高浓度水煤浆的流变特性和流动规律研究进展

第38卷第1期锅炉技术Vol 38, No, I2007年1月BOILER TECHNOLOGYJan,,2007文章编号:CN31-1508(2007)01-0059-05高浓度水煤浆的流变特性和流动规律研究进展陈良勇,段钰锋,王秋粉,任远(东南大学洁净煤发电和燃烧技术教育部重点实验室,江苏南京210096)关键词:水煤浆;流变特性;流动特性;阻力特性;均配规律;壁面滑移摘要:综述了高浓度水煤浆的流变特性、流动特性、阻力特性和均质稳定输送等方面实验和理论研究的国内外最新进展。深人讨论和分析了水煤浆的流变学属性及影响因素,探讨了浆态非牛顿流体流变特性的理论和实验分析方法中涉及的某些不确定性问题和解决方案,阐述了水煤浆管内输送的滑移机理及其对流动的影响。结合非牛顿流体力学、液固两相流、数值模拟和分析以及模化实验等先进的研究手段,提出了高压、高浓度水煤浆在流变特性、流动特性、阻力特性和均配规律等方面进一步深化研究的设想和思路中图分类号:0373文献标识码:A性,只有极少的水煤浆呈现出胀流性流体特性1前言此外,水煤浆还明显地表现出触变性。发展具有我国自主知识产权的大规模高效水煤浆作为复杂的悬浮体系,影响其流变特气流床煤气化技术是保障我国能源供应的关键性的因素非常复杂,目前对影响其流变特性的因技术之一。开发实用的高浓度水煤浆大规模、均素的系统化和理论化的研究还较少。从目前的质、稳定输送技术是实现大规模高效煤气化总体研究看,水煤浆的流变特性主要与以下因素有技术集成的关键组成部分之一。因此,开展高关1-3:(1)煤种的理化特性;(2)固相的容积份压、高浓度、大容量条件下水煤浆的流变特性、流额;(3)固体颗粒大小及分布;(4)添加剂的种类动特性、固一液两相流体相间的作用机理和运动和用量;(5)悬浮液的pH值;(6)水煤浆温度等规律等领域的基础研究就成为开发大规模高效般文献都认为水煤浆是不可压缩的,因而很少气流床煤气化技术必不可少的一部分。本文从涉及水煤浆在高压下的流变特性和流动规律的高浓度水煤浆的流变特性、流动特性和阻力特性基础研究。因此探明高浓度水煤浆在高压下的等几个方面论述当前的研究状况,并提出一些新流变特性和流动规律并与常压下的规律进行比的研究方向和方法。较是非常必要的基础研究内容。2高浓度水煤浆的流变特性从水煤浆应用角度看,理想的流变特性为:在较高浓度下保持良好的稳定性,在对应于管道2.1水煤浆的流变学属性及影响因素输送过程的中等剪切速率(10~200s1)和对应水煤浆的流变特性主要是研究其剪切速度γ于雾化过程的高剪切速率(5000~30000s-)时和剪切应力τ之间的函数关系,即τ=f(y)。由都保持较低的粘度。水煤浆浓度较高时,其粘于水煤浆是在水中加入一定粒度分布的煤粉颗度也会相应地提高;当水煤浆浓度较低时,粘度粒和少量的添加剂而形成的复杂多相悬浮体系,相应地降低,但稳定性变差,气化过程中碳转化其流变特性也呈现复杂多样性。从目前的研究率也相应降低。因此,控制水煤浆流变特性重点看,水煤浆几乎包括了非牛顿流体的各种类型。仍是在保证合理的水煤浆粘度条件下,尽量提高通常条件下,水煤浆存在屈服应力点,在低剪切水煤浆的浓度速率和高剪切速率下水煤浆呈现出牛顿流体特对于给定煤种,采用合理的颗粒级配,可明性,而在中等剪切速率下呈现剪切稀化流体特显改善水煤浆的流动特性。此外,许多学者采用收稿日期:2005-12-12;修回日期:2006-04-14锅炉技术第38卷磁场、超声波处理方法,同时改善流动性和提高剪切速率%:稳定性2.2水煤浆的流变模型LRa水煤浆的流变模型研究与开发主要有2种7n(1-82)(4)方法:一是从微观角度出发,从悬浮液的各个组分的性质和它们之间的相互作用出发,通过理论式中L旋转筒体高度分析的方法建立相应的关联式,用此方法建立的Rb—旋转内筒体半径;本构方程虽能在一定程度上反映水煤浆的流变B—旋转内筒体与外筒体半径之比;机理但使用极不方便,而且很难得到在大范围- dIgT内应用的普适关联式。二是从所研究的对象和这样就可由以上公式获得ny和r-y曲线。