水煤浆流变特性管流法研究

第1期2009年1月M-Sized Nitrogenous Fertilizer ProgressJan.2009试验研究水煤浆流变特性管流法研究贝昆仑(上海焦化有限公司,上海200241)[擴要】采用管流法在自建装置上进行水煤浆流变特性研究,结果表明:可用幂律模型描述水煤浆流变特性。讨论了水煤浆浓度对流变模型的影响,给出了采用广义雷诺准数来计算层流状态下的阻力系数的方法。关键词]幂律模型;流变特性;广义雷诺准数[中图分类号]0373[文献标识码]A[文章编号]1004-9932(200)01-005-04Research on Rheological Properties of Coal-water Slurrywith Tube flow testBEl KunlunShanghai Coking Co, Ld, Shanghai 200241, China)Abstract: Based on experimental research with tube flow test which aimed at obtaining the data on flow andresistance properties of coal-water slurry(CWS), the paper reveals that the rheological properties and flowbehavior of CWS can be described by power law model, presents the formula for resistant coefficientalculating in laminal flow with generalized Reynold s number following the discussion on influences of CWSconcentration on rheological properties.Key Words: power law model; rheological properties; generalized Reynolds number0引言率。流变学的主要内容就是研究它们之间的函数关系。把剪切应力和剪切速率的关系描绘成图水煤浆是由煤粉、水和少量添加剂混合而成象,就是流变曲线图。目前常采用的流变模型有的固液两相悬浮流体。由于添加剂的加入改变了以下几种煤表面的物化性质,使得煤粉和水紧密结合,形宾汉塑性模型r=。+m成网状结构,成为均一体,表现为非牛顿流体的幂律模型性质。但水煤浆不同于一般的非牛顿型流体,其屈服一幂律模型r=τ。+Ky显著特点是黏度高且黏度与其浓度、温度和添加本文采用管流法研究水煤浆的流变特性:当剂量有关。水煤浆的流变性、阻力特性直接影响水煤浆的流变类型已知时,通过相应流体类型的水煤浆的输送、雾化质量、着火、稳燃及燃烧效换算关系式,给出流变参数的具体数值;也可在率,因此研究其流变特性和不同工况下的流动阻未知本构方程形式的条件下,通过换算关系式给力变化规律是开发利用水煤浆的重点。出壁面上的剪切应力值rv和剪切速率yw描述流变性能的变量是剪切应力和剪切速V山中国煤化工CNMHG收稿日期]20080916流变特性研究在自制的水煤浆流变作者简分]贝昆仑(199-),男,河北沧州人助理工程傅。试验装置(如图1)上进行。整个系统分为水煤56中氮肥第1期浆制备和流动回路2个部分。被鄂式破碎机破碎4m,两端压差Ap由隔膜差压计测量,测试管到6mm以下的煤通过减量秤按照控制流量加入管径分别为117mm、73mm和57mm。试验用棒磨机,由添加剂泵把配好的添加剂溶液同煤一煤为神府煤,其工业分析和元素分析结果见道送入棒磨机,进行湿磨制浆,制好的水煤浆送表1。入煤浆槽搅拌混合;借助螺杄泵使煤浆槽中的煤表1神府煤工业分析和元素分析浆在水平测试管和竖直测试管中流过并返回到煤工业分析元素分析浆槽中,如此循环,同时进行试验测定。试验时通过改变泵的转速来调节水煤浆流量,水煤浆流量Q采用电磁流量计测定,试验测试段管长L=3.26235057354431390.9026水添加剂。昌10111110图1水煤浆流变特性试验装置1-煤斗;2一鄂式破碎机;3-料仓;4减量秤;5-添加剂槽;6一棒磨机;7一离心泵;8-煤浆槽;9—螺杆泵;10一测试管;1l-隔膜法兰;12一差压变送器;13-隔膜压力传感器;14—电磁流量计线,则采取平均的方法求得n'。2试验结果与分析2.2流变方程的描述2.1数据处理通常水煤浆的流变行为属于非牛顿形式,本根据试验测试段两端的压差Ap,可以求管文分别按照幂定律和屈服-幂定律模型对其进行壁处的剪切应力描述,具体结果见表2和表3。