王玉朋 韓昌瑞 張東煥 李金風(fēng)（山東理工大學(xué)交通與車(chē)輛工程學(xué)院,山東省淄博市,255049）

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煤泥粘度影響因素的試驗(yàn)研究?

王玉朋 韓昌瑞 張東煥 李金風(fēng)
（山東理工大學(xué)交通與車(chē)輛工程學(xué)院,山東省淄博市,255049）

摘要煤泥是選煤過(guò)程中的產(chǎn)物,大多被廢棄,目前通過(guò)管道運(yùn)輸將煤泥輸送到鍋爐發(fā)電是解決該難題的最佳方法,但在輸送過(guò)程中由于煤泥的粘度較大,經(jīng)常粘結(jié)在管道上,增大含水量的方法又會(huì)影響其燃燒效率。通過(guò)對(duì)2種煤泥進(jìn)行試驗(yàn),研究了含水量、溫度和靜置時(shí)間對(duì)煤泥粘度的影響,結(jié)果表明煤泥粘度隨著含水量的增加和溫度的升高而減小,隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,且含水量是影響煤泥粘度的主要因素。管道輸送時(shí)應(yīng)盡量控制煤泥的含水量,適當(dāng)提高煤漿溫度,并縮短堆放時(shí)間。

關(guān)鍵詞煤泥 粘度 含水量 溫度 靜置時(shí)間

1　引言

煤泥是煤粉含水形成的半固體物,是煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)物,一般情況下原生煤泥占入選原煤的10%～20%,次生煤泥占5%～10%。煤泥的含固量為72%～77%,顆粒直徑小于0.5 mm,并含有大量的灰分和粘土類(lèi)礦物,所以其粘度較高,形態(tài)極其不穩(wěn)定,遇水易流失,風(fēng)干即飛揚(yáng)。大多被廢棄且堆積成山,對(duì)環(huán)境造成了極大污染。

原生煤泥的發(fā)熱量在12.55～20.92 MJ/kg之間,仍具有一定的利用價(jià)值。隨著循環(huán)流化床（CFB）鍋爐技術(shù)的不斷成熟,以煤泥為燃料的CFB鍋爐得到成功應(yīng)用,管道運(yùn)輸是將煤泥輸送到鍋爐燃燒的最佳途徑。由于粘度較大,煤泥在輸送過(guò)程中極易粘結(jié)在管道上,通常改變含水量可解決粘度大的問(wèn)題,但又會(huì)降低其燃燒效率,研究表明含水量在1%～30%時(shí),每增加1%的含水量要降低0.1%的熱值。根據(jù)鍋爐溫度和煤泥粘度閉環(huán)控制煤泥流量,才能達(dá)到兼顧環(huán)保、安全可靠以及經(jīng)濟(jì)適用的要求。

煤泥屬于高濃度粘稠物,其粘度受多種因素的影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤泥的管道運(yùn)輸和粘度測(cè)量做了大量的研究。部分國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家研究了顆粒濃度和溫度對(duì)粘度的影響,發(fā)現(xiàn)粘度隨顆粒濃度的增加而增大,隨溫度的升高而降低;還有專(zhuān)家通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水煤漿粘度隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)而增加;更有專(zhuān)家得出了煤泥的最佳泵送含水率為28%,且煤泥的流動(dòng)特性與煤的種類(lèi)和洗選工藝有關(guān);國(guó)外相關(guān)專(zhuān)家研究了煤顆粒大小對(duì)水煤漿粘度的影響,結(jié)果表明煤的平均粒徑越小,水煤漿的粘度越大。

本文通過(guò)試驗(yàn),研究了影響煤泥粘度的幾種主要因素,對(duì)解決煤泥的管道運(yùn)輸難題和再利用有著重大的意義。

2　相關(guān)表達(dá)式及其測(cè)量原理

煤泥是典型的非牛頓型流體,其粘度隨剪切速率的改變而不同。流體的粘度通常是用牛頓粘性定律定義的,詳見(jiàn)式（1）:

式中:F——粘性力,N;

η——粘度,Pa·s或MPa·s;

S——流層間的接觸面積,m2;

d v/d y——速度梯度,s－1。

當(dāng)兩平行的平板之間充滿液體時(shí),下板固定不動(dòng),對(duì)上板施加一個(gè)平行于下板的力F,使其勻速運(yùn)動(dòng),緊貼上板的液體與上板等速運(yùn)動(dòng),由于液體的粘性,下層液體隨上層液體而流動(dòng),越近下板速度越慢,液體流動(dòng)示意圖如圖1所示。

圖1　液體流動(dòng)示意圖

粘度的定義公式見(jiàn)式（2）:

式中:η——粘度,Pa·s或MPa·s;

τ——剪切應(yīng)力,Pa或MPa;

v——剪切速率,s－1。

本試驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)儀器主要有粘度計(jì)、烘箱、天平和鐵盤(pán)等。其中粘度計(jì)為NDJ－79式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì),測(cè)量范圍為2～106MPa·s,測(cè)量誤差為±5%,選用的轉(zhuǎn)速為75 r/min,粘度的計(jì)算公式見(jiàn)式（3）:

式中:η——粘度,MPa·s;

k——轉(zhuǎn)子系數(shù),本試驗(yàn)取10;

a——指針讀數(shù)。

旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)的工作原理圖及實(shí)物圖如圖2所示。

圖2　工作原理圖及實(shí)物圖

由圖2可以看出,電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子在溶液中轉(zhuǎn)動(dòng),由于待測(cè)液體的粘性作用,轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生滯后,與轉(zhuǎn)子相連的游絲在反方向上產(chǎn)生一定的扭矩,通過(guò)指針的偏轉(zhuǎn)顯示粘度的大小。

3　試驗(yàn)過(guò)程及測(cè)試結(jié)果分析

表1　煤泥A樣品成分分析　%

表2　煤泥B樣品成分分析　%

由表1和表2可以看出,煤泥中除含有C和O等主要元素外,Al、Si、S和Ca的含量也較高,這些元素組成了大量的無(wú)機(jī)鹽灰分,使得煤泥的粘度較高,也極其不穩(wěn)定。本文通過(guò)對(duì)含水量、溫度和靜置時(shí)間這3個(gè)因素的變化研究分析了煤泥的粘度特性。

3.1煤泥含水量對(duì)粘度的影響

試驗(yàn)時(shí)首先將原生煤泥在烘箱內(nèi)烘干（烘干溫度為80°C,烘干時(shí)間約為12 h）,在烘干后的煤粉中加入一定量的水,用玻璃棒均勻攪拌15 min。當(dāng)含水量低于20%時(shí),煤泥成團(tuán)狀,幾乎無(wú)流動(dòng)性,所以含水量的選取范圍為30%～70%。在室溫（約為15°C）下,取4個(gè)點(diǎn),快速測(cè)量其粘度,所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和表4（表中Ai和Bi為樣本編號(hào)）,含水量對(duì)煤泥粘度的影響如圖3所示。

由圖3可以看出,煤泥的粘度隨著含水量的增加而減小,含水量的變化對(duì)粘度的影響較大;當(dāng)含水量為30%時(shí),煤泥A粘度為77 Pa·s左右,增加5%后,粘度降至52 Pa·s左右,這說(shuō)明當(dāng)含水量較低時(shí),較小的含水量變化會(huì)對(duì)煤泥的粘度產(chǎn)生較大的影響。相反,含水量60%和65%的煤泥粘度變化幾乎不大。

表3　煤樣A在不同含水量下的粘度

表4　煤樣B在不同含水量下的粘度

圖3　含水量對(duì)煤泥粘度的影響

含水量增大導(dǎo)致煤漿濃度升高,顆粒間的空隙減少,顆粒流動(dòng)不僅要克服流體與顆粒間產(chǎn)生的較大摩擦,而且要克服粒子間強(qiáng)烈的相互作用,導(dǎo)致了煤泥粘度的增大。對(duì)比表1和表2,煤樣B的微量元素（如Al、Si、S和Ca）含量低于煤樣A,無(wú)機(jī)鹽灰分相對(duì)較少,使得相同條件下的煤樣B的粘度低于煤樣A的粘度。

3.2溫度對(duì)煤泥粘度的影響

試驗(yàn)測(cè)量了煤泥在20°C～50°C范圍內(nèi)的粘度,含水量選擇在40%、45%和50%。由于粘度計(jì)的底座和轉(zhuǎn)子之間的距離較小,無(wú)法放置恒溫水浴,所以本文選擇用烘箱控制溫度。將配置完成的煤泥用保鮮膜裹緊,在烘箱內(nèi)恒溫2 h,取出后快速測(cè)量其粘度,煤樣A和煤樣B在不同溫度下的粘度所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表5和表6。

該書(shū)出版后，學(xué)術(shù)界評(píng)價(jià)很好，我在這本書(shū)的前言中講到這是我們系列研究的第一本，當(dāng)時(shí)還想一本本往下寫(xiě)，與出版社簽的合同是出版三本，第二本是“形式化與非形式化”，第三本是實(shí)證與非實(shí)證，提綱都擬好了，但是由于主要成員紛紛調(diào)動(dòng)工作，有的當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)了，有的改行了，我自己也從哲學(xué)研究所調(diào)到社會(huì)學(xué)研究所工作，研究領(lǐng)域改變了，新的研究任務(wù)壓下來(lái)了，“三卷本”的寫(xiě)作計(jì)劃就只好擱下了，實(shí)在是很遺憾的。我到社會(huì)學(xué)所工作以后，還曾經(jīng)另外組織寫(xiě)作組，以期繼續(xù)履行與出版社的合同，實(shí)現(xiàn)我心頭的夙愿，卻終因知識(shí)結(jié)構(gòu)不同，原來(lái)的寫(xiě)作計(jì)劃難以實(shí)現(xiàn)，實(shí)為平生一大遺憾。