悬浮液的宏观流动行为出发,通过试验观察悬浮旋转粘度计操作简单,测量结果可直接读出,使液的流变特性,提出包含多个参数的流变模型用试样少,特别适合试验室测量。其缺点是剪切进而用实验的方法确定这些参数。常用的模速率的变化范围较小,一般为0~1000s1型有:管流法研究水煤浆的流变特性主要是保持宾汉塑性模型:r=r+m(1)水煤浆在管道内的恒定剪切流动,测量水煤浆流幂率模型r=Kr(2)屈服一幂率模型:τ=o+Ky经直管段上压力差△p和流量Qc,通过换算关(3)系,确定剪切应力和剪切速率之间的关系。采用式中:ro屈服应力;刚度系数;管流法研究水煤浆的流变特性。当水煤浆的流K—稠度系数;变类型已知时,可通过相应流体类型的换算关系式,给出流变参数的具体数值;也可在未知本构流变指数此外,有很多学者根据试验观察到水煤浆的方程形式的条件下,通过换算关系式给出壁面上触变特性建立了高浓度水煤浆触变性模型,只是的切应力值和剪切速率,具体表达式如下在实际应用中较少考虑水煤浆的触变性在水煤浆流变特性的研究中,,可根据研究4Qc 3n+1的目的、对象和范围选择不同的流变模型。由于(7)水煤浆流变特性的复杂性,以上模型很难完全反式中:R—管道半径;映实际水煤浆的所有流变特性,因此,在应用上L—试验管段长度;述本构方程描述水煤浆的流动特性时都会出现Q—试验管段内无滑移条件下水煤浆定偏差。流量2.3水煤浆流变特性的测量dIgA在研究水煤浆的流动过程中,为得出实际流变参数,建立和完善不同煤浆的本构方程,分析这样,就可由上述关系式回归拟合得到-y和建立水煤浆的力学特性,为优化物料输送管道曲线。系统的设计,都必须进行水煤浆的流变特性测管流法的特点是装置结构简单,可根据研究量。水煤浆流变特性的测量一般是对试样施加需要自行设计制造。管流法测量水煤浆流变特切应力,跟踪受力后的响应与时间的函数关系而性最大的优点是剪切速率可在很大的范围内变得到。水煤浆的流变特性的测量多采用以下2化,更接近于流动的实际过程,因此测量结果比种方法:旋转粘度计法和管流法旋转粘度计法更适于工程应用。旋转粘度计法是利用双筒体的旋转效应,直在实际研究中,旋转粘度计法和管流法相互接测量转速、扭距等参数,通过一定的换算关系结合,相互验证,互为补充。许多学者的对比研获得水煤浆的剪切应力和剪切速率的关系。如究表明,用2种方法测得的流变特性基本吻合。同轴旋转粘度计,通过测量获得扭距T和转速除采用以上2种方法外,还可采用细管粘度计和第1期陈良勇等高浓度水煤浆的流变特性和流动规律研究进展61在上述2种测量过程中,都认为水煤浆和固降等的关系。对大多数情况,如水煤浆流经弯体壁面间无滑移。但目前许多研究指出高浓度管、阀门、渐缩管等阻力管件时,由于流动和边界水煤浆在流动中和固体壁面间存在不同程度的条件的复杂性,方程求解仍然十分困难,目前还相对滑移,欲获得水煤浆的真实流变模型,必须主要是借助试验方法进行研究。进行滑移修正。旋转粘度计法的滑移修正可从3.2液一固两相流体力学方法测量仪器和理论2个方面进行。在旋转粘度计目前从液一固两相流方法研究水煤浆的流的圆筒壁面上加装多个挡块或圆筒内壁制造出动特性和阻力特性相对较少。这可能有2个原凹槽可消除部分滑移的影响。 Mannheimer在使因:一方面是如上所述,大多数水煤浆表现出明用旋转粘度计和双管粘度计的同时,还研究了滑显的非牛顿流体特性,更适合于用非牛顿流体力移现象,建立了旋转粘度计法和管流法测量流变学的方法进行研究;另一方面是对于高浓度悬浮特性的滑移修正模型,从理论上对测量结果进行液的流动理论研究还相对不成熟,还不能为之提修正,2种粘度计得到了相同的流变特性。供良好的支持。王旭宾在前人总结的矿石、石从以上分析中看出,在水煤浆等高浓度复杂英砂、粘土、石灰石等液固两相流的关联式的基悬浮体系的流变特性的研究中,试验研究方法、础上,对水煤浆的400多组数据进行归纳整理装置和相关的理论分析方法仍然较滞后。改进重新给出了水煤浆输送的临界速度、维持均相输试验研究方法和提高理论分析手段,为高浓度水送的最低速度和水煤浆在水平管道内流动时压煤浆的流动特性研究提供可靠完善依据,是高浓力降的关联式。在模型方面现有的完善的数学度水煤浆输送技术研究的重要内容之一。