張圓圓 陳春瑞 趙文鑫 趙沛禎 王鵬程 楊鳳玲

(1.山西大學CO2減排與資源化利用教育部工程研究中心，國家環(huán)境保護煤炭廢棄物資源化高效利用技術重點實驗室，030006 太原；2.山西河坡發(fā)電有限責任公司，045000 山西陽泉)

0 引 言

洗煤泥是煤炭洗選過程中產(chǎn)生的廢棄物[1]，是一種高濃度黏稠膏體，屬于典型的非牛頓流體。其遇水即流失、風干易飛揚[2]的特點限制了煤泥的資源化利用。然而，收到基低位發(fā)熱量約在8 MJ/kg～17 MJ/kg的洗煤泥[3]又是一種低熱值燃料。利用煤泥進行循環(huán)流化床燃燒發(fā)電，不僅可以實現(xiàn)煤基廢棄物的資源化利用，而且可以降低電廠燃料成本，在創(chuàng)造經(jīng)濟效益的同時，解決環(huán)境污染問題。

在煤泥用于循環(huán)流化床燃燒的過程中，管道輸送是循環(huán)流化床大規(guī)模投用煤泥的重要環(huán)節(jié)，準確測定煤泥的流變特性，并獲取流變參數(shù)對煤泥輸送管道的設計及運行有理論指導價值。目前，測定煤泥流變特性的主要方法有管流法和旋轉(zhuǎn)法。在管流法測定煤泥流變特性方面，唐曉明等[4-5]采用管流法研究了含水率、剪切速率對洗煤泥流變特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)含水率越小，管道輸送屈服應力越大；隨著洗煤泥剪切速率的增大，剪切應力也增大。TSAI et al[6]采用管流法研究了煤粉含量、粒度、粒度分布及溫度對煤泥流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)煤泥黏度隨著煤粉含量的增多而變大；粒度越小，黏度越大；溫度增大，黏度相對降低。呂帥[7]采用擠壓泵管道循環(huán)回送裝置進行了印尼褐煤煤泥漿管道流變特性的實驗，通過擬合回歸分析，用雙對數(shù)曲線表征了煤泥膏體的流變特性。潘清波等[8]得到了煤泥膏體流速與表觀黏度、剪切速率、剪切應力的關系，發(fā)現(xiàn)隨著煤泥膏體流速的增大，剪切速率隨之增大；煤泥表觀黏度隨著剪切速率的增大而減??；煤泥剪切應力隨著剪切速率增大而增大。GAO et al[9]確定了煤泥(濃度為57.06%～45.44%)在不同管徑下輸送的流變模型，發(fā)現(xiàn)濃度為57.06%～45.44%的煤泥屬于剪切變稀的假塑性非牛頓流體。陳丹丹等[10-11]通過Herschel-Bulkley模型擬合確定了漿體濃度在39.24%～41.48%的煤泥屬于假塑性流體，濃度在42.32%～43.33%的煤泥屬于屈服假塑性流體。在旋轉(zhuǎn)法測定煤泥流變特性方面，有學者[12-15]采用流變儀分析探究了剪切速率、煤泥濃度對煤泥流變特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著剪切速率的增大，煤泥表觀黏度呈現(xiàn)減小的趨勢；隨著煤泥濃度的增大，煤泥的表觀黏度增大。另外，有多位學者[16-23]采用旋轉(zhuǎn)黏度計分析探究了不同含水率的煤泥剪切速率、剪切應力、表觀黏度的關系，并通過關系曲線分析出煤泥的流變狀態(tài)隨含水率的增大，由賓漢性流體轉(zhuǎn)變?yōu)榧偎苄粤黧w。然而，目前關于運用管流法和旋轉(zhuǎn)法同時測定并比較煤泥流變特性的研究還少有報道。

本研究以洗煤泥為研究對象，同時采用管流法和旋轉(zhuǎn)法探究了含水率、剪切速率、剪切時間對煤泥流變特性的影響，并對兩種方法所得流變特性進行系統(tǒng)比較，為煤泥流變特性的評價及管道輸送設計提供重要理論參考。

1 實驗部分

1.1 樣品性質(zhì)及制備

實驗所用煤泥樣品采自山西省長治市宏魯洗煤廠，煤泥的基本理化特性如表1所示。樣品的工業(yè)分析采用智能馬弗爐(CTW-500B，中國)，按照GB/T 212-2008進行測定。

表1 洗煤泥的工業(yè)分析(%*)Table 1 Proximate analysis of coal slime(%*)

