煤浆浓度对油煤浆流变特性和表观黏度的影响

熊楚安

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150027)



煤浆浓度对油煤浆流变特性和表观黏度的影响

熊楚安

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150027)

煤浆质量分数是影响油煤浆流变特性的主要因素之一。文中研究了煤浆质量分数对内蒙古胜利褐煤与液化起始溶剂和循环溶剂配制成的油煤浆的流变特性和表观黏度的影响。采用NXS-11A型旋转黏度计测量煤浆体系在30～70 ℃时在不同剪切速率下的剪切应力和表观黏度，绘制煤浆体系流变曲线和黏度曲线，分析了流变和黏度特性。结果表明：在实验条件下胜利褐煤起始溶剂油煤浆和循环溶剂油煤浆都符合宾汉流体的特征；油煤浆体系的塑性黏度、屈服应力和表观黏度都随煤浆质量分数的增大而增大，煤浆的表观黏度与煤浆质量分数之间呈指数增长型关系，当煤浆质量分数超过一定数值范围后，煤浆体系的表观黏度会急剧上升。

直接液化; 油煤浆; 煤浆质量分数; 流变特性; 表观黏度

0　引　言

我国是一个多煤少油的国家,既是世界上最大的煤炭生产国和消费国,也是一个石油消费大国。煤炭直接液化可以把低变质程度的煤炭转化成优质的液体油品,这是缓减我国石油供需矛盾的一种重要手段,也是我国能源建设发展的战略内容。在煤直接液化过程中原料煤需与供氢溶剂配制成一定质量分数的油煤浆(coal-oil mixtures, COM),然后经过煤浆泵增压、输送以及预热炉加热到规定温度后,再进入加氢反应器进行加氢液化反应。煤炭直接液化时，在一定温度条件下,供氢溶剂与煤会发生强烈的物理、化学作用,导致油煤浆的流变特性和黏度特性发生明显的变化,甚至产生突变,造成系统输送阻力增加,从而影响油煤浆的输送、传热和传质的效果[1-2]。研究和掌握油煤浆在液化过程中发生的物理、化学变化机理及流变特性的变化规律,可以为煤浆的大规模配制、输送、加热过程的优化设计和操作条件提供理论指导和技术支持的基础数据[3-8],因此得到众多学者们的关注。

煤浆黏度与煤浆质量分数有直接关系。煤浆质量分数是煤直接液化的主要工艺条件之一。从理论上讲,煤浆质量分数对液化反应的影响应该是质量分数越稀越有利于煤热解自由基碎片的分散和稳定。但为了提高液化反应器的空间利用率,煤浆质量分数又希望尽可能高。同时,在煤液化工艺中,选择煤浆质量分数还要考虑煤浆的输送和煤浆预热炉的适应性。鉴于诸多因素条件下,笔者研究了煤浆质量分数对油煤浆流变特性和黏度特性的影响。

1　实验与方法

实验以内蒙胜利褐煤(简称为胜利煤)为研究对象,将胜利煤破碎并筛分为平均粒径在0.15 mm以下的样品,将实验煤样在50 ℃下真空干燥24 h后密封保存备用,实验煤样的基本分析数据见表1。

表1煤样的工业分析和元素分析

Table 1Proximate and ultimate analysis of coal samples %

配制煤浆所用溶剂来自煤炭科学研究总院北京煤化工分院提供的胜利煤起始溶剂(Initial solvent,即INI)和胜利煤加氢循环溶剂(Recycle solvent,即REC)。起始溶剂是液化装置启动时配制煤浆的溶剂,而加氢循环溶剂是煤液化油在液化装置中循环多次后的溶剂[9]。在20 ℃下密度ρ,40 ℃下表面黏度μ时,溶剂INI和溶剂REC的性质见表2。