模型大都是用来处理稀相两相流动的,对于高浓3高浓度水煤浆的流动特性和阻力特性度悬浮液复杂真实体系的流动过程的本质还了解得不够,完全准确的机理模型还难于建立,发水煤浆流动特性的研究是以水煤浆的流变展和建立完整的模型有待于实验研究的深入特性为基础,研究水煤浆宏观运动规律及液一固可以说,从两相流的方法研究高浓度水煤浆的流两相间的作用机理和各相运动规律。阻力特性动过程比较困难。则重点研究水煤浆在管道中流动时的沿程能量3.3阻力特性的研究及准则数损失和流经各种局部阻力装置时的能量损失规水煤浆流动阻力特性的研究主要是为水煤律。目前主要是从非牛顿流体力学和液一固两浆的输送和管道设计提供流体力学参数。对水相流体力学的角度进行研究,现就以下几个方面煤浆在层流区的摩擦阻力,可应用非牛顿流体的介绍当前的研究状况。摩擦阻力表达方法,即3.1非牛顿流体力学方法f=16Re非牛顿流体力学的理论和方法研究水煤浆D"u2的流动特性,是相对完善和成熟的方法。通常认Re'(9)为,水煤浆浓度高,固体颗粒小及添加剂的加入,式中:K′——稠度系数;使煤粉颗粒和水紧密结合,形成网状结构,成为d(nD△p/4L均一体,表现出明显的非牛顿流体特性。在连续dn8D)2,流变指数性、均质性、各向同性和不可压缩性假设的前提p—水煤浆密度;下,建立连续性方程和动量方程,加上流体的本D—管道直径;构方程,组成封闭的方程组进行求解U—无滑移条件下流量Schowalter和 Hencky分别建立了幂率流体和塑这是适用于各种类型非牛顿流体的通用表性流体的N-S方程,可用于这2种类型的高达方法。另外,针对特定流体类型的阻力计算方浓度水煤浆的流动问题求解。对宾汉流体、幂率法和准则数方法也完全适用于水煤浆的管道阻流体和屈服一幂率流体等类型的水煤浆一维圆力计算管稳定层流流动问题,理论求解方法已经发展得当滑移现象存在时,改变了水煤浆的表观粘很完善,可通过相应的理论求解以上几种类型水度特性和阻力特性。孟令杰等在考虑了滑移第38卷法,提出了一个适用于煤水混合物管内定常层流择,因为很难找到合适的本构方程既满足实际流流动的广义雷诺数Reg,使阻力系数入具有和牛变特性又具有数学处理上简单性;另一个是边顿流体的沿程阻力系数相同的表达方式:界条件问题,尤其是存在壁面滑移的边界条件的A=64/R10)处理存在较大困难。从液固两相流动进行数值其中非牛顿流体存在滑移条件下的管内层模拟的难点首先是模型的准确建立问题。流流动的广义雷诺数为:3.5水煤浆流动的滑移现象R(11)国内外许多学者在研究水煤浆等高浓度悬(1-/U)浮液的流动时,都观察到了壁面滑移现象:流体式中:υ——管内平均流速;在流动中与它所接触的固体壁面发生相对滑动,υ——水煤浆在管壁上的滑移速度;在壁面附近出现速度跳跃,壁面上的流体速度不P有效粘度。为0。对浓悬浮液的研究表明8,当剪切发生,有效粘度∠则为无滑移条件下管壁切应力时壁面处的剪切速率较大导致颗粒向剪切速与虚剪切速率的商:率较低的方向迁移,从而壁面附近处悬浮液的浓(12)度明显降低,在壁面上形成粘度较低的薄滑移他们分析了牛顿流体、宾汉流体、幂率流体层昙,滑移层内剪切速率较大,从而使水煤浆表现和屈服一幂率流体的广义雷诺数的具体表达方出宏观上的滑移。吴文渊等研究了颗粒一流法,证明了采用上述广义雷诺数计算水煤浆管内体两相流动中颗粒团聚的临界条件,指出液固两层流阻力的方法完全适用于牛顿流体流动及非相流体中存在着流体与颗粒和颗粒与颗粒之间牛顿流体的有滑移和无滑移的流动阻力的计算。的相互作用,当2种力处于平衡时,固体颗粒处对水煤浆流经弯管阀门渐缩管截面突扩于均匀悬浮状态,不会产生滑移。当固体颗粒浓(缩)管等阻力管件的阻力特性研究还主要是依度较高,且流体一颗粒的作用远超过颗粒一颗粒靠试验手段。张中民对90°弯管进行试验,给间的相互作用时,颗粒就会团聚,从而在壁面形出了压力损失的准则方程式:成滑移层。从目前的研究看,关于滑移形成机理△p=a+6R2ey还没有一致的结论。(13)△p孟令杰对高浓度煤水混合物在圆管内有式中:△p—弯管的压力损失;滑移的稳定层流的宏观流动进行了分析,认为滑与弯管轴长度相等的沿程阻力移层很薄,其内部为沿管内壁面作层流流动的损失;“牛顿流体”流动,且薄层内任意处的剪切应力都Re-雷诺数;等于壁面剪切应力b。