不同含水率煤泥樣品的制備：通過原料煤泥含水率的測定，根據(jù)實驗目標含水率，加水配置成不同含水率的煤泥樣品備用。

1.2 實驗裝置

煤泥的流變特性通過管流法和旋轉(zhuǎn)法測定。

管流法實驗采用自行搭建的垂直+水平管路壓降裝置(如圖1所示)，該裝置主要由管道、壓力表、單螺桿泵、變頻器和物料儲存筒等部分構(gòu)成。其中管道采用鍍鋅不銹鋼管，內(nèi)徑為40 mm，整個管路等徑連通；壓力表選用隔膜壓力表(最大量程為1 MPa)，管路上共安裝了6個隔膜壓力表，每個壓力表的示數(shù)依次為p1，p2，p3，p4，p5，p6，其中p4和p5為實驗取點，兩點相距L=1.0 m；變頻器最大頻率為50 Hz，實驗過程中通過改變變頻器頻率來控制物料泵送的流速。

圖1 垂直+水平管路壓降裝置Fig.1 Schematic diagram of vertical+horizontal pipeline pressure drop device1—Pipeline；2—Pressure gage；3—Helical rotor pump；4—Transducer；5—Check valve；6—Material barrel

旋轉(zhuǎn)法實驗采用旋轉(zhuǎn)流變儀(Malvern Kinexus lab+)來進行，裝置如圖2所示，主要由流變儀、主機、顯示器三部分組成，通過設定剪切速率可得到不同含水率下的膏體流變特性曲線，通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動可測定樣品的表觀黏度等一些基本流變參數(shù)。

圖2 Malvern Kinexus lab+旋轉(zhuǎn)流變儀Fig.2 Schematic diagram of rotary rheometer of Malvern Kinexus lab+

1.3 實驗方法

1.3.1 測試方法

1) 管流法。將不同含水率(27.6%，31.2%，35.3%，質(zhì)量分數(shù))的煤泥，倒入垂直+水平管路壓降裝置中循環(huán)泵送3 min，保證物料的均勻性。實驗開始后，依次改變變頻器頻率從5 Hz到50 Hz(頻率梯度為5 Hz)，在每種工況下，讀取并記錄壓力表p4和p5的示數(shù)，同時運用量筒稱重法測定計算管路出口處的流速v。

2) 旋轉(zhuǎn)法。實驗參數(shù)：環(huán)境溫度為25 ℃，初始剪切速率為10 s-1，結(jié)束剪切速率為350 s-1，單次剪切時間為5 min。在研究剪切時間對煤泥或污泥流變特性的影響時，給定兩種剪切速率35 s-1和70 s-1，剪切時間取6 min，每30 s取一個點。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理方法

管流法實驗中，對于煤泥在管道中流動，其管壁面剪切應力τw和剪切速率Sw滿足冪定律本構(gòu)方程，即

(1)

式中：τ0為屈服剪切應力；K為冪定律系數(shù)；n為冪定律指數(shù)。

根據(jù)力平衡關系可知τw與管徑D、單位管長壓降ΔpH/L的關系為：

ΔpH=p4-p5-ρgh

(2)

(3)

式中：ΔpH為壓降，MPa；ρ為對應含水率下煤混膏體的密度，kg/m3；h為p4到p5的垂直高度，m。

即測得D，ΔpH，L，可計算出對應的剪切應力τw。

(4)

(5)

(6)

式中：n′為修正冪定律指數(shù)，通過雙對數(shù)曲線擬合可得；Qm為煤混膏體的質(zhì)量流量，kg/s。

根據(jù)式(1)～式(6)可計算得到每種工況下的剪切速率和剪切應力。煤泥膏體表觀黏度為剪切應力與剪切速率的商值。

2 結(jié)果與討論

2.1 含水率對煤泥流變特性的影響

2.1.1 基于管流法的煤泥膏體流變特性

圖3所示為基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的單位管長壓降隨頻率的變化曲線。由圖3可以看出，對于三種含水率的煤泥，隨著頻率的增大，單位管長壓降均呈增大的趨勢。對同一頻率不同含水率的煤泥而言，隨著含水率的增加，單位管長壓降逐漸減小，即煤泥的含水率越低，泵送所需要的能耗就相對越高。含水率為27.6%的煤泥膏體在低頻率(5 Hz)下的單位管長壓降約為含水率為35.3%的煤泥膏體單位管長壓降的3倍。含水率為27.6%的煤泥膏體的單位管長壓降隨頻率的增加尤為顯著，這表明當煤泥膏體的含水率較低時，管道泵送所需要的能耗更高，且隨著泵送頻率的增大(即流速加快)，所需要的能耗也會顯著增加。

圖3 基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的單位管長壓降隨頻率的變化曲線Fig.3 Variation curves of pressure drop per unit pipe length of slime paste with different moisture contents as a function of frequency based on tube-flowing method