表5　煤樣A在不同溫度下的粘度

表6　煤樣B在不同溫度下的粘度

根據(jù)表5和表6繪制溫度對(duì)煤泥粘度的影響試驗(yàn)曲線如圖4所示。

圖4　溫度對(duì)煤泥粘度的影響

由圖4可以看出,煤泥的粘度隨著溫度的升高而降低。開(kāi)始時(shí),粘度的下降幅度較大,當(dāng)溫度升到40°C時(shí),粘度隨溫度的變化幅度減小。通過(guò)比較不同含水量下的3條曲線可以看出,含水量越低,溫度對(duì)粘度的影響越明顯。流體的粘度取決于分子間的作用力,溫度升高,分子之間的距離增大,分子間的相互作用力減弱,粘度降低。

3.3靜置時(shí)間對(duì)煤泥粘度的影響

本試驗(yàn)測(cè)量了含水量為35%時(shí)的煤泥粘度隨靜置時(shí)間的變化,配置完成的煤泥靜置在室溫下,用保鮮袋密封,防止水分的蒸發(fā)。靜置前和靜置8 d后的煤泥圖像如圖5所示。

圖5　煤泥靜置前后

由圖5可以看出,靜置后的煤泥有變干的跡象。每個(gè)時(shí)間段測(cè)量了4個(gè)點(diǎn)的粘度,波動(dòng)范圍在1 Pa·s左右,煤樣A和B在不同靜置時(shí)間對(duì)煤泥粘度的影響見(jiàn)表7和表8（表中Ai和Bi為樣本編號(hào)）,并繪制粘度變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6　靜置時(shí)間對(duì)煤泥粘度的影響

由圖6可以看出,開(kāi)始一段時(shí)間,靜置時(shí)間越長(zhǎng)煤泥的粘度越大,粘度增加較快,隨著靜置時(shí)間的增加,粘度增加越來(lái)越緩慢,在靜置時(shí)間超過(guò)5 d后,煤泥的粘度趨于不變。

煤泥粘度隨靜置時(shí)間的變化是由煤泥的保水性引起的。開(kāi)始的一段時(shí)間,顆粒間含有較多的游離水,流動(dòng)時(shí)克服的阻力小,粘度較小;隨著時(shí)間的增加,游離水逐漸被煤顆粒吸收,粘度增大,當(dāng)顆粒飽和后,粘度趨于不變。

表7　煤樣A在不同靜置時(shí)間對(duì)煤泥粘度的影響

表8　煤樣B在不同靜置時(shí)間對(duì)煤泥粘度的影響

4　結(jié)論

通過(guò)一系列的試驗(yàn)與研究,總結(jié)出煤泥具有以下的粘度特性:

（1）含水量的改變會(huì)大幅度影響煤泥的粘度,含水量越大煤泥的粘度越低,含水量越小煤泥的粘度越高。

（2）隨著溫度的升高,溫度對(duì)粘度的影響越來(lái)越小。在煤泥運(yùn)輸過(guò)程中,可適當(dāng)提高煤漿的溫度,達(dá)到降低粘度的目的。

（3）煤泥的粘度與靜置時(shí)間有關(guān)。開(kāi)始時(shí),靜置時(shí)間越長(zhǎng),其粘度越大;在靜置一段時(shí)間后,粘度增加越來(lái)越緩慢,最終趨于不變。所以洗煤廠產(chǎn)生的煤泥應(yīng)盡快進(jìn)行管道運(yùn)輸,縮短堆放時(shí)間。

（4）相同條件下,煤樣B的粘度略低于煤樣A的粘度,原因是煤泥B組分中的微量元素含量較低,無(wú)機(jī)鹽灰分少,說(shuō)明煤泥的成分組成也是影響粘度的因素之一。

所以,在不影響其燃燒效率的前提下,應(yīng)盡量控制煤泥的含水量,適當(dāng)提高煤泥溫度并縮短堆放時(shí)間。

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（責(zé)任編輯王雅琴）

Experimental study on influencing factors of coal slime viscosity

Wang Yupeng,Han Changrui,Zhang Donghuan,Li Jinfeng
（School of Transportation and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology, Zibo,Shandong 255049,China）

AbstractCoal slime is the product of coal washing,abandoned largely. At present,transporting the slime by pipeline into boiler to generate electricity is the best way to solve the problem.But because of the high viscosity,it always binds on the pipeline in the transport process. The usual way is to increase the water content,but it may affect the combustion efficiency.By experiment with two kinds of coal slimes,the influences of water content,temperature and standing time on coal slime viscosity were studied. The results showed that slime viscosity decreased with the increasing of water content and temperature,and increased with the increasing of standing time;the water content was the main influencing factor of slime viscosity.In the pipeline transport process,the water content of slime should be controlled well,the coal slurry temperature should be raised properly and the standing time should be shortened.

Key wordscoal slime,viscosity,water content,temperature,standing time

中圖分類(lèi)號(hào)TQ536.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目:?山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2011EEM020）

作者簡(jiǎn)介:王玉朋（1989－）,男,山東濰坊人,在讀碩士研究生,主要從事煤泥的粘性和管道運(yùn)輸方面的研究。