滑移引起了附加流动,圆R弯管半径;管内总平均速度υ为滑移引起的附加流动速度Ua、b、c、d—各待定系数和无滑移的平均速度v之和,即=b+v;实际从现有的文献来看,对截面突扩(缩)管等阻总流量Q为滑移引起的附加流量Qs和无滑移时力特性的研究还不多。对高浓度、高压条件下水流量Q之和:煤浆管内流动阻力均配规律的研究还未见报道Q-Q+Q=mR2+/(r)dr(14)但可以想象,对水煤浆这种非牛顿流体可能具有与牛顿流体完全不同的阻力分配特性和规律滑移速度则由下式确定3.4水煤浆流动数值模拟V.B. tb/R(15)在当前无法对高浓度水煤浆内部流动结构式中只为有效滑移系数,是壁面剪切应力的进行直接准确测量的条件下,进行水煤浆流动的函数,不同的壁面剪切应力产生的壁面滑移速度数值模拟是可行的方法。将非牛顿流体的本构大小是不同的,的大小要由具体试验确定。此方程、动量方程和连续方程一起联立求解的方法外,他还给出了滑移层厚度的估计式可用于高浓度水煤浆流径各种管道的数值模拟。无疑滑移的存在使水煤浆流动阻力可以有到目前为止,这方面的工作还没有取得满意的结效降低。 Metzner研究了毛细管中滑移减阻问陈良勇,等:高浓度水煤浆的流变特性和流动规律研究进展程中滑移的减阻程度,即:研究,改进试验研究方法,提高理论分析手段,如:旋转粘度计法和管流法测量相互结合,采用I+F(16)消除或减少壁面滑移的措施,进行水煤浆流变特式中:F=;性影响因素的基础性和相关性分析等,为高压高浓度水煤浆输送研究提供可靠完善依据∫—有滑移时的摩擦系数;(2)开展高浓度水煤浆流动结构的可视化∫—无滑移时的摩擦系数工作,发展微观测量手段,对现有理论进行深入肖锡发和王世均提出了水煤浆管道的滑验证,更深入了解液一固两相流动规律、流体和移减阻思想,并在3种管道中证实水煤浆滑移减固相之间的作用力各分相的速度分布、璧面滑阻的可行性,给出了3种管道中有效滑移速度随移层等。壁面切应力的变化曲线和回归方程,为工业管道(3)开展高浓度水煤浆流经弯管、变径管、的减阻设计提供了一定的指导依据。节流件以及入口段等流动特性的实验和理论研总之,从目前的研究看,虽然滑移在高浓度水究,以及水煤浆输送中流量的均配规律,为规模煤浆流动中的存在性已经达成共识但对滑移机理化放大设计提供理论依据。的研究仍需要深入。上述水煤浆的滑移机理分析(4)深人研究水煤浆滑移的机理,探讨高浓认为·水煤浆的壁面滑移简单地类比于固体与固体度液一固悬浮体系产生壁面滑移的条件和生成之间的滑动,但流体中的滑移和摩擦阻力毕竟和固机理;探明滑移对水煤浆实际流量的影响固之间的滑动和摩擦阻力有本质的区别。另外,(5)在滑移机理研究的基础上,建立和完善对高浓度浆体在流经入口段、流经弯管等是否存在包含滑移因素的流动模型;并建立描述水煤浆滑滑移还不能确定。因此,可以说对水煤浆的滑移机移非稳态过程的数学模型。理认识仍然不充分,有待于进一步研究。在充分研(6)从非牛顿流体力学的基本方程出发,进究水煤浆流动滑移机理的基础上,建立和完善包含行高浓度水煤浆流动过程的数值模拟实验,剖析滑移在内的流动模型也是高浓度水煤浆流动特性液固流动过程的机理和相互作用规律,并与试验研究的重要课题。此外,对于水煤浆滑移减阻的研研究结果相互对比和验证,得出高浓度水煤浆的究目前还只是停留在减阻对摩擦阻力的影响评价流动结构图谱。上,对于滑移减阻应用于水煤浆管道输送工程的设(7)通过系统的理论和实验研究,得出高浓计修正问题尚未涉及。度水煤浆流动规律的放大模化理论,用于指导水最后,对于以上理论和方法取得的结论和成煤浆的规模化放大设计和应用果的验证还依赖于试验装置和测量手段的提高。目前来看,由于受到测试手段和条件的限制,对参考文献:于高浓度水煤浆的测量还只是局限于宏观参数1 Roh Nam Sun, Shin Dac- Hyun,Km,eta. Rheological be-如流量和压力等的测量。这些测量值对以上理haviour of coal-water mixtures. 