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煤泥浓密膏体流变特性测试方法研究进展

陈春瑞1,2,3,王鹏程4,杨凤玲1,2,3,张圆圆1,2,3

(1.山西大学,山西省太原市, 030006;2.CO2减排与资源化利用教育部工程研究中心,山西省太原市,030006;3.国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室,山西省太原市, 030006;4.山西河坡发电有限责任公司,山西省阳泉市,045000)

摘 要 煤泥输送是资源化利用中的重要环节之一,准确测定煤泥膏体的流变特性及获取流变参数,对煤泥输送管道的设计及输送过程的控制至关重要。目前国内外测定煤泥膏体流变特性的方法主要有管流法和旋转法2大类。系统地介绍了这2种主流方法的测试原理,在分析煤泥理化特性的基础上,分别就测定原理、测试装置、测试方法、测定参数及测定结果等进行了分析比较。

关键词 煤泥;流变特性;膏体;管流法;旋转法;管道输送

0 引言

煤泥主要是原煤经洗选后的底流经压滤脱水工艺后形成的选煤废弃物,具有持水性高、粒度细、黏性大、常压下不具有流动性的特点[1-4],是一种典型的高浓度黏稠物料,堆积形态极不稳定[5],遇水易流失。煤泥中的有毒有害物质经雨水冲刷,随地表物质进入水体,极易造成水污染[6]。煤泥风干易飞扬,导致大气中颗粒物升高[7]。此外,不易贮存和运输的特点限制了煤泥的资源化利用。目前煤泥资源化利用的途径主要有锅炉直接燃烧、制作型煤、生物质型煤、型焦等[8],其中燃煤电厂直接燃烧是煤泥大规模资源化利用的重要方式,而稳定输送是煤泥在电厂资源化利用的重要环节。准确获取煤泥的流变特性参数,以此为依据设计合理的煤泥泵送管道并合理调整泵送参数,对煤泥的稳定输送意义重大。

笔者在分析煤泥理化特性的基础上,系统分析比较了目前2种主流测试方法,即管流法和旋转法,分别就测定原理、测试装置、测试方法、测定参数及测定结果等进行了分析比较,并结合数值模拟法,对未来煤泥膏体流变特性的测定进行了展望。

1 煤泥的理化特性

1.1 煤泥的基本理化性质

按照采煤和选煤工艺的不同,煤泥大致可分为选煤厂的浮选尾煤、煤水混合物产出的煤泥、矿井排水夹带的煤泥。

按照灰分的含量和热值,煤泥可分为低灰煤泥、中灰煤泥和高灰煤泥,煤泥的分类见表1[9-10]

煤泥的理化特性如下:煤泥的粒度较细,最大粒径不超过0.500 mm[11],小于0.074 mm的微粒占比为70%~90%[12];含水量约为30%,具有持水性强、不易脱水的特点[13-14];煤泥中含有较大比例的黏土矿物,这些黏土矿物富集于极细的粒级中,矿物遇水即膨胀、粉化,极易形成极细的胶体颗粒,黏结性较强[15]且流动性差;pH值通常偏中性[16],为7~9;灰分含量一般为30%左右[13];热值通常在20 MJ/kg以上[17],具有燃烧利用的价值。

1.2 煤泥的流变特性

流变特性是物体在外力作用下发生的应变与其应力之间的定量关系,这种应变(流动或变形)与物体的性质和内部结构有关,也与物体内部质点之间相对运动状态有关[18]。煤泥的流变特性,即煤泥的黏性,表示受剪切力作用的膏体产生的变形与所受剪切力之间的关系。在常温状态剪切速率一定的情况下,随着煤泥质量浓度的升高,煤泥的黏度也会相应升高,煤泥膏体逐渐从假塑性流体转变为屈服假塑性流体,进而转变成宾汉性流体。不同质量浓度的煤泥黏度关系如图1所示。

图1 不同质量浓度的煤泥黏度关系

2 煤泥流变特性的实验测定方法

目前在国内外研究中,针对煤泥膏体的流变特性主要从膏体黏度、剪切应力、温度、流速、剪切速率、剪切时间等方面进行考察,测定煤泥膏体流变特性的实验方法主要有管流法和旋转法。

