水力空化对褐煤水煤浆流变特性影响的试验研究

李大尉，姚立明，吕玉庭,裴 禹，赵孟石，姚鸿宾

(1.黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150090；2.黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引言

水煤浆是一种新型低污染代油燃料，它是由65%～70%的煤、30%～35%的水和约1%的添加剂制成的混合物，既保持了煤炭原有的物理特性，又可以像油一样管道输送和高效燃烧，被称为液态煤炭产品。我国褐煤资源赋存丰富，探明储量约1 300亿t，约占国内煤炭探明储量的13%[1-3],目前，世界上首套采用褐煤水煤浆作为原料的水煤浆气化炉在大唐呼伦贝尔化肥有限公司运行，设计煤浆浓度为53%，运行煤浆浓度仅为48.5%～49.5%[4-6]。煤浆浓度过低导致气化比煤耗和比氧耗较高[7-8]、冷煤气效率低[9]，造成项目经济性差[10]，同时也会引起合成气水汽比高、气化炉温度与压力波动等问题，严重影响着装置的“安、稳、长、满、优”运行。因此，提高褐煤的成浆浓度对褐煤的高效洁净化利用意义重大。

1 水力空化作用机理

当流道中局部压力下降至临界压力时，水开始汽化，形成汽泡，汽泡随着液体流动同时不断发育、长大、相互聚集，当进入压力较高的区域时，又发生分裂和溃灭[11-12]。这个汽泡产生、发育、聚集、分裂和溃灭的过程以及与之相伴随的许多现象称为空化。当空泡的溃灭发生在水力机械固体表面附近的时候，还会引起材料的破坏，称为空蚀[13]；当空泡的溃灭产生的微射流、高峰值脉冲压力、高温热效应被应用于各行业时，称为空化利用技术[14]。

空化现象会对于螺旋桨等运动部件会造成汽蚀现象，对运动部件附近产生频率很高、瞬时压力很大的冲击[15]。空化现象会在流体中产生大量的微细气泡，对于某些需要高频振动来作用的过程可能起到意想不到的效果。根据空化作用原理，设计了最大转速16 000 r/min的调速空化器用于研究空化作用对于水煤浆流变特性的影响。

当流畅内的最低压力达到临界压力时，引发空化现象后所释放的巨大能量将对水煤浆固液分散体系的细度和流变特性产生重大影响,文中通过试验来研究具体影响过程。

2 试验过程

2.1 样品选择

选择试验煤种属于典型的褐煤，其分析水分15.60%，挥发分达48.91%，属于低灰特低硫煤。褐煤样品脆性比较小，易于粉碎，采用万能粉碎机进行粉碎，粉碎后样品通过0.5 mm分级。

2.2 原料制备

按照选取水煤浆分散剂药剂用量HSN萘系∶HSM木质素为1∶2，称取定量的药剂，放入磨口瓶中，放入计算好的用水量的90%，搅拌混合溶解。再讲称取的褐煤样品缓慢放入1 000 r/min转速持续搅拌的磨口瓶中，将全部煤样放入搅拌均匀后，加入剩余水，再以2 850 r/min转速恒速搅拌5 min，1 000 r/min转速恒速搅拌5 min。测定水煤浆粒度和流变粘度。

2.3 水煤浆性质的测定

水煤浆流变性测定采用旋转粘度仪NXS-11A型。水煤浆流变性能的粘度指标一般使用速度梯度为100S-1和30S-1条件下粘度指标进行衡量。

2.4 制备方法及空化器结构

将常规制浆工艺获取的水煤浆样品装入空化器中，缓慢提高空化器搅拌器转速至预定空化转速，空化时间下，获取空化后水煤浆样品，测定水煤浆流变粘度、粒度，研究空化作用对水煤浆流变特性的影响。

