温度对高浓度水煤浆流变特性的影响

第38卷第6期锅炉技术Val, 38, No 62007年11月BOILER TECHNOLOGY文章编号:CN31-1508(2007)06-0074-05温度对高浓度水煤浆流变特性的影响赵国华,王秋粉,陈良勇,段钰锋(东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部熏点实验室,江苏南京210096)关键词:高浓度;水煤浆;温度;流变特性摘要:对高浓度的水煤浆流变特性影响因素很多温度是其中的一个重要因素。借助于水煤浆粘度计在不同温度不同剪切速率下对3种浓度的水煤浆进行粘度测度得出在各↑剪切速率下粘度与温度的关系。结果表明在给定的剪切速率下,水煤浆的表观粘度与温度关系可以用近似 Arrhenius关系式表示。采用Herschel- Bulkley模型拟合出水煤浆的流变参数,发现水煤浆的流变参数随温度变化呈现出规律性地变化中图分类号:TQ534.4文献标识码:A1前言浓度水煤浆的粘度进行测量,温度从5℃变到℃,每个温度下剪切速率从10(1/s)到100(1/s)水煤浆是一种低污染高效率和流动性强的测出较高温度下水煤浆的粘度,揭示出水煤浆的理想代油燃料。它是一种宽筛分和含固量高的流变性质,得出相应的流变曲线,拟合出温度对复杂、多级、分散悬浮体系,影响其成浆性和流变水煤浆粘度的影响关系式,并揭示出温度对水煤性的因素十分复杂,它与煤的种类、化学性质颗浆流变特性的影响规律。粒形状及粒度分布、添加剂组成、制浆工艺、温度和成浆浓度等因素密切相关。发展高温高压、2实验设备与实验方法高效的大规模气流床水煤浆气化工艺成为我国实验采用的NXS4C型水煤浆粘度计是内洁净煤技术发展的一个重要方向,因此,对水煤筒旋转式同轴圆筒旋转粘度计,电机通过变速齿浆成浆性和流变性的研究越来越重要。粘度是轮包和同步齿型带传动机构驱动测量转子旋转,水煤浆最重要的流变性,而煤浆浓度、煤浆粒度如果转子没受到液体的粘性阻力,测量弹簧就保级配煤种煤浆温度添加剂和剪切强度等对水持初始状态,一旦转子因被测物料的粘度而产生煤浆的粘度特性具有重要影响因面一直是国内了粘性阻力扭矩,测量弹簧便因受到扭矩而偏外学者研究的重点问题1。转,直至2种扭力达到平衡,弹簧的扭角与液体从流变学的角度分析要求所配制的水煤浆的枯度(或表观粘度)成正比。用合适的传感器应在低剪切速率下具有较高的粘度,而在高鹑切将已知转速下的扭转角转换成电信号,经单片机速率下又表现出较低的粘度,即要研究出具有较处理后就可用数码管显示出粘度(或表观粘度好流动性和稳定性的水煤浆,在工业应用中,因值的大小。在内、外圆筒之间充满试样,外简保地区和季节等差异浆体温度变化较大,在南方地持静止,内筒(转子)绕轴心以角速度a旋转。转区水煤浆夏天输送的浆温能达到46℃甚至更子的外筒半径为R1,内筒半径为R2,则剪切高,冬天浆温则低至14℃甚至更低。实践证明速率温度的变化对水煤浆的流变特性有很大影响,因此,研究水煤浆的流变特性对温度的依赖关系具D=r do 2aR(1)有很重要的意义。粘度与作用在内筒表面总扭矩的关系为:本文采用成都仪器厂生产的带有控温系统M(Ri-R2)的NXS4C型水煤浆粘度计,对兖州3种不同高4rhRi r2a(2)收稿日期:2006-10-4基金项自:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2004CB21701)作者简介:赵国华(1983-),男,东南大学能源与环境学院硕士,主要从事洁净煤技术研究第6期赵国华,等:温度对高浓度水煤浆流变特性的影响式中:M—一测量弹簧复原扭矩;形式和破坏均需一定的时间,并且煤浆浓度高,内筒的高度;恢复形成稳定结构所需的时间越长。7—水煤浆的粘度3种浓度的煤浆在各个温度下剪切速率与粘该水煤浆粘度计可以测得剪切速率分别为度的变化关系见图(2~4)。从3个图中可以看100,80,60、40、20、10(1/s)下的粘度。粘度计配出低剪切速率下的粘度值波动较大,高剪切速率备的恒温水浴为HS—4型恒温浴槽(精度士0.1下规律较明显。随剪切速率增加,煤浆粘度迅速℃),是一种髙低温循环式高精度恒温器,性能稳降低,这是因为在低剪切速率下,粒子进行任意定可靠,本身带有制冷系统,通过高精度自动调的案集,也可能形成某种构造,但随着所施加的温器和水循环泵实现对温度的精确控制。升温剪切速率增大水煤浆的最大绝对触变量变大介质为水时,温度控制范围:0℃~100℃。试验这样就使得水煤浆的胶链结构的破坏更充分,从过程中将浴槽的出水管及回水管用2根橡胶管而大大降低水煤浆的粘度与旋转粘度计相连接,粘度计中的物料温度和浴槽设定温度达到平衡稳定后,开始测量。