煤泥粘度影响因素的试验研究∗

王玉朋 韩昌瑞 张东焕 李金风（山东理工大学交通与车辆工程学院,山东省淄博市,255049）



煤泥粘度影响因素的试验研究∗

王玉朋 韩昌瑞 张东焕 李金风
（山东理工大学交通与车辆工程学院,山东省淄博市,255049）

摘要煤泥是选煤过程中的产物,大多被废弃,目前通过管道运输将煤泥输送到锅炉发电是解决该难题的最佳方法,但在输送过程中由于煤泥的粘度较大,经常粘结在管道上,增大含水量的方法又会影响其燃烧效率。通过对2种煤泥进行试验,研究了含水量、温度和静置时间对煤泥粘度的影响,结果表明煤泥粘度随着含水量的增加和温度的升高而减小,随着静置时间的延长而增大,且含水量是影响煤泥粘度的主要因素。管道输送时应尽量控制煤泥的含水量,适当提高煤浆温度,并缩短堆放时间。

关键词煤泥 粘度 含水量 温度 静置时间

1　引言

煤泥是煤粉含水形成的半固体物,是煤炭生产过程中的产物,一般情况下原生煤泥占入选原煤的10%～20%,次生煤泥占5%～10%。煤泥的含固量为72%～77%,颗粒直径小于0.5 mm,并含有大量的灰分和粘土类矿物,所以其粘度较高,形态极其不稳定,遇水易流失,风干即飞扬。大多被废弃且堆积成山,对环境造成了极大污染。

原生煤泥的发热量在12.55～20.92 MJ/kg之间,仍具有一定的利用价值。随着循环流化床（CFB）锅炉技术的不断成熟,以煤泥为燃料的CFB锅炉得到成功应用,管道运输是将煤泥输送到锅炉燃烧的最佳途径。由于粘度较大,煤泥在输送过程中极易粘结在管道上,通常改变含水量可解决粘度大的问题,但又会降低其燃烧效率,研究表明含水量在1%～30%时,每增加1%的含水量要降低0.1%的热值。根据锅炉温度和煤泥粘度闭环控制煤泥流量,才能达到兼顾环保、安全可靠以及经济适用的要求。

煤泥属于高浓度粘稠物,其粘度受多种因素的影响,国内外学者对煤泥的管道运输和粘度测量做了大量的研究。部分国内外专家研究了颗粒浓度和温度对粘度的影响,发现粘度随颗粒浓度的增加而增大,随温度的升高而降低;还有专家通过试验发现水煤浆粘度随放置时间的延长而增加;更有专家得出了煤泥的最佳泵送含水率为28%,且煤泥的流动特性与煤的种类和洗选工艺有关;国外相关专家研究了煤颗粒大小对水煤浆粘度的影响,结果表明煤的平均粒径越小,水煤浆的粘度越大。

本文通过试验,研究了影响煤泥粘度的几种主要因素,对解决煤泥的管道运输难题和再利用有着重大的意义。

2　相关表达式及其测量原理

煤泥是典型的非牛顿型流体,其粘度随剪切速率的改变而不同。流体的粘度通常是用牛顿粘性定律定义的,详见式（1）:

式中:F——粘性力,N;

η——粘度,Pa·s或MPa·s;

S——流层间的接触面积,m2;

d v/d y——速度梯度,s－1。

当两平行的平板之间充满液体时,下板固定不动,对上板施加一个平行于下板的力F,使其匀速运动,紧贴上板的液体与上板等速运动,由于液体的粘性,下层液体随上层液体而流动,越近下板速度越慢,液体流动示意图如图1所示。

图1　液体流动示意图

粘度的定义公式见式（2）:

式中:η——粘度,Pa·s或MPa·s;

τ——剪切应力,Pa或MPa;

v——剪切速率,s－1。

本试验使用的实验仪器主要有粘度计、烘箱、天平和铁盘等。其中粘度计为NDJ－79式旋转粘度计,测量范围为2～106MPa·s,测量误差为±5%,选用的转速为75 r/min,粘度的计算公式见式（3）:

式中:η——粘度,MPa·s;

k——转子系数,本试验取10;

a——指针读数。

旋转式粘度计的工作原理图及实物图如图2所示。

图2　工作原理图及实物图

由图2可以看出,电机带动转子在溶液中转动,由于待测液体的粘性作用,转子会产生滞后,与转子相连的游丝在反方向上产生一定的扭矩,通过指针的偏转显示粘度的大小。

3　试验过程及测试结果分析

表1　煤泥A样品成分分析　%

表2　煤泥B样品成分分析　%

由表1和表2可以看出,煤泥中除含有C和O等主要元素外,Al、Si、S和Ca的含量也较高,这些元素组成了大量的无机盐灰分,使得煤泥的粘度较高,也极其不稳定。本文通过对含水量、温度和静置时间这3个因素的变化研究分析了煤泥的粘度特性。

3.1煤泥含水量对粘度的影响

试验时首先将原生煤泥在烘箱内烘干（烘干温度为80°C,烘干时间约为12 h）,在烘干后的煤粉中加入一定量的水,用玻璃棒均匀搅拌15 min。当含水量低于20%时,煤泥成团状,几乎无流动性,所以含水量的选取范围为30%～70%。在室温（约为15°C）下,取4个点,快速测量其粘度,所得数据见表3和表4（表中Ai和Bi为样本编号）,含水量对煤泥粘度的影响如图3所示。

由图3可以看出,煤泥的粘度随着含水量的增加而减小,含水量的变化对粘度的影响较大;当含水量为30%时,煤泥A粘度为77 Pa·s左右,增加5%后,粘度降至52 Pa·s左右,这说明当含水量较低时,较小的含水量变化会对煤泥的粘度产生较大的影响。相反,含水量60%和65%的煤泥粘度变化几乎不大。

表3　煤样A在不同含水量下的粘度

表4　煤样B在不同含水量下的粘度

图3　含水量对煤泥粘度的影响

含水量增大导致煤浆浓度升高,颗粒间的空隙减少,颗粒流动不仅要克服流体与颗粒间产生的较大摩擦,而且要克服粒子间强烈的相互作用,导致了煤泥粘度的增大。对比表1和表2,煤样B的微量元素（如Al、Si、S和Ca）含量低于煤样A,无机盐灰分相对较少,使得相同条件下的煤样B的粘度低于煤样A的粘度。

3.2温度对煤泥粘度的影响

试验测量了煤泥在20°C～50°C范围内的粘度,含水量选择在40%、45%和50%。由于粘度计的底座和转子之间的距离较小,无法放置恒温水浴,所以本文选择用烘箱控制温度。将配置完成的煤泥用保鲜膜裹紧,在烘箱内恒温2 h,取出后快速测量其粘度,煤样A和煤样B在不同温度下的粘度所得数据见表5和表6。

该书出版后，学术界评价很好，我在这本书的前言中讲到这是我们系列研究的第一本，当时还想一本本往下写，与出版社签的合同是出版三本，第二本是“形式化与非形式化”，第三本是实证与非实证，提纲都拟好了，但是由于主要成员纷纷调动工作，有的当领导了，有的改行了，我自己也从哲学研究所调到社会学研究所工作，研究领域改变了，新的研究任务压下来了，“三卷本”的写作计划就只好搁下了，实在是很遗憾的。我到社会学所工作以后，还曾经另外组织写作组，以期继续履行与出版社的合同，实现我心头的夙愿，却终因知识结构不同，原来的写作计划难以实现，实为平生一大遗憾。