2. Effects of surfactants andtemperature[J]. Fuel, 1995.74(9):1313-1318论的验证还比较粗略,有必要进一步深入研究更21 Woskoboenk,retr,se基本的液一固两相流动规律,如流体和固相之间Brown Coal Slurries: 1. Raw Coal-water[J]. Fuel. 1987的作用力、各分相的速度分布、壁面滑移层等(9):1299-1304对于水煤浆特殊的悬浮体系来讲,现有的测试手[31 Woskoboenko,redr, Siemon, Stanley R, Creasy.el段还不能为上述研究提供有力的支持。Rheology of Victorian brown coal slurries: Part 2. Effect ofH[J].Fuel,1989,68(1):120-1244结论[4〗刘宝林,孔珑,水煤浆流动特性及其流变模型确定方法综述[].煤化工,1995,(4):49-53由于水煤浆这种高浓度悬浮体系的复杂性,[]江体乾化工流变学M,上海:华东理工大学出版社204对其流变特性、流动特性、阻力特性等方面的研6王相宾,水媒聚管道输送压力降的计算方法探讨口,煤化工,2004,(3):24-27究还有待于进一步深入。作者认为可从以下几(7]孟令杰,增压流化床煤水混合物输送特性研究[D.南京:东个方面进行研究:南大学,1996锅炉技术第38卷Investigation on Combustion characteristic and dynamics ofHigh-concentration Organic WastewaterL U Hong-jun, LI Xiao-dong(1. Universal Star Science & Technology Development (Shenzhen)Co Ltd, Shenzhen 518057. China2. Institute for Thermal Power Engineering of Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)Key words: high-concentration organie wastewater: combustion characteristic; dynamicsr: incinerator: burn-off timeAbstract:Investigation emphases were combustion characteristics and dynamics parameterof high concentration organic wastewater and wastewater mixed with coal, in allusion tosurvey its ignition characteristics, burn-off trait, dynamics parameters and its influence ondesign, operation of organic wastewaer incinerator. The results of thermobalancemechanism experiment shown that high concentration organic wastewater's viscosity waslow with favorable flow and atomization performance, while its ignition temperature washigh owing to low heating value. Wastewater mixed with coal contains some inflammableconstituents and sodium-base compounds promoted combustion reaction, which wereascended as the mixture proportion growing. As a result, it was easier to catch fire thanhigh concentration organic wastewater with excellent inflammation andburn-off time(上接第63页)[8] D. Leighton, A. Acrivos. The shear-induced migration of物存在的临界条件[J].