2.1 管流法

管流法是目前测定煤泥膏体流变特性应用最多的一种方法,根据工程实际情况以及应用的不同分为垂直管道压降法、水平管路压降法、环管实验法等3种方法。

2.1.1 管流法测定原理

管流法是通过管道输送煤泥膏体,在一定的含水率下测定煤泥膏体流量或流速与管道上某段压力差之间关系的一种方法。该方法的特点是需要搭建管道输送实验装置及压力测试装置,模拟工程实际情况通过管道泵送的方式输送煤泥膏体;具体实验测定过程是确定一定含水率的煤泥膏体,给定相同的泵送功率,获得单位时间内的流量,测定管道上相邻点之间的压力差。基于测得的浓度、压力差以及流量或流速等数据拟合确定煤泥膏体流变特性及流变参数。

2.1.2 垂直管道压降法

垂直管道压降法是应用最早也是最广泛的测定煤泥膏体流变特性的方法。测定装置主要由垂直管道、挤压泵、煤泥槽及若干压力表组成,垂直管道流变特性测试装置如图2所示[19]

图2 垂直管道流变特性测试装置

浙江大学杨家林等[19]研究人员研究搭建了垂直管道,测定了重庆永川高浓度洗选煤泥的流变特性,并用数值方法按含水率拟合了流变特性参数方程;浙江大学吕帅[20]采用挤压泵管道循环回送装置进行了印尼褐煤煤泥浆管道流变特性的实验,通过拟合回归分析,用双对数曲线表征了煤泥膏体的流变特性。

2.1.3 水平管路压降法

GAO J等[21]研究人员设计水平管路确定了煤泥在不同管径(体积浓度为45.44%~57.06%)下输送的流变模型,并分析了煤泥流变特性随管径和体积浓度的变化趋势;范家峰等[22]研究人员根据工程实际运用水平管路压降法对洗选煤泥的流变特性进行了测定,水平管理流变特性实验装置如图3所示。

图3 水平管路流变特性实验装置

通过流动管路压降法实验发现,在一定的实验水分下,用变频调速电机改变煤泥泵的频率,便可有相应确定的转速和一定的流速、流量,根据剪切应力和剪切速率的关系,可以得出煤泥表观黏度以及煤泥流动阻力与流量的关系。经计算后得到洗选煤泥的流变特性参数经计算后得到洗煤泥的流变特性参数屈服应力τ0、稠度系数K、幂定律指数n,由流变特性参数最终得到流变特性回归方程。

2.1.4 环管实验法

环管实验法是通过浆料储罐、电磁流量计、螺杆泵、水冷却设备、隔膜压力传感器和数据测量及采集系统搭建而成的测量煤泥膏体流变特性的方法。陈丹丹[4]应用环管实验法测定了褐煤煤泥的流变特性,并对数据进行Herschel-Bulkley模型拟合发现褐煤煤泥浆体属于宾汉性流体。环管实验装置如图4所示。

图4 环管实验装置

2.1.5 管流法测定方法使用对比分析

采用管流法原理测定煤泥膏体流变特性的方法主要有3种,分别从测试方法、测试参数、测试结果3个方面进行了对比分析。管流法测定方法比较见表2。

表2 管流法测定方法比较

2.2 旋转法

旋转法是测量煤泥膏体流变特性的另一种方法,该方法原理相对简单,近些年国内外多个研究团队用此方法测定了煤泥膏体的流变特性。根据工程实际应用的不同,逐渐发展成旋转黏度计和多种流变仪,即普通旋转黏度计(仪)、加压旋转流变仪、圆柱转子流变仪、桨叶转子流变仪等。

2.2.1 旋转法测定原理

旋转法测量煤泥膏体流变特性的原理主要是模拟管道内的物料输送状况,测试不同压力下膏体的黏度值,找出黏度随转子压力变化的规律,从而得到加压状态下膏体的流变特性参数。

2.2.2 普通旋转黏度计(仪)