圖4所示為基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-剪切應力關系曲線。由圖4可以看出，對同一含水率下的煤泥膏體，隨著剪切速率的增大，剪切應力均呈增大的趨勢。對同一剪切速率不同含水率的煤泥而言，隨著含水率的降低，剪切應力逐漸增大。當剪切速率大于200 s-1之后，含水率為27.6%的煤泥膏體的剪切應力相比其他兩種膏體的剪切應力增加的趨勢更加顯著。這同樣說明隨著含水率的減小，剪切應力越來越大，即應力越大，泵送需要的能耗越高。

圖4 基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-剪切應力關系曲線Fig.4 Shear rate-shear stress relationship curves of slime paste with different moisture contents based on tube-flowing method

圖5所示為基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-表觀黏度關系曲線。由圖5可以看出，對同一含水率的煤泥膏體，隨著剪切速率的增大，表觀黏度均呈現(xiàn)減小的趨勢。對同一剪切速率不同含水率的煤泥而言，隨著含水率的增大，表觀黏度逐漸減小。由圖5還可以看出，相比于高剪切速率條件，低剪切速率下的煤泥膏體表觀黏度減小的趨勢更加顯著。通過圖5可知含水率是影響煤泥膏體流變特性的一個主要因素。隨著含水率的減小，膏體越稠，黏度也越大，管道泵送過程中的沿程阻力越大，相應的泵送所需要的能耗也越高。

圖5 基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-表觀黏度關系曲線Fig.5 Shear rate-apparent viscosity relationship curves of slime paste with different moisture contents based on tube-flowing method

2.1.2 基于旋轉(zhuǎn)法的煤泥膏體流變特性

圖6所示為基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率的煤泥膏體的Bingham模型或Herschel-Bulkley模型擬合曲線。由圖6可知，通過Bingham模型擬合發(fā)現(xiàn)，含水率為27.6%的煤泥膏體屬于賓漢性流體；通過Herschel-Bulkley模型擬合發(fā)現(xiàn)，含水率為31.2%和35.3%的煤泥膏體屬于屈服假塑性流體。

圖6 基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率的煤泥膏體的Bingham模型或Herschel-Bulkley模型擬合曲線Fig.6 Fitting curves of Bingham model or Herschel-Bulkley model for slime paste with different moisture contents based on rotation method

三種含水率的煤泥膏體流變特性方程如表2所示。由流變特性方程可以看出，隨著煤泥含水率的增大，煤泥的非牛頓流體類型從賓漢流體變化為屈服假塑性流體，而且屈服應力也隨之減小。

表2 不同含水率的煤泥流變特性方程Table 2 Slime rheological properties equation with different moisture contents

圖7所示為基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率煤泥膏體的剪切速率-剪切應力曲線。由圖7可以看出，對同一含水率不同剪切速率的煤泥，隨著剪切速率的增加，剪切應力也隨之增加。對同一剪切速率不同含水率的煤泥，隨著含水率的增加，剪切應力隨之減小。由表2可知，含水率為35.3%的洗煤泥屈服應力為88.95 Pa，而含水率為27.6%的洗煤泥屈服應力為652.85 Pa。平均計算可知每增加1%含水率，屈服應力增加73.32 Pa。低含水率的洗煤泥在高剪切速率下，剪切應力的增量越來越大。這表明隨著含水率的降低，膏體稠度增大，流動需要克服的屈服應力增大，相應增大了泵送所需能耗。

圖7 基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-剪切應力關系曲線Fig.7 Shear rate-shear stress relationship curves of slime paste with different moisture contents based on rotation method

圖8所示為基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-表觀黏度曲線。由圖8可以看出，對同一含水率的洗煤泥，隨著剪切速率的增大，表觀黏度降低。含水率為27.6%的洗煤泥在初始剪切速率(12.3 s-1)時的黏度為42.33 Pa·s，而含水率為35.3%的洗煤泥在初始剪切速率(12.3 s-1)時的黏度為9.92 Pa·s。在低剪切速率下，對同一剪切速率不同含水率的煤泥，隨著含水率的增大，黏度顯著降低，這說明了高濃度的煤泥膏體黏度相對更大，且每增加1%含水率，黏度不呈線性增加，而是呈多倍數(shù)增加。

圖8 基于旋轉(zhuǎn)法得到的不同含水率的煤泥膏體的剪切速率-表觀黏度關系曲線Fig.8 Shear rate-apparent viscosity relationship curves of slime paste with different moisture contents based on rotation method