(1)表2对应条件下幂定律流变模型质量浓度/%管径/相关系数各对应流速下的剪切速率rv=0.00y60.88261 +3n' 8y(2)132y1“a9985rv=0.153y30式中3600D73rv=0.0123yX0.7244对n计算采用 Metzner和Reed的处理方法0.00623y如(M-R法),即中国煤化工0.9486n(4p)=k′+nlnQCN MH GAS09856作Ap-Q双对数坐标图,得到一条斜率为54.99rv=0.265y0.966n’、截距为k的直线。如果双对数坐标图不为直第1期贝昆仑:水煤浆流变特性管流法研究57表3对应条件下屈服一幂定律流变方程量浓度/%管径/r流变方程相关系数73ry=-10127+0.0025y“0.9846e-D=73 mmb-D=57 mm33.60.1315+0.00117T=0.4372+0.1460y30.98461673Tw=-1.2834+0.0148y0.822651241r=-L.6917+0.007y如0.950210F亨117Tv=0.234+3.57340.9565554873=-05723+0.89%6y0.985186420从表2看出:水煤浆在低浓度(<50%)时100400n值大于1,为涨塑性流体;随着浓度的升高图3不同管径浓度48.77%水煤浆流变曲线在55%左右时,n值小于1,属于拟塑性流体低浓度时水煤浆中煤粉颗粒分散性好,随着剪切速率变大,煤粉因颗粒堆积变得密实,造成水煤浆黏度变大。对高浓度的水煤浆,由于性能趋向拟均相流体,随着剪切速率变大,本来堆积较密实的煤粉颗粒由无规则排列趋向规则排列,流动变形的阻力减小,造成水煤浆黏度减小。由表3看出:在用屈服-幂定律处理本试验10的水煤浆流变特性时,除2个大管的屈服应力不为负值,其他几组屈服应力均为负。屈服应力是流体在剪切速率为零时的截距,是流体开始流动200300400500所需的最小应力值,按照屈服应力的物理意义该模型形式不适用于本试验中的水煤浆,所以最图4不同管径浓度55.70%水煤浆流变曲线终采取幂定律模型描述水煤浆的流变特性。2.3流变特性的影响因素分析由图2、图3和图4可以看出:相同浓度的水煤浆,在壁面剪切应力相同的情况下,随着管2.3.1管径对流变特性的影响径的减小剪切速率变大由试验中得到的△p和Q按照M-R法拟合2.32浓度对流变特性的影响出n’,根据式(1)和式(2)得到rw、y,作出流图5、图6为同一管径中不同浓度下剪切速变曲线。图2、图3和图4为相同浓度下不同管率与壁面剪切应力的关系。径的水煤浆流变曲线。86420=33.6%D=7328=48.45%砂=5548%4062中国煤化工10020030040CNMHG160180200220图2不同管径浓度35.27%水煤浆流变曲线图5同管径不同浓度流变曲线(D=73mm)中氮肥第1期在管内的流动形态,也可以用于计算阻力系数。3225548表4阻力系数∫实测值和计算值的对比281217000.1290.1253结论50100150200250300350400450500550(1)在试验范围内水煤浆属于非牛顿流体图6同管径不同浓度流变曲线(D=41mm)可用幂定律模型来描述水煤浆流变特性,水煤浆的浓度对其流变模型有影响,水煤浆在低浓度时浓度越高对应的壁面剪切应力越大,表观黏度越0%)为涨塑性流体,随着浓度的升高,在浓大。这是由于浓度增大,水煤浆中煤粉颗粒含量增加,使得水煤浆空隙率下降,颗粒在流动中相(2)同一剪切速率下,浓度越高对应的壁互碰撞使阻力增加。当固相浓度达到一定值后,面处剪切应力越大,表观黏度越大。本试验是到55%左右,黏度增加幅度变大。图53)通过广义雷诺数计算的阻力系数值和中浓度为34.4%水煤浆在剪切速率大于110s1实测值很接近。时其黏度大于48.45%的水煤浆,主要是因为在符号说明这两个浓度下都属于涨塑性流体,但34.4%浓度时的n值(1.66)大于4845%浓度下的n值屈服应力,Pa·s(1.304)。n大,表明其剪切增稠作用明显。Tv——管壁处剪切应力,Pa24水煤浆在水平管流动时压力降的计算壁面处剪切速率液固两相流在不同流动区的单位压降—刚度系数K—稠度系数(5)n—流变指数根据研究,在层流状态下管中的纯黏性流D—测试管内径体、假塑性流体、黏弹性流体、胀流型无时间依L测试管长度,赖性流体的阻力系数都可表达为Q流量,m3h平均流速,p—压差,P在幂定律流体条件下广义雷诺准数R’表达1—一质量浓度,%式为密度,kg/m3R,=pu D-(7)阻力系数R—广义雷诺准数由试验测得的水平段压差Ap和流量可以得到阻力系数[参考文献DAp(8)[1陈良勇,段钰镰,王秋粉,等,高浓度水煤浆的流变特性和L=4m,D=0.11m,=49.31%,阻力[2中国煤化工37(1):60:科学出版社,199系数实测值和计算值的对比见表4,两者相对误[3]CNMHG准数及其阻力特性差在5%内。广义雷诺准数可以用来判断水煤浆J.化工学报,195,46(3):299