旋转黏度计是旋转法测试膏体流变特性最早、最成熟的一种方法,其原理是通过一个经校验过的铍-铜合金的弹簧带动一个转子在膏体中持续旋转,旋转扭矩传感器测得弹簧的扭转程度即扭矩,它与浸入样品中的转子被黏性拖拉形成的阻力成比例,扭矩因而与流体的黏度呈正比,通过这一原理测量膏体的黏度值。

SINGH M K等[23]研究人员利用流变仪研究了印度煤浆的流变行为,研究了粒度、固含量和温度对煤浆流变性能的影响;王玉明等[24]研究人员应用旋转黏度计研究了含水率、温度、静置时间对煤泥黏度的影响;STRYCAEK S等[25]研究人员研究了微波能量处理对黏度计中煤水浆流变特性的影响以及颗粒直径、固体浓度、微波(MW)暴露时间和剪切速率对水煤浆表观黏度的影响;林伟伟[26]运用NXS-11A型旋转黏度计测量了煤泥膏体的流变特性,分析了不同浓度下煤泥的表观黏度与剪切速率之间的关系以及剪切应力与剪切速率之间的关系,寻找其流动规律,为煤泥的输送提供了理论技术依据;SAHOO B K等[27]研究人员通过流变仪测定发现微波预处理增强了印度高灰煤水悬浮液的流变行为;邵兵等[28]研究人员采用旋转黏度计对煤泥的流变特性进行了测试,并通过实验得到了煤泥浓度与黏度以及煤泥剪切速率与剪切应力之间的关系,通过分析计算得出随着煤泥浓度的增加,煤泥的流变状态由假塑性流体转变为宾汉性流体;DAI Z等[29]研究人员运用NDJ-79A旋转黏度计测定了压滤煤泥的表观黏度,探究了剪切速率、温度、剪切时间对煤泥黏度的影响规律。不同于其他研究学者,DAI Z等研究人员采用旋转黏度计在恒定剪切速率(344 s-1、2 028 s-1)下探究了4种不同含水率(32.5%、35.0%、37.5%、40.0%)的压滤煤泥温度对其流变特性的影响规律,并发现随着温度的升高,煤泥的表观黏度有所下降,其温度-表观黏度曲线[29]如图5所示。

图5 不同含水率煤泥膏体温度-表观黏度曲线

旋转黏度计具有体积小、质量轻、操作简单、实验劳动强度较低、获取数据较快、单次实验所需物料较少等优点,是当前学者们经常采用的测定煤泥膏体流变特性的方法,可以从含水率、剪切速率、剪切时间、温度等多个维度探究单一因素或多因素情况对煤泥膏体流变特性的影响规律。

2.2.3 加压旋转流变仪

加压旋转流变仪采用普通旋转黏度计的工作原理进行设计,主要测试高压下高浓度黏稠物料的黏度变化和流变特性,通过获得的黏度与压力的关系、剪切应力与黏度的关系来表征被测物料的流变特性。该仪器是将物料封闭加压在管道中输送,从而达到加压测试膏体流变特性的目的。加压旋转流变仪主要由加压系统、黏度测试组件、压力传感器、扭矩传感器、交流伺服电机和支架组成。杨晓璞等[30]研究人员研制出一种加压旋转流变仪,这种流变仪可测量高浓度物料(原生煤泥、造纸污泥、城市污泥等一类工业废弃物)的流变参数。由吴钰晶等[31]研究人员发明的专利“加压旋转流变仪”,可以针对含有较大颗粒物的高浓度黏稠浆体进行加压下的流变特性测量。不同压力下煤泥膏体剪切速率-表观黏度的关系如图6所示。

图6 不同压力下煤泥膏体剪切速率-表观黏度曲线

加压旋转流变仪解决了高浓度黏稠物料测定流变特性时物料被转子搅散的问题,该方法具有实验设备简单、自动化程度高、操作简单等特点,是测定煤泥膏体流变特性劳动强度较小的一种方法。

