熊楚安

(黑龍江科技學院 資源與環(huán)境工程學院, 哈爾濱 150027)

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煤漿濃度對油煤漿流變特性和表觀黏度的影響

熊楚安

(黑龍江科技學院 資源與環(huán)境工程學院, 哈爾濱 150027)

煤漿質量分數(shù)是影響油煤漿流變特性的主要因素之一。文中研究了煤漿質量分數(shù)對內蒙古勝利褐煤與液化起始溶劑和循環(huán)溶劑配制成的油煤漿的流變特性和表觀黏度的影響。采用NXS-11A型旋轉黏度計測量煤漿體系在30～70 ℃時在不同剪切速率下的剪切應力和表觀黏度，繪制煤漿體系流變曲線和黏度曲線，分析了流變和黏度特性。結果表明：在實驗條件下勝利褐煤起始溶劑油煤漿和循環(huán)溶劑油煤漿都符合賓漢流體的特征；油煤漿體系的塑性黏度、屈服應力和表觀黏度都隨煤漿質量分數(shù)的增大而增大，煤漿的表觀黏度與煤漿質量分數(shù)之間呈指數(shù)增長型關系，當煤漿質量分數(shù)超過一定數(shù)值范圍后，煤漿體系的表觀黏度會急劇上升。

直接液化; 油煤漿; 煤漿質量分數(shù); 流變特性; 表觀黏度

0　引　言

我國是一個多煤少油的國家,既是世界上最大的煤炭生產國和消費國,也是一個石油消費大國。煤炭直接液化可以把低變質程度的煤炭轉化成優(yōu)質的液體油品,這是緩減我國石油供需矛盾的一種重要手段,也是我國能源建設發(fā)展的戰(zhàn)略內容。在煤直接液化過程中原料煤需與供氫溶劑配制成一定質量分數(shù)的油煤漿(coal-oil mixtures, COM),然后經過煤漿泵增壓、輸送以及預熱爐加熱到規(guī)定溫度后,再進入加氫反應器進行加氫液化反應。煤炭直接液化時，在一定溫度條件下,供氫溶劑與煤會發(fā)生強烈的物理、化學作用,導致油煤漿的流變特性和黏度特性發(fā)生明顯的變化,甚至產生突變,造成系統(tǒng)輸送阻力增加,從而影響油煤漿的輸送、傳熱和傳質的效果[1-2]。研究和掌握油煤漿在液化過程中發(fā)生的物理、化學變化機理及流變特性的變化規(guī)律,可以為煤漿的大規(guī)模配制、輸送、加熱過程的優(yōu)化設計和操作條件提供理論指導和技術支持的基礎數(shù)據(jù)[3-8],因此得到眾多學者們的關注。

煤漿黏度與煤漿質量分數(shù)有直接關系。煤漿質量分數(shù)是煤直接液化的主要工藝條件之一。從理論上講,煤漿質量分數(shù)對液化反應的影響應該是質量分數(shù)越稀越有利于煤熱解自由基碎片的分散和穩(wěn)定。但為了提高液化反應器的空間利用率,煤漿質量分數(shù)又希望盡可能高。同時,在煤液化工藝中,選擇煤漿質量分數(shù)還要考慮煤漿的輸送和煤漿預熱爐的適應性。鑒于諸多因素條件下,筆者研究了煤漿質量分數(shù)對油煤漿流變特性和黏度特性的影響。

1　實驗與方法

實驗以內蒙勝利褐煤(簡稱為勝利煤)為研究對象,將勝利煤破碎并篩分為平均粒徑在0.15 mm以下的樣品,將實驗煤樣在50 ℃下真空干燥24 h后密封保存?zhèn)溆?實驗煤樣的基本分析數(shù)據(jù)見表1。

