陳春瑞，王鵬程，楊鳳玲，張圓圓

(1.山西大學，山西省太原市， 030006；2.CO2減排與資源化利用教育部工程研究中心，山西省太原市，030006；3.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，山西省太原市， 030006；4.山西河坡發(fā)電有限責任公司，山西省陽泉市，045000)

0 引言

煤泥主要是原煤經(jīng)洗選后的底流經(jīng)壓濾脫水工藝后形成的選煤廢棄物，具有持水性高、粒度細、黏性大、常壓下不具有流動性的特點[1-4]，是一種典型的高濃度黏稠物料，堆積形態(tài)極不穩(wěn)定[5]，遇水易流失。煤泥中的有毒有害物質(zhì)經(jīng)雨水沖刷，隨地表物質(zhì)進入水體，極易造成水污染[6]。煤泥風干易飛揚，導致大氣中顆粒物升高[7]。此外，不易貯存和運輸?shù)奶攸c限制了煤泥的資源化利用。目前煤泥資源化利用的途徑主要有鍋爐直接燃燒、制作型煤、生物質(zhì)型煤、型焦等[8]，其中燃煤電廠直接燃燒是煤泥大規(guī)模資源化利用的重要方式，而穩(wěn)定輸送是煤泥在電廠資源化利用的重要環(huán)節(jié)。準確獲取煤泥的流變特性參數(shù)，以此為依據(jù)設計合理的煤泥泵送管道并合理調(diào)整泵送參數(shù)，對煤泥的穩(wěn)定輸送意義重大。

筆者在分析煤泥理化特性的基礎上，系統(tǒng)分析比較了目前2種主流測試方法，即管流法和旋轉(zhuǎn)法，分別就測定原理、測試裝置、測試方法、測定參數(shù)及測定結(jié)果等進行了分析比較，并結(jié)合數(shù)值模擬法，對未來煤泥膏體流變特性的測定進行了展望。

1 煤泥的理化特性

1.1 煤泥的基本理化性質(zhì)

按照采煤和選煤工藝的不同，煤泥大致可分為選煤廠的浮選尾煤、煤水混合物產(chǎn)出的煤泥、礦井排水夾帶的煤泥。

按照灰分的含量和熱值，煤泥可分為低灰煤泥、中灰煤泥和高灰煤泥，煤泥的分類見表1[9-10]。

煤泥的理化特性如下：煤泥的粒度較細，最大粒徑不超過0.500 mm[11]，小于0.074 mm的微粒占比為70%～90%[12]；含水量約為30%，具有持水性強、不易脫水的特點[13-14]；煤泥中含有較大比例的黏土礦物，這些黏土礦物富集于極細的粒級中，礦物遇水即膨脹、粉化，極易形成極細的膠體顆粒，黏結(jié)性較強[15]且流動性差；pH值通常偏中性[16]，為7～9；灰分含量一般為30%左右[13]；熱值通常在20 MJ/kg以上[17]，具有燃燒利用的價值。

1.2 煤泥的流變特性

流變特性是物體在外力作用下發(fā)生的應變與其應力之間的定量關系，這種應變(流動或變形)與物體的性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關，也與物體內(nèi)部質(zhì)點之間相對運動狀態(tài)有關[18]。煤泥的流變特性，即煤泥的黏性，表示受剪切力作用的膏體產(chǎn)生的變形與所受剪切力之間的關系。在常溫狀態(tài)剪切速率一定的情況下，隨著煤泥質(zhì)量濃度的升高，煤泥的黏度也會相應升高，煤泥膏體逐漸從假塑性流體轉(zhuǎn)變?yōu)榍偎苄粤黧w，進而轉(zhuǎn)變成賓漢性流體。不同質(zhì)量濃度的煤泥黏度關系如圖1所示。

圖1 不同質(zhì)量濃度的煤泥黏度關系

2 煤泥流變特性的實驗測定方法

目前在國內(nèi)外研究中，針對煤泥膏體的流變特性主要從膏體黏度、剪切應力、溫度、流速、剪切速率、剪切時間等方面進行考察，測定煤泥膏體流變特性的實驗方法主要有管流法和旋轉(zhuǎn)法。

2.1 管流法

管流法是目前測定煤泥膏體流變特性應用最多的一種方法，根據(jù)工程實際情況以及應用的不同分為垂直管道壓降法、水平管路壓降法、環(huán)管實驗法等3種方法。

2.1.1 管流法測定原理

管流法是通過管道輸送煤泥膏體，在一定的含水率下測定煤泥膏體流量或流速與管道上某段壓力差之間關系的一種方法。該方法的特點是需要搭建管道輸送實驗裝置及壓力測試裝置，模擬工程實際情況通過管道泵送的方式輸送煤泥膏體；具體實驗測定過程是確定一定含水率的煤泥膏體，給定相同的泵送功率，獲得單位時間內(nèi)的流量，測定管道上相鄰點之間的壓力差?；跍y得的濃度、壓力差以及流量或流速等數(shù)據(jù)擬合確定煤泥膏體流變特性及流變參數(shù)。