2.2.4 圆柱转子流变仪和浆叶转子流变仪

圆柱转子流变仪和桨叶转子流变仪是后来研究学者根据工程的实际情况,在传统旋转流变仪理论原理基础上改造的2种流变仪。工作原理相似,均是推导剪切应力与剪切速率的基本表达式,其区别主要在于转子的不同。PRESTIDGE C A[32]用同心圆柱流变仪研究了浮选条件下超细方铅矿颗粒浆体的流变特性(黏度和外推屈服值);赵学义等[33]研究人员运用圆柱转子流变仪对不同含水率的煤泥膏体进行系统的测试,并绘制流变曲线和黏度曲线,得到了流变方程。质量浓度与表观黏度曲线如图7所示。

图7 质量浓度与表观黏度曲线

陈辉等[34]研究人员通过R/S型四叶桨式旋转流变仪测定了不同浓度下新拌膏体料浆的屈服应力,揭示其流变特性随泵送剂掺量的变化规律,探讨了泵送剂对膏体浆体的作用影响;吕馥言[35]运用桨叶转子流变仪测定了浓密膏体的流变特性。桨叶转子流变仪在测试中能避免管道壁面滑移现象,相比圆柱转子流变仪使用更加频繁。

2.2.5 旋转法测定方法结果对比分析

旋转法测定煤泥膏体流变特性主要从剪切速率、表观黏度、剪切应力、剪切时间、温度等几个维度对比分析讨论,主要从测定方法、测定参数、测定结果等3个方面进行对比,旋转法测定方法比较见表3。

表3 旋转法测定方法比较

测定方法测定参数测定结果普通旋转流变仪剪切速率、表观黏度、剪切应力、剪切时间、温度实验对象:压滤煤泥实验结论:确定了煤泥膏体表观黏度随含水率的增大而减小;随着含水率的增加,温度对煤泥膏体表观黏度的影响变小;随着含水率的增加,剪切时间对煤泥表观黏度的影响变小加压旋转流变仪黏性力矩、转子转速、剪切速率、剪切应力、温度、压力实验对象:高浓度煤泥实验结论:确定了不同压力下的煤泥流变特性方程;煤泥的剪切应力随剪切速率的增大而增大,表观黏度随剪切速率的增大而减小转子流变仪剪切力矩、剪切速率、剪切应力、表观黏度实验对象:洗选煤泥实验结论:确定煤泥是一种非牛顿流体,煤泥的黏度随质量浓度的增大而增大;55%~65%质量浓度的煤泥为屈服假塑性流体;65%~75%的煤泥属于宾汉性流体

2.3 管流法与旋转法的比较分析

2.3.1 使用率比较

对于煤泥等膏状流体,由于其黏度较大、浓度较高,其主流方法是管流法和旋转法。相比较旋转法,管流法原理简单,实验准确性、可靠度高,且与工程实际结合紧密,因而早期应用最多。近些年随着科学技术的发展,这2种方法的使用率几乎持平。国内外学者测定煤泥膏体流变特性方法的占比如图8所示。

图8 国内外学者测定煤泥膏体流变特性方法占比

2.3.2 优缺点比较

管流法和旋转法作为测定煤泥膏体流变特性使用最多的2种方法,可以根据工程实际概况进行选择。相比较旋转法,管流法的优点在于通过模拟管道泵送,可以获得更加贴合实际的泵送数据,即准确性和可靠度更高;旋转法的优点主要是单次实验时长较短、获取数据较快、单次实验成本较低等。在研究煤泥膏体流变特性的过程中,应同时采用2种方法进行测定。将2种方法测定的数据进行对比分析,综合考虑各自的可靠性和准确性,得到最优化的煤泥膏体流变特性的研究方案。管流法和旋转法优缺点对比见表4。