表1煤樣的工業(yè)分析和元素分析

Table 1Proximate and ultimate analysis of coal samples %

配制煤漿所用溶劑來自煤炭科學研究總院北京煤化工分院提供的勝利煤起始溶劑(Initial solvent,即INI)和勝利煤加氫循環(huán)溶劑(Recycle solvent,即REC)。起始溶劑是液化裝置啟動時配制煤漿的溶劑,而加氫循環(huán)溶劑是煤液化油在液化裝置中循環(huán)多次后的溶劑[9]。在20 ℃下密度ρ,40 ℃下表面黏度μ時,溶劑INI和溶劑REC的性質見表2。

表2起始溶劑和循環(huán)溶劑的物理性質

Table 2Physical property and ultimate analysis of INI and REC

采用NXS-11A型旋轉黏度計測定煤漿體系的流變特性和黏度特性。黏度計使用前先使用標準黏度液對黏度計進行標定和校驗,使測量誤差在儀器的允許范圍內。

首先,稱取一定量的勝利煤粉分別加入起始溶劑和循環(huán)溶劑中,然后攪拌均勻,得到不同質量分數(shù)的勝利煤油煤漿。將配制好的油煤漿倒入黏度計的測量桶內,將測量桶放入可調溫的恒溫水浴槽中加熱到指定的溫度后,采用NXS-11A型旋轉黏度計,測量煤漿體系在30～70 ℃時在不同剪切速率下的剪切應力和表觀黏度,繪制煤漿體系的流變曲線和黏度曲線圖,分析其流變特性和黏度特性。

2　結果與討論

2.1煤漿質量分數(shù)對油煤漿流變特性的影響

將勝利煤分別用INI和REC溶劑配制成不同質量分數(shù)的油煤漿,測定煤漿體系在不同剪切速率下的剪切應力,繪制出煤漿體系的流變曲線(以70 ℃時為例),如圖1、2所示。

采用賓漢流體模型,即

τ=τ0+ηγ,

式中:τ——剪切應力,Pa;

τ0——屈服應力,Pa;

η——塑性黏度,mPa·s;

γ——剪切速率,s-1。

對實驗數(shù)據(jù)進行回歸,得到70 ℃時不同質量分數(shù)wm的流變曲線回歸方程,見表3和4。

由圖1、2和表3、4可見,在實驗條件下,由INI和REC溶劑配制成的勝利油煤漿的流變特性符合賓漢型流體特征,煤漿體系的塑性黏度η和屈服應力τ0值都隨煤漿質量分數(shù)的增大而增大,且質量分數(shù)高時,η值和τ0值增加的幅度更明顯。另外,從比較可知,相同條件下,INI油煤漿體系的塑性黏度η值要比REC油煤漿體系η值大,但兩種煤漿體系的屈服應力τ0值相差不大。

圖1　INI中油煤漿的流變曲線Fig. 1　Rheograms of INI-COM

圖2　REC中油煤漿的流變曲線Fig. 2　Rheograms of REC-COM表3　INI油煤漿體系流變曲線回歸方程Table 3　Curve regressive equations of INI-COM

表4　REC油煤漿體系流變曲線的回歸方程Table 4　Curve regressive equations of REC-COM

2.2煤漿質量分數(shù)對油煤漿表觀黏度的影響

將勝利煤分別與INI和REC溶劑配制成不同質量分數(shù)的油煤漿,測定油煤漿體系在不同剪切速率下的表觀黏度(以50 ℃時為例)。測試結果見圖3、4。

圖3　不同質量分數(shù)油煤漿的表觀黏度(INI體系)

Fig. 3Effect of concentration on apparent viscosity of INI-COM

由圖3、4可以看出,隨著煤漿質量分數(shù)的增大,煤漿的表觀黏度也隨之增大,特別是煤漿質量分數(shù)較高時,煤漿的表觀黏度增加幅度更加明顯。這是由于煤漿質量分數(shù)增大時,一方面使得體系中的溶劑量相對變少。溶劑作為煤漿中顆粒間的自由相,溶劑量越少,自由相的潤滑作用就越差,相應的黏度就越高;另一方面煤作為多孔物質,煤顆粒量增多,能夠吸收更多的溶劑進入顆粒間的微孔,也使得在顆粒間自由運動的液相分子減少,從而導致表觀黏度增加。