为了准确测量温度对流变特性的影响要求5℃水煤浆在整个温度调整过程中必须稳定,不发生一35任何沉淀和析水,所以这里选择了实验室中稳定性较好的兖州煤制水煤浆进行试验实验过程采用水煤浆的浓度分别为62.24%64.60%、6.69%。为了更全面更真实地反映温度对流变特性的影响,对每个浓度下的水煤浆02030405060708090100110均进行了粘一温测试。选定了如下几个测试温剪切速率S1度点:5℃、15℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃图2浓度为6224%时,不同温度下剪切速率与粘度关系55℃、65℃、75℃、85℃。在一定的温度下,每次测量剪切速率由10→20→40→60→80→100→80→60→40→20→10变化,剪切速率先上升后下降(变一次剪切速率测量3个数据),变化剪切速盐禁率过程中有一定的间隔时间,大约12s3实验结果与分析3.1温度对剪切速率与粘度关系的影响处理数据时发现剪切速率从10增加到100(上行程)和从100下降到10(下行程)的粘度值不同,如图1所示。原因可能是煤浆稳定结构的图3浓度为6.60%时不同温度下剪切速率与粘度关系140025℃上行程一5℃925℃下行程一-15℃1200▲30℃上行程160025℃d30℃下行程主禁668剪切速率/60708090100110剪切速辛图1浓度为66.69%时,上行程与下行程的数据比较4浓度为6.69%时,不同温度下剪切速率与粘度关系锅炉技术第38卷温度在5℃~55℃,各个剪切速率下的粘度浓度为64.60%时,p=0.00292exp(1494.7/T);是随温度的升高而降低,而且下降的幅度随温度浓度为66.69%时,=0.00062exp(2049.4/T)。的升高而降低,在剪切速率大于80(1/s)以后粘度变化较小。温度在55℃~85℃,粘度有个先升高后下降的过程。在相同温度下,随剪切速率的升高,粘度下降且下降的幅度减小;随温度的升高,从低剪切速率到高剪切速率时,粘度下降的幅度变大。水煤浆的粘度在5℃~55℃,随着温度的升高而下降,这是由于两方面的原因:02(1)水煤浆随温度的升高,其体积增大,分子间的距离增大,分子间的相互作用变弱。由于28529029505310315320表面张力是分子间的作用力引起的,所以分子间图53种浓度的水煤浆常温下温度与粘度关系作用力的减弱导致表面张力的变小2。表面张力减小,水煤浆的粘度降低。从上面可以看出,在15℃~45℃,水煤浆(2)温度对水煤浆中的离子型表面活性剂的粘度随温度的升高而降低,并且近似地服从的影响。离子型的表面活性剂,它在溶液中都有 Arrhenius关系式,而且可以从图5中看出水煤一个溶解度,一般的表面活性剂在低温时溶解度浆的浓度越高,粘度对温度的依赖性越强。水较小,当溶液的温度升高到一定的温度时,表面煤浆的浓度越高,即固相分率越大,温度对悬浮活性剂的溶解度增加,并且离子型表面活性剂对液的粘度影响越明显, Wildermuth和Wlim5极性和非极性被增溶物的增溶作用增强,原因是等认为这是固体粒子和分散介质的热膨胀情况可能随着温度升高,离子型表面活性剂的临界胶不同,从而使固相分率/最大固相分率改变的缘束浓度变大,形成更多的胶束,这就降低了水煤故。固相分率/最大固相分率增大,能使相对粘浆的粘度。度增大水煤浆在55℃~85℃,粘度先升高后下降,3.3温度对水煤浆流变参数的影响由于温度升高,离子型的表面活性剂凝聚,在水高浓度水煤浆是典型的非牛顿流体,其流变煤浆中的表面活性剂量减少,水煤浆的粘度变模型很多,如拟塑性流体模型、宾汉流体模型、胀大;但随温度继续升高,水煤浆中的表面活性剂流体模型等口-。根据水煤浆的流变性关系提出不再减少,温度的升高引起体积增大,分子间的了2个方面的要求,一是表示水煤浆稳定程度的相互作用变弱,导致表面张力的变小,水煤浆的屈服应力部分,一个是代表水煤浆流动阻力的剪粘度降低切应力部分,因此本文采用屈服一幂律流体3.2温度与粘度的关系模型:在工程应用方面,水煤浆的温度在十几度到0五十几度范围变化,图5给出了3种浓度下的粘式中:x—剪切应力,Pa度[对应剪切速率为100(1/s)]与温度的关系。工t—屈服应力,Pa;业上说的水煤浆粘度是指剪切速率在100(1/s)下k—稠度系数Pa·S;粘度计的读数。n—流动性系数。文献[l]提到对牛顿流体的粘度随温度的升当v=0,n=1时,为牛顿流体;当t=0,n≠高而降低并且近似服从 Arrhenius关系式:p=1时,为幂流体(n>1,为胀塑性流体;n<1为拟塑Aexp(-B/T),其中T是绝对温度,A和B是流性流体),当τ≠0,n=1时,为宾汉流体;当r≠体常数。