2.2 剪切時間對煤泥流變特性的影響

圖9所示為基于旋轉(zhuǎn)法得到的定剪切速率(35 s-1，70 s-1)下不同含水率的煤泥的剪切時間-表觀黏度曲線。由圖9a可以看出，隨著剪切時間的增加，含水率為25.73%的煤泥的表觀黏度呈上升趨勢，具有剪切變稠的特點；而含水率為30.87%的煤泥，隨著剪切時間的增加，其表觀黏度呈下降趨勢，具有剪切變稀的特點。當含水率>31.20%時，剪切時間對煤泥表觀黏度的影響變小，幾乎可以忽略不計。當含水率≥33.78%時，煤泥的黏度極其穩(wěn)定，不隨剪切時間的變化發(fā)生變化。這表明在低剪切速率(35 s-1)下，適當增加含水率可降低剪切時間對煤泥流變特性的影響。由圖9b可以發(fā)現(xiàn)，在含水率<31.20%時，煤泥膏體的黏度出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。當含水率≥33.78%時，剪切時間對煤泥表觀黏度的影響極小，幾乎不隨剪切時間的變化發(fā)生變化。

圖9 25 ℃下剪切速率為35 s-1和70 s-1時不同含水率的煤泥的剪切時間-表觀黏度關系曲線Fig.9 Relationship between shear time and apparent viscosity of coal slime with different moisture contents at 25 ℃ with shear rate of 35 s-1 and 70 s-1a—35 s-1；b—70 s-1

由圖9可推測，表觀黏度發(fā)生變化的主要原因為流變儀轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動的過程中使煤顆粒與水混合得更加均勻，其次高剪切速率改變了煤泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了使煤泥膏體泵送的過程中能耗更低，在實際應用中可以在不改變攪拌轉(zhuǎn)速的情況下，增加攪拌時間來保證物料更加均勻。

2.3 兩種測定方法對比分析

管流法可測得管道流速與壓降之間的關系，在工程實踐方面更具指導意義[4-5]，旋轉(zhuǎn)法可提供剪切時間對煤泥膏體流變特性的影響規(guī)律[17]。為了客觀評價兩種測定方法，選取基于兩種測定方法的同種含水率煤泥流變特性結(jié)果進行對比分析，結(jié)果見圖10。由圖10可以看出，對于同種含水率不同測定方法得到的煤泥流變特性，剪切應力隨著剪切速率變化的趨勢基本相同，但兩種方法在所測數(shù)值上存在較大差異。其中旋轉(zhuǎn)法得到的剪切應力曲線明顯高于管流法得到的剪切應力曲線，若以基于旋轉(zhuǎn)法的試驗結(jié)果估算實際管道泵送能耗，將會導致估算能耗偏高。而管流法基于更接近電廠的泵送裝置設計，所得到的結(jié)果更接近實際應用過程，對工程設計更具指導價值。

圖10 不同測定方法下同種含水率的煤泥的剪切速率-剪切應力關系曲線Fig.10 Shear rate-shear stress relationship curves of coal slime with same moisture content under different determination methods

綜合分析兩種方法所測煤泥流變特性，可知：

1) 相比于旋轉(zhuǎn)法，管流法可以提供管道泵送過程中管段的單位管長壓降，且在量化數(shù)值上更接近實際應用過程，這對煤泥管道搭建更具現(xiàn)實指導意義。在管道設計的過程中，通過單位管長壓降可計算整個泵送過程中的最小阻力損失，以便于確定泵的揚程及型號。

2) 旋轉(zhuǎn)法可提供剪切時間對煤泥膏體流變特性的影響規(guī)律，這模擬了管道泵送之前的攪拌預處理過程，有助于獲取合適的攪拌方案，從而為管道泵送提供理論數(shù)據(jù)參考。

3 結(jié) 論

1) 通過管流法和旋轉(zhuǎn)法，發(fā)現(xiàn)煤泥膏體的剪切應力隨著剪切速率的增大而增大，含水率對高濃度煤泥膏體的流變特性影響更加顯著。含水率為27.6%的煤泥膏體經(jīng)過Bingham模型擬合屬于賓漢性流體，而含水率為31.2%和35.3%的煤泥膏體經(jīng)過Herschel-Bulkley模型擬合屬于屈服假塑性流體。

2) 剪切時間也會影響洗煤泥的流變特性，在剪切速率一定的情況下，適當增加含水率可以減小膏體的表觀黏度，或者在剪切速率和含水率一定的情況下適當增加攪拌時間，可保證物料在泵送前更加均勻，降低泵送的能耗。

3) 通過比較管流法和旋轉(zhuǎn)法測得的煤泥流變特性，發(fā)現(xiàn)兩者在含水率對煤泥流變特性的影響上呈現(xiàn)相同的規(guī)律，但所測數(shù)值有較大差異。管流法可以提供管道泵送過程中垂直管段的單位管長壓降，可以提供直接的工程參考。旋轉(zhuǎn)法可提供剪切時間對煤泥膏體流變特性的影響規(guī)律，有助于獲取合適的攪拌方案，從而為管道泵送提供理論數(shù)據(jù)參考。