圖4　不同質量分數(shù)油煤漿的表觀黏度(REC體系)

Fig. 4Effect of concentration on apparent viscosity of REC-COM

在剪切速率為50 s-1時,將不同質量分數(shù)的INI油煤漿在70 ℃的表觀黏度和不同質量分數(shù)的REC油煤漿在50 ℃的表觀黏度分別作圖,如圖5所示。

將圖5中煤漿黏度曲線進行回歸擬合,其擬合后的表觀黏度和質量分數(shù)的關系式為

μ=Aexp(wm/B)+C,

式中:μ——煤漿表觀黏度,mPa·s;

wm——煤漿質量分數(shù),%;

A、B、C——回歸常數(shù)。

擬合后的回歸數(shù)值見表5。

由圖5和表5可以看出,隨著煤漿質量分數(shù)的升高,煤漿的表觀黏度增大,煤漿的表觀黏度值和煤漿質量分數(shù)之間是一種指數(shù)增長型關系。因此,當煤漿質量分數(shù)大于一定數(shù)值后,煤漿的表觀黏度就呈指數(shù)增長關系急劇上升[10-12],導致系統(tǒng)流動阻力的急劇增加。在實際的煤直接液化工藝中,煤漿質量分數(shù)一般控制在40%～50%。

圖5　煤漿質量分數(shù)與表觀黏度擬合曲線

Fig. 5Regressive curve of apparent viscosity with concentration of INI-COM

表5煤漿表觀黏度方程常數(shù)

Table 5Constants of apparent viscosity equations of COM

名稱INI體系REC體系A0.01210.0107B4.71274.7535C20.445718.4008R20.99630.9947

3　結　論

(1)在實驗條件下,勝利INI油煤漿體系和REC油煤漿體系其流變特性都基本符合賓漢流體的特征,油煤漿的塑性黏度值、屈服應力值和表觀黏度都隨煤漿質量分數(shù)的增大而增大。

(2)油煤漿的表觀黏度與煤漿質量分數(shù)之間呈指數(shù)增長型關系,煤漿質量分數(shù)越高時,其對煤漿黏度的影響越明顯;當煤漿質量分數(shù)超過一定數(shù)值范圍后,煤漿的表觀黏度隨煤漿質量分數(shù)的增加而急劇升高。

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(編輯徐巖)

Influence of concentration on rheological properties and apparent viscosity of coal-oil mixtures

XIONGChu’an

(College of Resources & Environmental Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

The concentration of coal-oil mixtures(COM) is one of the main factors affecting its rheological properties. This paper seeks to investigate the rheological and viscosity properties of Shengli lignite COM confected by initial and recycled solvent. The investigation consists of measuring the shear stress and apparent viscosity of COM systems at different shear rate and 30-70 ℃ by using rotational viscosimeter of NXS-11A, plotting rheological curves and riscosity curves respectively, and analyzing its rheological and apparent properties. The results indicate that the systems of Shengli lignite COM prepared by initial and recycled solvent consist with the characteristics of non-Newtonian Bingham fluid. The plastic viscosity, yield stress, and apparent viscosity increase with increasing coal concentration. The apparent viscosity correlates to the coal concentration exponentially and increases rapidly beyond a certain scale at high concentration.

direct liquefaction; coal-oil mixtures(COM); concentration of COM; rheological properties; apparent viscosity

1671-0118(2012)03-0237-04

2012-04-24

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12511473)

熊楚安(1969-),男,湖北省麻城人,教授,博士,研究方向:煤炭轉化,E-mail:xca1969@163.com。

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