2.1.2 垂直管道壓降法

垂直管道壓降法是應用最早也是最廣泛的測定煤泥膏體流變特性的方法。測定裝置主要由垂直管道、擠壓泵、煤泥槽及若干壓力表組成，垂直管道流變特性測試裝置如圖2所示[19]。

圖2 垂直管道流變特性測試裝置

浙江大學楊家林等[19]研究人員研究搭建了垂直管道，測定了重慶永川高濃度洗選煤泥的流變特性，并用數(shù)值方法按含水率擬合了流變特性參數(shù)方程；浙江大學呂帥[20]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。

2.1.3 水平管路壓降法

GAO J等[21]研究人員設計水平管路確定了煤泥在不同管徑(體積濃度為45.44%～57.06%)下輸送的流變模型，并分析了煤泥流變特性隨管徑和體積濃度的變化趨勢；范家峰等[22]研究人員根據(jù)工程實際運用水平管路壓降法對洗選煤泥的流變特性進行了測定，水平管理流變特性實驗裝置如圖3所示。

圖3 水平管路流變特性實驗裝置

通過流動管路壓降法實驗發(fā)現(xiàn)，在一定的實驗水分下，用變頻調(diào)速電機改變煤泥泵的頻率，便可有相應確定的轉(zhuǎn)速和一定的流速、流量，根據(jù)剪切應力和剪切速率的關系，可以得出煤泥表觀黏度以及煤泥流動阻力與流量的關系。經(jīng)計算后得到洗選煤泥的流變特性參數(shù)經(jīng)計算后得到洗煤泥的流變特性參數(shù)屈服應力τ0、稠度系數(shù)K、冪定律指數(shù)n，由流變特性參數(shù)最終得到流變特性回歸方程。

2.1.4 環(huán)管實驗法

環(huán)管實驗法是通過漿料儲罐、電磁流量計、螺桿泵、水冷卻設備、隔膜壓力傳感器和數(shù)據(jù)測量及采集系統(tǒng)搭建而成的測量煤泥膏體流變特性的方法。陳丹丹[4]應用環(huán)管實驗法測定了褐煤煤泥的流變特性，并對數(shù)據(jù)進行Herschel-Bulkley模型擬合發(fā)現(xiàn)褐煤煤泥漿體屬于賓漢性流體。環(huán)管實驗裝置如圖4所示。

圖4 環(huán)管實驗裝置

2.1.5 管流法測定方法使用對比分析

采用管流法原理測定煤泥膏體流變特性的方法主要有3種，分別從測試方法、測試參數(shù)、測試結(jié)果3個方面進行了對比分析。管流法測定方法比較見表2。

表2 管流法測定方法比較

2.2 旋轉(zhuǎn)法

旋轉(zhuǎn)法是測量煤泥膏體流變特性的另一種方法，該方法原理相對簡單，近些年國內(nèi)外多個研究團隊用此方法測定了煤泥膏體的流變特性。根據(jù)工程實際應用的不同，逐漸發(fā)展成旋轉(zhuǎn)黏度計和多種流變儀，即普通旋轉(zhuǎn)黏度計(儀)、加壓旋轉(zhuǎn)流變儀、圓柱轉(zhuǎn)子流變儀、槳葉轉(zhuǎn)子流變儀等。

2.2.1 旋轉(zhuǎn)法測定原理

旋轉(zhuǎn)法測量煤泥膏體流變特性的原理主要是模擬管道內(nèi)的物料輸送狀況，測試不同壓力下膏體的黏度值，找出黏度隨轉(zhuǎn)子壓力變化的規(guī)律，從而得到加壓狀態(tài)下膏體的流變特性參數(shù)。

2.2.2 普通旋轉(zhuǎn)黏度計(儀)

旋轉(zhuǎn)黏度計是旋轉(zhuǎn)法測試膏體流變特性最早、最成熟的一種方法，其原理是通過一個經(jīng)校驗過的鈹-銅合金的彈簧帶動一個轉(zhuǎn)子在膏體中持續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測得彈簧的扭轉(zhuǎn)程度即扭矩，它與浸入樣品中的轉(zhuǎn)子被黏性拖拉形成的阻力成比例，扭矩因而與流體的黏度呈正比，通過這一原理測量膏體的黏度值。