表2起始溶剂和循环溶剂的物理性质

Table 2Physical property and ultimate analysis of INI and REC

采用NXS-11A型旋转黏度计测定煤浆体系的流变特性和黏度特性。黏度计使用前先使用标准黏度液对黏度计进行标定和校验,使测量误差在仪器的允许范围内。

首先,称取一定量的胜利煤粉分别加入起始溶剂和循环溶剂中,然后搅拌均匀,得到不同质量分数的胜利煤油煤浆。将配制好的油煤浆倒入黏度计的测量桶内,将测量桶放入可调温的恒温水浴槽中加热到指定的温度后,采用NXS-11A型旋转黏度计,测量煤浆体系在30～70 ℃时在不同剪切速率下的剪切应力和表观黏度,绘制煤浆体系的流变曲线和黏度曲线图,分析其流变特性和黏度特性。

2　结果与讨论

2.1煤浆质量分数对油煤浆流变特性的影响

将胜利煤分别用INI和REC溶剂配制成不同质量分数的油煤浆,测定煤浆体系在不同剪切速率下的剪切应力,绘制出煤浆体系的流变曲线(以70 ℃时为例),如图1、2所示。

采用宾汉流体模型,即

τ=τ0+ηγ,

式中:τ——剪切应力,Pa;

τ0——屈服应力,Pa;

η——塑性黏度,mPa·s;

γ——剪切速率,s-1。

对实验数据进行回归,得到70 ℃时不同质量分数wm的流变曲线回归方程,见表3和4。

由图1、2和表3、4可见,在实验条件下,由INI和REC溶剂配制成的胜利油煤浆的流变特性符合宾汉型流体特征,煤浆体系的塑性黏度η和屈服应力τ0值都随煤浆质量分数的增大而增大,且质量分数高时,η值和τ0值增加的幅度更明显。另外,从比较可知,相同条件下,INI油煤浆体系的塑性黏度η值要比REC油煤浆体系η值大,但两种煤浆体系的屈服应力τ0值相差不大。

图1　INI中油煤浆的流变曲线Fig. 1　Rheograms of INI-COM

图2　REC中油煤浆的流变曲线Fig. 2　Rheograms of REC-COM表3　INI油煤浆体系流变曲线回归方程Table 3　Curve regressive equations of INI-COM

表4　REC油煤浆体系流变曲线的回归方程Table 4　Curve regressive equations of REC-COM

2.2煤浆质量分数对油煤浆表观黏度的影响

将胜利煤分别与INI和REC溶剂配制成不同质量分数的油煤浆,测定油煤浆体系在不同剪切速率下的表观黏度(以50 ℃时为例)。测试结果见图3、4。

图3　不同质量分数油煤浆的表观黏度(INI体系)

Fig. 3Effect of concentration on apparent viscosity of INI-COM

由图3、4可以看出,随着煤浆质量分数的增大,煤浆的表观黏度也随之增大,特别是煤浆质量分数较高时,煤浆的表观黏度增加幅度更加明显。这是由于煤浆质量分数增大时,一方面使得体系中的溶剂量相对变少。溶剂作为煤浆中颗粒间的自由相,溶剂量越少,自由相的润滑作用就越差,相应的黏度就越高;另一方面煤作为多孔物质,煤颗粒量增多,能够吸收更多的溶剂进入颗粒间的微孔,也使得在颗粒间自由运动的液相分子减少,从而导致表观黏度增加。

图4　不同质量分数油煤浆的表观黏度(REC体系)

Fig. 4Effect of concentration on apparent viscosity of REC-COM

在剪切速率为50 s-1时,将不同质量分数的INI油煤浆在70 ℃的表观黏度和不同质量分数的REC油煤浆在50 ℃的表观黏度分别作图,如图5所示。

将图5中煤浆黏度曲线进行回归拟合,其拟合后的表观黏度和质量分数的关系式为

μ=Aexp(wm/B)+C,

式中:μ——煤浆表观黏度,mPa·s;

wm——煤浆质量分数,%;

A、B、C——回归常数。

拟合后的回归数值见表5。

由图5和表5可以看出,随着煤浆质量分数的升高,煤浆的表观黏度增大,煤浆的表观黏度值和煤浆质量分数之间是一种指数增长型关系。因此,当煤浆质量分数大于一定数值后,煤浆的表观黏度就呈指数增长关系急剧上升[10-12],导致系统流动阻力的急剧增加。在实际的煤直接液化工艺中,煤浆质量分数一般控制在40%～50%。