表5　煤样A在不同温度下的粘度

表6　煤样B在不同温度下的粘度

根据表5和表6绘制温度对煤泥粘度的影响试验曲线如图4所示。

图4　温度对煤泥粘度的影响

由图4可以看出,煤泥的粘度随着温度的升高而降低。开始时,粘度的下降幅度较大,当温度升到40°C时,粘度随温度的变化幅度减小。通过比较不同含水量下的3条曲线可以看出,含水量越低,温度对粘度的影响越明显。流体的粘度取决于分子间的作用力,温度升高,分子之间的距离增大,分子间的相互作用力减弱,粘度降低。

3.3静置时间对煤泥粘度的影响

本试验测量了含水量为35%时的煤泥粘度随静置时间的变化,配置完成的煤泥静置在室温下,用保鲜袋密封,防止水分的蒸发。静置前和静置8 d后的煤泥图像如图5所示。

图5　煤泥静置前后

由图5可以看出,静置后的煤泥有变干的迹象。每个时间段测量了4个点的粘度,波动范围在1 Pa·s左右,煤样A和B在不同静置时间对煤泥粘度的影响见表7和表8（表中Ai和Bi为样本编号）,并绘制粘度变化趋势如图6所示。

图6　静置时间对煤泥粘度的影响

由图6可以看出,开始一段时间,静置时间越长煤泥的粘度越大,粘度增加较快,随着静置时间的增加,粘度增加越来越缓慢,在静置时间超过5 d后,煤泥的粘度趋于不变。

煤泥粘度随静置时间的变化是由煤泥的保水性引起的。开始的一段时间,颗粒间含有较多的游离水,流动时克服的阻力小,粘度较小;随着时间的增加,游离水逐渐被煤颗粒吸收,粘度增大,当颗粒饱和后,粘度趋于不变。

表7　煤样A在不同静置时间对煤泥粘度的影响

表8　煤样B在不同静置时间对煤泥粘度的影响

4　结论

通过一系列的试验与研究,总结出煤泥具有以下的粘度特性:

（1）含水量的改变会大幅度影响煤泥的粘度,含水量越大煤泥的粘度越低,含水量越小煤泥的粘度越高。

（2）随着温度的升高,温度对粘度的影响越来越小。在煤泥运输过程中,可适当提高煤浆的温度,达到降低粘度的目的。

（3）煤泥的粘度与静置时间有关。开始时,静置时间越长,其粘度越大;在静置一段时间后,粘度增加越来越缓慢,最终趋于不变。所以洗煤厂产生的煤泥应尽快进行管道运输,缩短堆放时间。

（4）相同条件下,煤样B的粘度略低于煤样A的粘度,原因是煤泥B组分中的微量元素含量较低,无机盐灰分少,说明煤泥的成分组成也是影响粘度的因素之一。

所以,在不影响其燃烧效率的前提下,应尽量控制煤泥的含水量,适当提高煤泥温度并缩短堆放时间。

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（责任编辑王雅琴）

Experimental study on influencing factors of coal slime viscosity

Wang Yupeng,Han Changrui,Zhang Donghuan,Li Jinfeng
（School of Transportation and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology, Zibo,Shandong 255049,China）

AbstractCoal slime is the product of coal washing,abandoned largely. At present,transporting the slime by pipeline into boiler to generate electricity is the best way to solve the problem.But because of the high viscosity,it always binds on the pipeline in the transport process. The usual way is to increase the water content,but it may affect the combustion efficiency.By experiment with two kinds of coal slimes,the influences of water content,temperature and standing time on coal slime viscosity were studied. The results showed that slime viscosity decreased with the increasing of water content and temperature,and increased with the increasing of standing time;the water content was the main influencing factor of slime viscosity.In the pipeline transport process,the water content of slime should be controlled well,the coal slurry temperature should be raised properly and the standing time should be shortened.

Key wordscoal slime,viscosity,water content,temperature,standing time

中图分类号TQ536.4

文献标识码A

基金项目:∗山东省自然科学基金资助项目（ZR2011EEM020）

作者简介:王玉朋（1989－）,男,山东潍坊人,在读硕士研究生,主要从事煤泥的粘性和管道运输方面的研究。