SINGH M K等[23]研究人員利用流變儀研究了印度煤漿的流變行為，研究了粒度、固含量和溫度對煤漿流變性能的影響；王玉明等[24]研究人員應用旋轉(zhuǎn)黏度計研究了含水率、溫度、靜置時間對煤泥黏度的影響；STRYCAEK S等[25]研究人員研究了微波能量處理對黏度計中煤水漿流變特性的影響以及顆粒直徑、固體濃度、微波(MW)暴露時間和剪切速率對水煤漿表觀黏度的影響；林偉偉[26]運用NXS-11A型旋轉(zhuǎn)黏度計測量了煤泥膏體的流變特性，分析了不同濃度下煤泥的表觀黏度與剪切速率之間的關系以及剪切應力與剪切速率之間的關系，尋找其流動規(guī)律，為煤泥的輸送提供了理論技術依據(jù)；SAHOO B K等[27]研究人員通過流變儀測定發(fā)現(xiàn)微波預處理增強了印度高灰煤水懸浮液的流變行為；邵兵等[28]研究人員采用旋轉(zhuǎn)黏度計對煤泥的流變特性進行了測試，并通過實驗得到了煤泥濃度與黏度以及煤泥剪切速率與剪切應力之間的關系，通過分析計算得出隨著煤泥濃度的增加，煤泥的流變狀態(tài)由假塑性流體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢性流體；DAI Z等[29]研究人員運用NDJ-79A旋轉(zhuǎn)黏度計測定了壓濾煤泥的表觀黏度，探究了剪切速率、溫度、剪切時間對煤泥黏度的影響規(guī)律。不同于其他研究學者，DAI Z等研究人員采用旋轉(zhuǎn)黏度計在恒定剪切速率(344 s-1、2 028 s-1)下探究了4種不同含水率(32.5%、35.0%、37.5%、40.0%)的壓濾煤泥溫度對其流變特性的影響規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，煤泥的表觀黏度有所下降，其溫度-表觀黏度曲線[29]如圖5所示。

圖5 不同含水率煤泥膏體溫度-表觀黏度曲線

旋轉(zhuǎn)黏度計具有體積小、質(zhì)量輕、操作簡單、實驗勞動強度較低、獲取數(shù)據(jù)較快、單次實驗所需物料較少等優(yōu)點，是當前學者們經(jīng)常采用的測定煤泥膏體流變特性的方法，可以從含水率、剪切速率、剪切時間、溫度等多個維度探究單一因素或多因素情況對煤泥膏體流變特性的影響規(guī)律。

2.2.3 加壓旋轉(zhuǎn)流變儀

加壓旋轉(zhuǎn)流變儀采用普通旋轉(zhuǎn)黏度計的工作原理進行設計，主要測試高壓下高濃度黏稠物料的黏度變化和流變特性，通過獲得的黏度與壓力的關系、剪切應力與黏度的關系來表征被測物料的流變特性。該儀器是將物料封閉加壓在管道中輸送，從而達到加壓測試膏體流變特性的目的。加壓旋轉(zhuǎn)流變儀主要由加壓系統(tǒng)、黏度測試組件、壓力傳感器、扭矩傳感器、交流伺服電機和支架組成。楊曉璞等[30]研究人員研制出一種加壓旋轉(zhuǎn)流變儀，這種流變儀可測量高濃度物料(原生煤泥、造紙污泥、城市污泥等一類工業(yè)廢棄物)的流變參數(shù)。由吳鈺晶等[31]研究人員發(fā)明的專利“加壓旋轉(zhuǎn)流變儀”，可以針對含有較大顆粒物的高濃度黏稠漿體進行加壓下的流變特性測量。不同壓力下煤泥膏體剪切速率-表觀黏度的關系如圖6所示。

圖6 不同壓力下煤泥膏體剪切速率-表觀黏度曲線

加壓旋轉(zhuǎn)流變儀解決了高濃度黏稠物料測定流變特性時物料被轉(zhuǎn)子攪散的問題，該方法具有實驗設備簡單、自動化程度高、操作簡單等特點，是測定煤泥膏體流變特性勞動強度較小的一種方法。

2.2.4 圓柱轉(zhuǎn)子流變儀和漿葉轉(zhuǎn)子流變儀

圓柱轉(zhuǎn)子流變儀和槳葉轉(zhuǎn)子流變儀是后來研究學者根據(jù)工程的實際情況，在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)流變儀理論原理基礎上改造的2種流變儀。工作原理相似，均是推導剪切應力與剪切速率的基本表達式，其區(qū)別主要在于轉(zhuǎn)子的不同。PRESTIDGE C A[32]用同心圓柱流變儀研究了浮選條件下超細方鉛礦顆粒漿體的流變特性(黏度和外推屈服值)；趙學義等[33]研究人員運用圓柱轉(zhuǎn)子流變儀對不同含水率的煤泥膏體進行系統(tǒng)的測試，并繪制流變曲線和黏度曲線，得到了流變方程。質(zhì)量濃度與表觀黏度曲線如圖7所示。