图5　煤浆质量分数与表观黏度拟合曲线

Fig. 5Regressive curve of apparent viscosity with concentration of INI-COM

表5煤浆表观黏度方程常数

Table 5Constants of apparent viscosity equations of COM

名称INI体系REC体系A0.01210.0107B4.71274.7535C20.445718.4008R20.99630.9947

3　结　论

(1)在实验条件下,胜利INI油煤浆体系和REC油煤浆体系其流变特性都基本符合宾汉流体的特征,油煤浆的塑性黏度值、屈服应力值和表观黏度都随煤浆质量分数的增大而增大。

(2)油煤浆的表观黏度与煤浆质量分数之间呈指数增长型关系,煤浆质量分数越高时,其对煤浆黏度的影响越明显;当煤浆质量分数超过一定数值范围后,煤浆的表观黏度随煤浆质量分数的增加而急剧升高。

[1]高晋生, 常鸿雁, 张德祥. 煤直接液化中煤浆黏度变化研究进展[J]. 煤炭转化, 2003, 26(3): 21-26.

[2]王知彩, 水恒福, 张德祥, 等. 煤直接液化工艺中煤浆黏温特性变化机理的研究进展[J]. 煤化工, 2006(1): 29-34.

[3]熊楚安, 王永刚, 许德平. 中国直接液化油煤浆及液化残渣流变特性研究进展[J]. 化工进展, 2009, 28(4): 597-604.

[4]WANG YONGGANG, HAO LIFANG, XIONG CHU’AN, et al. Effects on main parameters on rheological properties of oil-coal slurry[J]. Journal of China University of Mining & Technology: English Edition, 2006, 16(3): 274-277.

[5]熊楚安, 郝丽芳, 邵景景. 双鸭山煤油煤浆流变特性的影响因素[J]. 黑龙江科技学院学报, 2008, 18(2): 81-83.

[6]宋新南. 油煤浆的管道输送特性与管路设计原则[J]. 石油学报: 石油加工, 2003, 19(2): 94-100.

[7]岑可法, 姚强, 曹欣玉, 等. 煤浆燃烧、流动、传热和气化的理论与应用技术[M]. 杭州: 浙江大学出版社, 1997.

[8]舒歌平, 史士东, 李克键. 煤炭液化技术[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2003.

[9]熊楚安, 王永刚, 陈伟, 等. 胜利煤液化油煤浆表观黏度的影响因素研究[J]. 燃料化学学报, 2009, 37(2): 145-149.

[10]ANDERSON P C, VEAL C J, WITHERS V R. Rheology of coal-oil dispersions[J]. Powder Technology, 1982, 32(1): 45-54.

[11]PAPACHRISTODOULOU G, TRASS O. Rheological properties of coal-oil mixture fuels[J]. Powder Technology, 1984, 40(1/3): 353-362.

[12]阎燕, 杜军, 熊楚安, 等. 胜利褐煤油煤浆常压低温黏度变化研究[J]. 煤炭转化, 2008, 31(4): 64-68.

(编辑徐岩)

Influence of concentration on rheological properties and apparent viscosity of coal-oil mixtures

XIONGChu’an

(College of Resources & Environmental Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

The concentration of coal-oil mixtures(COM) is one of the main factors affecting its rheological properties. This paper seeks to investigate the rheological and viscosity properties of Shengli lignite COM confected by initial and recycled solvent. The investigation consists of measuring the shear stress and apparent viscosity of COM systems at different shear rate and 30-70 ℃ by using rotational viscosimeter of NXS-11A, plotting rheological curves and riscosity curves respectively, and analyzing its rheological and apparent properties. The results indicate that the systems of Shengli lignite COM prepared by initial and recycled solvent consist with the characteristics of non-Newtonian Bingham fluid. The plastic viscosity, yield stress, and apparent viscosity increase with increasing coal concentration. The apparent viscosity correlates to the coal concentration exponentially and increases rapidly beyond a certain scale at high concentration.

direct liquefaction; coal-oil mixtures(COM); concentration of COM; rheological properties; apparent viscosity

1671-0118(2012)03-0237-04

2012-04-24

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12511473)

熊楚安(1969-),男,湖北省麻城人,教授,博士,研究方向:煤炭转化,E-mail:xca1969@163.com。

TQ533

A