(guān)的非牛頓體層流時,平均切變率8U/D 只是剪切應(yīng)力的函數(shù),可用下式表示:

式中τw為管壁切應(yīng)力,Pa；L 為管道長度,m；ΔP 為長度L 段的壓降,Pa；η*為綜合有效黏度,Pa·s；U 為管道內(nèi)煤漿平均速度,m/s；D 為管道直徑,m。

式(2)可變?yōu)?

根據(jù)實測數(shù)據(jù),繪制η*與平均切變率8U/D 的關(guān)系如圖5～6 所示。 通過煤漿流量Q=(0.5～2.5)×10-3m3/s 范圍內(nèi)的30 組8U/D-η*數(shù)據(jù)擬合,發(fā)現(xiàn)綜合有效黏度η*與切變率8U/D 近似成線性關(guān)系,兩者關(guān)系可用下式表示:

從圖5 可以發(fā)現(xiàn),煤漿濃度62%時,分散劑濃度越大,則綜合有效黏度越小。 隨著平均切變率8U/D 增加,綜合有效黏度有增加的趨勢,不過增加趨勢不明顯。 分散劑濃度增加,有利于降低煤漿黏度,這在一定程度上減少了綜合有效黏度。 從圖6 可看出,隨著煤漿濃度增大,綜合有效黏度呈現(xiàn)增大趨勢。

圖5 不同分散劑濃度下綜合有效黏度與切變率的關(guān)系

圖6 不同煤漿濃度下綜合有效黏度與切變率的關(guān)系

從上面分析可知,本文所研究的Herschel Bulkley流體摩阻損失可用下式計算:

圖7 為基于流量(3.0 ～4.0)×10-3m3/s 范圍內(nèi)18組數(shù)據(jù)的摩阻損失計算值(式(5))與實測值對比情況。 可以看出,摩阻損失計算值與實測值的偏差為17.12%,不超過18%。 偏差產(chǎn)生的原因主要為實驗測量偏差以及數(shù)據(jù)擬合存在偏差。 這說明,式(5)可以對水煤漿管道輸送的摩阻損失進行一定程度的預測。

圖7 摩阻損失計算值與實測值對比

3 結(jié) 語

1) 十二醇醚分散劑濃度與水煤漿摩阻損失值負相關(guān),水煤漿濃度與摩阻損失值正相關(guān),十二醇醚分散劑對水煤漿管道輸送有明顯的減阻作用。

2) 水煤漿的綜合有效黏度與平均切變率近似成線性關(guān)系,煤漿濃度62%時,綜合有效黏度與分散劑濃度負相關(guān),與水煤漿濃度正相關(guān)。

3) 基于理論推導和數(shù)據(jù)擬合,給出了Herschel Bulkley 流體的摩阻損失計算公式,公式計算值與實測值偏差不大于18%。