把这个公式尝试地应用到具有非牛顿0,n≠1时,为广义宾汉流体(n>1,为具有屈服应流体性质的高浓度水煤浆中得到如下关系式力的胀塑性流体;n<1为具有屈服应力的拟塑性浓度为6224%时,g=0.0018exp(20926/T);流体)第6期国华,等:温度对高浓度水煤浆流变特性的影响根据常温下水煤浆的剪切应力与剪切速率系数随温度的升高而增大。表1的实验数据表的关系(图6~8)拟合方程,在相关性系数大于明,同一个浓度下屈服应力随温度的升高而增0.97下得出,3个浓度的水煤浆在各个温度下的加稠度系数随温度的升高而减小,流动性系数屈服一幂律流体模型参数,见表1随温度的升高而增加。屈服应力的变化趋势正好相反,这可能由于流体的本身性质不一样。随着浓度的增加同一温度下的屈服应力增加;随温度升高,粘度降低,流动性增强。62.24%和温度2064.60%的水煤浆是拟塑性流体,温度增加流体■▲的拟塑性减小,并且减小的幅度随温度的变化越大而减小越多;66.69%的水煤浆是胀塑性流体,温度的增加流体的胀塑性增加,并且增加的幅度随温度变化越大而减小越多6-0;也证明了不同浓度下的水煤浆流变特性的复杂性。剪切速率/s-1表1根据 Herschel|-Bu图6浓度为62.24%时,不同温度下模型拟合的各个系数剪切速率与剪切应力的关系浓度/%温度/℃t相关系数151.314630.428260.878500.99767251.967750.310840.881770.98998温度352.683920.210830.886510.9790215℃453.0936135▲35℃158.98643350.917900.999393511.971570.279280.978920.9946912.07157剪切速率/s11511.537300.447541.081720.99836图7浓度为64.60%时,不同温度下2511.860640.1841212l4760.99738剪切速率与剪切应力的关系3512.065430.13561.216840.995104512.140530.081031.262200.990374结论通过兖州煤水煤浆流变特性对温度的依赖关系可给出以下结论(1)常温下,水煤浆在各个剪切速率下随温度的增加,粘度迅速降低,降低幅度也减小(2)水煤浆的表观粘度在常温下随温度的升剪切速率/s-1高而降低,并且近似地服从 Arrhenius关系式;随浓度的增加,温度对水煤浆的粘度影响越明显。图8浓度为66.69%时,不同温度下(3)水煤浆的流变曲线表明随着温度的升剪切速率与剪切应力的关系高,稠度系数呈下降趋势,流动指数则呈上升趋势,文献[5-7]中提到屈服应力随温度的升高进一步说明了随温度升高过程中粘度降低,流动而减小,稠度系数随温度的升高而减小,流动性性增强。锅炉技术第38卷参考文献1159-1166.[]岑可法姚强曹欣玉,等煤浆燃烧流动、传热和气化的理论[61 Xuanke li, Qingtian Li. Rheological properties and carbonization与应用技术[M].杭州:浙江大学出版社,1997of coal-tar pitch]. Fuel, 1996, 75(1)13-7.[2]赵世民表面活性剂一原理、合成测定及应用M.北京中[7] Narm sun roh, Dae- Hyun Shin,. Dong- Chan Kim rheological be-国石化出版社,2005.haviour of coolwater mixtures [J]. Fuel, 1995. 74(9): 1313[3]江体乾化工流变学[M.上海:华东理工大学出版社,20041318.[4]戴干策陈敏恒化工流体力学[M].北京:化学工业出版[8]希利科,刘加龙温度对水浆的流变性质及用腐植酸盐使其增塑的影响[].腐植酸:2004(5)42-4[5 F. J. Dautant,K. Simancas,A. Sandoval, A. J Moller,Eet[9]王文亮,王化,胡子文水煤浆表观粘度测定方法的研究of temperature, moisture and liquid content on the rheological[刀].