工程热物理学报,1992,13(3):324particles in concentrated suspensions[J]. Fluid Mech, 1987415-439[10]肖锡发,王世均.高浓度水煤浆管道输送滑移减阻试验研究[9吴文渊李静海,杨励丹,等.颗粒一流体两相流中颗粒团聚门.钢铁,199929(4):68-71.Advances in Research of Rheological Properties and Flow Behaviorof highly concentrated coal-water SlurriesCHEN Liang-yong, DUAN Yu-feng, WANG Qiu-fen, REN YuanKey Laboratory of Clean Coal Power GSeneranon and Combustion Technology of Ministry of EducationSoutheast University. Nanjing 210096, China)Key words: coal-water slurry: rheological property; flow behavior; resistance property:equal allocation law; wall slipAbstract: This paper summaries late advances of experimental and theoretical research of highlyConcentrated Coal-water Slurry(CWS) in the fields of theological properties, flow behavior, re-sistance properties and homogeneous transportation. Rheology of highly concentrated CWS andseveral effects on rheological properties are thoroughly discussed and analyzed. Something uncertainand solutions are also discussed which related to theoretical and experimental analysis methods ofrheology of non-Newtonian fluids. In addition, wall slip phenomenon and mechanism of highly con-centrated coal-water slurry flowing in pipe and its effects on Cws flow are presented in detail.Combining with some advanced methods such as non-Newtonian fluid mechanics, solid-liquid towphase flow, numerical simulation and modeling experiment, the author puts forward several new o-rientations of research on rheological properties, flow behavior, resistance properties and equal allo