表4 管流法和旋转法优缺点对比

类型物料使用量单次试验时间可靠度准确性操作难易程度数据获取劳动强度单次试验成本管流法较多较长较高较高较难较慢较大较高旋转法较少较短一般一般较易较快较小较低

3 新兴的煤泥膏体流变特性测定方法

ZHANG J等[36]研究人员提出了一种基于逆传热理论的浆体黏度系数和固相体积分数识别方法,得到浆料表观黏度的最佳估计方法;郭志刚[37]采用虚拟模拟方法,从膏体的微观结构和理论模型出发,通过仿真研究膏体的流体特性,同时郭志刚还进行了管流法虚拟实验,采用Pro/Engineer软件建立膏体管道输送的三维模型,划分好网格后采用Fluent分析软件进行流变特性分析。通过Fluent仿真模拟出管段沿程阻力压降如图9所示。这种方法是基于管流法的原理,但将具体实验操作智能化,降低了实验成本,加快了数据获取速度,属于管流法+数值模拟联合使用测定煤泥膏体流变特性的一种新兴方法。目前新兴方法还处于研发阶段,通过国内外文献调研发现相关的报道较少,其准确性还有待考查。但这种方法的出现预示着未来测定煤泥膏体流变特性的方法将更加多元化,学者们可根据研究需要选取不同的方法。

图9 Fluent仿真计算沿程压降[37]

4 结论

黏稠煤泥膏体的泵送长期以来都是煤泥运送的难题之一,合理计算泵送能耗对煤泥输送具有指导性意义,而煤泥的流变特性是泵送环节最需要研究的理化特性。选择准确度高、可靠性强的测定方法对研究煤泥膏体的流变特性具有关键性作用。

目前国内外测定煤泥膏体流变特性的方法依然以管流法和旋转法居多,计算机模拟分析在未来很有发展前景,建立高效的计算机模拟煤泥膏体泵送流变特性分析系统将具有跨时代意义。

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Research progress on testing methods of rheological properties of coal slime dense paste

CHEN Chunrui1,2,3, WANG Pengcheng4, YANG Fengling1,2,3, ZHANG Yuanyuan1,2,3

(1. Shanxi University, Taiyuan, Shanxi 030006, China;2.Engineering Research Center of CO2 Emission Reduction and Resource Utilization, Ministry of Education, Taiyuan, Shanxi 030006, China;3.State Environmental Protection Key Laboratory of Efficient Utilization Technology of Coal Waste Resources, Taiyuan, Shanxi 030006, China;4. Shanxi Hepo Power Generation Co., Ltd., Yangquan, Shanxi 045000, China)

Abstract Coal slime transportation is an important link in resource utilization, accurately measuring the rheological properties of slime paste and obtaining rheological parameters are crucial to the design of slime transportation pipelines and the control of the transportation process. At present, the methods for measuring the rheological properties of coal slime paste at home and abroad mainly include pipe flow method and rotating method. The testing principles of the existing two mainstream methods were systematically introduced, and based on the analysis of the physical and chemical characteristics of coal slime, the testing principle, device, method, parameters and results were analyzed and compared.

Key words coal slime; rheological properties; paste; pipe flow method; rotating method; pipeline transportation

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基金项目:国家重点研发计划 (2020YFB0606201),国家自然科学基金青年科学基金项目(21908138),山西省高等学校科技创新项目(2020L0008),襄垣县固废综合利用科技攻关项目(2018XYSDYY-12)

作者简介:陈春瑞(1996- ),男,甘肃会宁人,硕士研究生,研究方向为煤泥资源化利用。E-mail:ccr_09439735@163.com

通讯作者:张圆圆(1987- ),女,山西泽州人,副教授,硕士生导师,研究方向为低热值煤资源化利用。E-mail:yuanyuanzhang@sxu.edu.cn

引用格式:陈春瑞,王鹏程,杨凤玲,等. 煤泥浓密膏体流变特性测试方法研究进展[J].中国煤炭,2022,48(5):60-67.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.05.011

CHEN Chunrui, WANG Pengcheng, YANG Fengling,et al. Research progress on testing methods of rheological properties of coal slime dense paste [J].China Coal, 2022,48(5):60-67.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.05.011

中图分类号 TD946

文献标志码 A

(责任编辑 王雅琴)