洁净煤技术,2003,9(5)140-46properties of flour]. Journal of food engineering, 2006.78(4).The Influence of Temperature on the Rheologyof High Concentration Coal-water SlurryZHAO Guo-hua, WANG Qiu-feng, CHEN Liang-yong, DUAN Yufeng(Key Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technologyof the Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)Key words: high concentration coal-water slurry temperature,logical propertyAbstract: There are many factors which influence the rheological properties of highconcentrat coal-water slurry. And temperature is one of the most importan. In this paperwith the help of coal-water slurry viscometer, the viscosities of CwS are measured underdifferent temperatures as well as different shear rates. The results indicate that, under agiven shear rate, the retation of apparent viscosity on temperature can be well described bythe Arrhenius Law The Herschel-Bulkley model is used to fit the date rheological parametersthat exhibit regularity with the change of the temperature.(上接第73页)Characteristic Analysis on Co2 Absorption of CaO ParticleBAI Tao, WANG Chun-bo, LI Yong-hua, GUO Jian(School of Enery and Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)Key words:i absorptivity mechanismAbstract: Global climate is more and more notable with greenhouse effect, more countries received the attention about it. CO is releasing the most greenhouse gas which is the main causethat can make the whole world warm; it can change the climate in the short-term possibility. Now-adays many countries are studying reducing CO emission, hoping develop a new absorbent whichis high-effect, low cost sorption technology. Cao is high capacity of CO, adsorption, low preparation cost, long service life and has good anti rubs characteristic, becoming Co2 absorption in hightemperature. This article mainly analyzes temperature, additive, structure of pore on the surface ofCao particle and other component in fuel gas contributed to Cao absorption performance. It canprovide a theoretical basis for improving the Cao absorption performance.