圖7 質(zhì)量濃度與表觀黏度曲線

陳輝等[34]研究人員通過R/S型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀測定了不同濃度下新拌膏體料漿的屈服應力，揭示其流變特性隨泵送劑摻量的變化規(guī)律，探討了泵送劑對膏體漿體的作用影響；呂馥言[35]運用槳葉轉(zhuǎn)子流變儀測定了濃密膏體的流變特性。槳葉轉(zhuǎn)子流變儀在測試中能避免管道壁面滑移現(xiàn)象，相比圓柱轉(zhuǎn)子流變儀使用更加頻繁。

2.2.5 旋轉(zhuǎn)法測定方法結(jié)果對比分析

旋轉(zhuǎn)法測定煤泥膏體流變特性主要從剪切速率、表觀黏度、剪切應力、剪切時間、溫度等幾個維度對比分析討論，主要從測定方法、測定參數(shù)、測定結(jié)果等3個方面進行對比，旋轉(zhuǎn)法測定方法比較見表3。

表3 旋轉(zhuǎn)法測定方法比較

2.3 管流法與旋轉(zhuǎn)法的比較分析

2.3.1 使用率比較

對于煤泥等膏狀流體，由于其黏度較大、濃度較高，其主流方法是管流法和旋轉(zhuǎn)法。相比較旋轉(zhuǎn)法，管流法原理簡單，實驗準確性、可靠度高，且與工程實際結(jié)合緊密，因而早期應用最多。近些年隨著科學技術的發(fā)展，這2種方法的使用率幾乎持平。國內(nèi)外學者測定煤泥膏體流變特性方法的占比如圖8所示。

圖8 國內(nèi)外學者測定煤泥膏體流變特性方法占比

2.3.2 優(yōu)缺點比較

管流法和旋轉(zhuǎn)法作為測定煤泥膏體流變特性使用最多的2種方法，可以根據(jù)工程實際概況進行選擇。相比較旋轉(zhuǎn)法，管流法的優(yōu)點在于通過模擬管道泵送，可以獲得更加貼合實際的泵送數(shù)據(jù)，即準確性和可靠度更高；旋轉(zhuǎn)法的優(yōu)點主要是單次實驗時長較短、獲取數(shù)據(jù)較快、單次實驗成本較低等。在研究煤泥膏體流變特性的過程中，應同時采用2種方法進行測定。將2種方法測定的數(shù)據(jù)進行對比分析，綜合考慮各自的可靠性和準確性，得到最優(yōu)化的煤泥膏體流變特性的研究方案。管流法和旋轉(zhuǎn)法優(yōu)缺點對比見表4。

表4 管流法和旋轉(zhuǎn)法優(yōu)缺點對比

3 新興的煤泥膏體流變特性測定方法

ZHANG J等[36]研究人員提出了一種基于逆?zhèn)鳠崂碚摰臐{體黏度系數(shù)和固相體積分數(shù)識別方法，得到漿料表觀黏度的最佳估計方法；郭志剛[37]采用虛擬模擬方法，從膏體的微觀結(jié)構(gòu)和理論模型出發(fā)，通過仿真研究膏體的流體特性，同時郭志剛還進行了管流法虛擬實驗，采用Pro/Engineer軟件建立膏體管道輸送的三維模型，劃分好網(wǎng)格后采用Fluent分析軟件進行流變特性分析。通過Fluent仿真模擬出管段沿程阻力壓降如圖9所示。這種方法是基于管流法的原理，但將具體實驗操作智能化，降低了實驗成本，加快了數(shù)據(jù)獲取速度，屬于管流法+數(shù)值模擬聯(lián)合使用測定煤泥膏體流變特性的一種新興方法。目前新興方法還處于研發(fā)階段，通過國內(nèi)外文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)相關的報道較少，其準確性還有待考查。但這種方法的出現(xiàn)預示著未來測定煤泥膏體流變特性的方法將更加多元化，學者們可根據(jù)研究需要選取不同的方法。

圖9 Fluent仿真計算沿程壓降[37]

4 結(jié)論

黏稠煤泥膏體的泵送長期以來都是煤泥運送的難題之一，合理計算泵送能耗對煤泥輸送具有指導性意義，而煤泥的流變特性是泵送環(huán)節(jié)最需要研究的理化特性。選擇準確度高、可靠性強的測定方法對研究煤泥膏體的流變特性具有關鍵性作用。

目前國內(nèi)外測定煤泥膏體流變特性的方法依然以管流法和旋轉(zhuǎn)法居多，計算機模擬分析在未來很有發(fā)展前景，建立高效的計算機模擬煤泥膏體泵送流變特性分析系統(tǒng)將具有跨時代意義。