水煤浆表观粘度测定方法探讨

赵安帮（神华包头煤化工有限责任公司 内蒙古 包头 014010）

一、前言

煤气化是以水煤浆、氧气为原料，在加压无催化剂条件下进行的化学反应，生产出合成原料气。水煤浆的性能在气化装置中具有举足轻重的作用其直接关系到装置运行的稳定性和能耗的高低。在装置生产中，水煤浆在生产各阶段如贮存或泵送等，其流动状态不同，因此表观粘度应该是不同的。水煤浆和一般牛顿型流体不同，是一种非牛顿的拟塑型流体，其粘度可分为结构粘度和牛顿粘度两部分，它表现出的总粘度称为表观粘度,即：表观粘度=结构粘度+牛顿粘度,表观粘度中的结构粘度易受外在因素影响，在外力作用下(如搅拌等)，结构粘度下降，因此表观粘度下降.当外力消失后，性状又可恢复，即具有所渭的触变性。它是不同粒度组成的煤粉分散于水介质中形成的一种多级分散的悬浮体系，呈现出非牛顿流体中假塑性流体的基本特征,其表观粘度随着剪切速率的增大而减小。它是一种宽筛分和含固量高的复杂、多级、分散悬浮体系,影响其成浆性和流变性的因素十分复杂,它与煤的种类、化学性质、颗粒形状及粒度分布、添加剂组成、制浆工艺、温度和成浆浓度等因素密切相关。同时水煤浆在存储、运输、泵送、以及燃烧雾化过程中，作为非牛顿流体，其表观粘度是一个重要影响因素。因此，测定其表观粘度对水煤浆工业生产能提供理论依据和实际指导作用。试验研究了水煤浆在不同温度、不同浓度、不同剪切率、不同剪切时间下的流变特性，总结出最合适的方法测定水煤浆的表观粘度。

二、实验部分

1.仪器设备与试剂

NXS-4C旋转流变仪；恒温循环水浴；实验用标准油；制备好的水煤浆

2.实验步骤

（1）仪器的标定

选用经计量单位标定的、具有动力粘度值有证标准物质油在20℃下恒温90min后测定其粘度测定值。以测定值为横坐标，以标准物质的标准值为纵坐标，建立校准曲线。每次实验测定煤浆时，由测定所得的值，从校正曲线中查询得出校正值，进而得出粘度试验结果。

（2）测定温度的确定

采用NXS-4C旋转流变仪，在恒定转速的剪切率下测定水煤浆的粘度随温度的变化情况，

结果见图1。温度变化范围1O～35℃,升温测定时间取30min.

图1 表观粘度—温度关系图

从图1上曲线可以看出，随温度升高，水煤浆表观粘度下降。温度上升，煤浆液体分子间的引力减小，进而粘度也就相应的减小。由于仪器标定校正时使用的标准油的标准值是在规定的20℃时标定给出的，为使整个实验条件相应的保持一致，故规定本试验中温度为20℃。

（3）测定前恒温时间的确定

由于试验时的环境温度与试样温度不一致，故应该试验前事先将水煤浆试样放在恒温循环水浴中恒温一定时间，当试样达到规定的测试试验温度后再进行测定，否则，测试时的实际温度与试验温度不一致，会导致实验的测试结果不稳定。为确定水煤浆试样达到恒温的时间，选择水煤浆剪切速率在100S-1分别进行了恒温2min，5min，10min的试验，以确定合适的恒温时间。

图2 表观粘度—恒温时间关系图

图2结果表明，随着测定时间延长，表观粘度呈逐渐下降趋势，并且静止恒温2min的粘度测定值相差较远，而静止恒温5 min与静止恒温10min的粘度测定值基本一致。综合考虑测定结果的稳定性和尽可能缩短测定时间，规定本试验前应有5min恒温水浴循环时间。

（4）测定剪切率的确定

在恒温水浴20℃，恒温稳定5min后，分别测定水煤浆在剪切率为10S-1,20S-1,40S-1,60S-1,80S-1，100S-1下水煤浆的表观粘度。

图3 表观粘度—剪切率关系图

水煤浆经一定的搅拌后状态也趋于一致，在测试时存在剪切稀化现象，随时间延长，表观粘度一般呈下降趋势，图3说明剪切率越大，表观粘度的数值稳定的越快。故规定试验中剪切率为100S-1。

（5）浓度与粘度的关系

在制取煤浆过程中，水煤浆的粘度与煤浆的浓度，粒度有着很大联系。

图5中可以看出随着煤浆的浓度增大，煤浆的粘度也相应的变大，但到达一定的数值时，煤浆粘度会突变，煤浆会变得异常黏稠。

（6）表观粘度具体测定方法讨论

对比在相同条件下两种不同方式测定水煤浆表观粘度的数据稳定性，恒温水浴20℃循环，稳定5min后，测定在剪切率在100S-1时水煤浆表观粘度。方案（1）把仪器直接设置为剪切率100S-1，稳定5min后开始读取数值，每间隔1min读取一次，连续读5次数据后取平均值作为实验结果。方案（2）设置剪切率从0S-1逐渐上升到100S-1然后逐渐下降到0S-1，仪器自动记录数据，读取剪切率在100S-1时的数据取其平均值，仪器倒计时2min后开始测试，测试时间3min。

图5 两种方案对比

图5是两种方案对比，最终的实验结果相差不大，但从综合考虑中可以看出方案（2）中水煤浆稳定时间短，测试的数据稳定，标准偏差小，所花费的时间较短。

1 2 3 4 5平均值标准偏差方案1（粘度/mPa·S）935 935 919 910 905 921 13.90方案2（粘度／mPa·S）923 920 925 920 926 923 2.77

三、结论表述

1.水煤浆是一种类似重油一样的流体化燃料，可像重油那样贮存、输送和使用，有希望成为各种工业燃科、原料。因此，其流动性极为重要。

2.水煤浆是粗分散非牛顿悬浮体系，表征其粘度的大小。水煤浆的表观粘度受煤种、煤的变质程度、含煤浓度、粒度分布、药剂性能和用量、水的性质、制备方法、存放时间、测定时的剪切率及程序和温度等因素的影响。

3.水煤浆在规定恒温时间静置后，表观粘度会随剪切时间变化。因此，规定实验的结果以连续5min内的l0次读数的算术平均值表述，即以开始测定后期5min至10min的平均表观粘度值为水煤浆表观粘度测定结果

4.水煤浆生产现场要避免高剪切率下长时间搅拌。受到剪切作用后，水煤浆表观粘度有下降的情况，所以生产现场要充分考虑这一点，选取合适的搅拌时间。试验得出此水煤浆最合适的搅拌条件为剪切率100S-1。

5.在一定的操作温度范围内，温度对水煤浆表观粘度的影响不显著.

6.水煤浆表观粘度的测定等梯度升高剪切率测定相比恒定剪切率测定，煤浆系统稳定快，所测数据稳定，偏差小，总体缩短了实验时间。

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