3 结果与讨论

3.1 水力空化对水煤浆体粘度的影响

将水煤浆放入空化器进行空化实验时，空化器转子转速从静止缓慢增加，由于水煤浆粘度影响，在转子转速增加过程中间断性出现了较大声响和振动，当转子转速超过8 000 r/min后，振动和声响减小，空化器运转平稳，这可能随着空化器转子转速提高，对水煤浆浆体流动性产生了一定影响。

空化初步实验采用空化转速为10 000 r/min，空化时间为2 min。实验所测原浆体的流变粘度计算表1,空化后水煤浆的粘度计算表2。

表1 原浆体的粘度计算表

表2 空化后水煤浆的粘度指标计算表

对比水煤浆空化前后的流变特性曲线，可以发现空化后水煤浆的流变粘度非常稳定，正向旋转的粘度曲线和反向旋转的粘度曲线重合，没有变化。说明空化后水煤浆的粘度特性已由假塑性流体变成了类似牛顿流体。粘度测试过程中，表征旋转扭矩的刻度盘指示数比较稳定，没有出现常规水煤浆测试时数值缓慢下降的现象，而且粘度测试数值重现性十分好，说明浆体流变特性比较稳定。

通过对比空化前后水煤浆的运动粘度指标，速度梯度为100 s-1时粘度指标由320 mPa·s提高到340 mPa·s，速度梯度为30 s-1时粘度指标由420 mPa·s提高到850 mPa·s。 经过空化后水煤浆运动粘度有了一定提高。

3.2 水力空化对水煤浆粒度的影响

如图2所示，为空化前后的粒度分布曲线图。

从图2可以看出，30 μm以下的细粒级含量明显高于空化前粒级的含量，主要因为水力空化产生能量的破碎作用，会使细粒级煤粒增加，颗粒分散程度得到改善，褐煤的粒径减小提高了水煤浆成浆时颗粒的空间堆积效率，也有利于提高褐煤水煤浆的成浆浓度。

3.3 水力空化对水煤浆稳定性的影响

褐煤粉碎后，颗粒表面的水化膜和颗粒之间静电力吸附等作用导致水煤浆浆体流动性变差，颗粒群形貌特征表现为长方形或三角形，少量呈现五边形。对煤炭粉碎后分形特征结果表明煤粉多数呈现为片状结构，尤其是小于30 μm的微细颗粒。由于棱角分明颗粒的尖端静电力效应，颗粒表面吸附了微细颗粒，而且颗粒之间容易以尖端相互吸附形成链状结构，见图3。

在显微镜下观察空化后的浆体见图4。

空化后水煤浆放置1周后没有出现分层现象。利用显微镜观察水煤浆状态，可以发现放置1周后的空化水煤浆中存在着大量不易消散的微细气泡。气泡曲率半径越小，气泡表面张力越大，气泡稳定就越好。气泡在流体中可以长时间存在而不会出现相互兼并破裂现象。通过空化作用在水煤浆浆体中引入了大量的圆形的微细气泡，一方面由于其占位作用而在一定程度上提高了水煤浆粘度和稳定性能，另一方面圆形微细气泡成为水煤浆浆体流动过程中的润滑剂。微细气泡的布朗运动破坏了颗粒之间的静电力吸附，从而使得水煤浆流变性能得到较大的改善。

4 结论

(1)水力空化作用使褐煤水煤浆的流变性能得到较大的改善，其30 μm以下的细粒级含量明显高于空化前粒级的含量。

(2)经空化处理后水煤浆运动粘度有了一定提高，速度梯度为100 s-1时粘度指标由320 mPa·s提高到340 mPa·s，速度梯度为30 s-1时粘度指标由420 mPa·s提高到850 mPa·s,且粘度测试数值重现性十分好，浆体流变特性比较稳定。

(3)空化后水煤浆中引入了大量的微细气泡，一方面由于气泡在水煤浆形成了占位，导致水煤浆颗粒群之间浓度提高，使得水煤浆运动粘度得以提高。另一方面微细气泡的布朗运动破坏了颗粒之间的静电力吸附，从而使得水煤浆流变性能得到较大的改善。