水煤浆的流变参数及水力坡度研究*

赵利安 王铁力 郭凯鹏

(1.辽宁工程技术大学矿业学院，123000 辽宁阜新；2.中煤科工集团武汉设计研究院有限公司管道工程院，430064 武汉)

0 引 言

水煤浆技术作为洁净煤技术内容之一，是我国煤炭清洁高效利用的重要方向[1]。水煤浆添加剂是制取高质量分数水煤浆必要的化学药剂，其中必不可少的是分散剂和稳定剂[2]。非离子分散剂效率高，不受水质和煤中可溶物的影响，具有优良的分散降黏作用[3]。月桂醇聚氧乙烯醚作为一种主要的非离子分散剂，对改变水煤浆黏度，制取高质量分数水煤浆具有重要作用[4-6]。MISHRA et al[4]研究了月桂醇聚乙烯醚对水煤浆表观黏度的影响，发现含0.5%(质量分数，下同)月桂醇聚乙烯醚分散剂的质量分数为55%的水煤浆，当pH值由2增加到7，剪切速率为100 s-1时，水煤浆的表观黏度由160 mPa·s快速下降到20 mPa·s，同时含0.1%月桂醇聚乙烯醚添加剂的质量分数为55%的水煤浆在剪切速率为100 s-1时，表观黏度快速降低。赵亮[5]发现3.0%的月桂醇聚氧乙烯醚分散剂分别加入质量分数为50%和55%的等离子体裂解固体产物(该固体产物具有高灰分、高固定碳和低硫等特点，符合制备水煤浆用原料标准)水煤浆中，在剪切速率为20 s-1～1 000 s-1时，水煤浆表观黏度相对增大。张勋等[6]采用月桂醇聚氧乙烯醚和木质素磺酸钠两种添加剂按质量比为0.8∶0.8进行复配，再加入一定量聚乙二醇稳定剂，得到了质量分数为62%的水煤浆，月桂醇聚氧乙烯醚分散剂加入后，水煤浆的表观黏度有增有减，其原因很可能是，当分散剂用量过多与过少时，水煤浆的表观黏度不同，而月桂醇聚氧乙烯醚与其他分散剂复配，只有复配得当才具有显著的协同降黏效应[7]。海泡石的加入能降低浆体析水率，增加稳定性[8]。我国海泡石资源极为丰富，利用其作为水煤浆的稳定剂是最经济、最有效的方法，而这方面的研究较鲜见。

本实验采用月桂醇聚氧乙烯醚和海泡石作分别为水煤浆的分散剂和稳定剂，研究分散剂质量分数变化对高质量分数水煤浆表观黏度及极限沉降浓度的影响，以及稳定剂质量分数对水煤浆析水率的影响，进而确定最佳分散剂和稳定剂的质量分数，进一步研究两者与其他流变参数关系及与管道输送水力坡度的关系。

1 实验部分

1.1 材料和仪器及装置

实验采用辽北某矿的长焰煤，原煤颗粒直接取自原煤分级筛下粒径小于40 mm的不规则颗粒，其黏结性很弱。煤样的工业分析和元素分析如表1所示。

表1 煤样的工业分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of samples

煤中灰分主要由SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO和SO3等组成，质量分数为18.68%，煤样属中等灰分煤，灰分较高有利于水煤浆的稳定性[2]。由表1可以看出，n(O)∶n(C)为0.19，介于0.10～0.20区间，有利于形成高质量分数水煤浆[2]。煤中内在水分较低，也有利于形成高质量分数水煤浆。而高挥发的长焰煤变质程度低，不利于成浆[2]。由表1还可以看出，实验用煤的热稳定性较好，煤中含油较高(等于10%)，这对水煤浆燃烧有利，原煤的可磨性介于中等可磨和易磨之间。由烟煤成浆性指标D=7.5+0.5·w(Mad)-0.05·HGI计算可知，D=3.54，成浆难易程度为容易[2]。

月桂醇聚氧乙烯醚是一种非离子共聚物，分子式为(C2H4O)n·C12H26O。其水溶性较好，耐酸，耐碱，耐硬水，稳定性良好[2]。海泡石是一种富镁硅酸盐纤维矿物，其分子式为Mg(H2O)4[Si6O15]2·(OH)48H2O[8]。海泡石具有非金属矿物中最大的比表面积和独特的内部孔道结构，在通道和孔洞中可以吸附大量的水或极性物质。

实验中，处理原煤颗粒的破碎机和磨粉机分别采用衡阳沃力机械设备有限公司生产的PE-180型破碎机和桂林矿山机械有限公司生产的HLMX型磨粉机。粒度分析仪选用英国马尔文公司生产的Mastersizer 2000型粒度分析仪。测量水和颗粒质量的电子天平选用上海精密仪器仪表有限公司生产的YP20K-1型和FA2004B型电子天平。流变仪选用美国Brookfield公司生产Brookfield RS T-CC型流变仪。变频器型号为F1500-P0300T3C-1，由瑞欧传动电气有限公司生产。隔膜煤浆泵型号为TZPM80，来源于荷兰GeHo公司。管路中水力坡度和流量分别采用江苏仪华测控仪表有限公司生产的DYMC3351DP型双法兰压差变送器和四川华海测控技术有限公司生产的Focmag3102型电磁流量计测定。

水煤浆管道流动水力坡度测试装置见图1[9]。管路材质为无缝钢管，总体长度为60 m，内径分别为35 mm和50 mm。实验中，变频器(3)可以连续改变浆体泵的电机(2)工作电源频率，而达到系统流量无极调速。泄流阀(4)是为了管道的安全而设置，也可以根据需要人为操作排空管道中浆体。热交换器(8)的作用是在水煤浆流动中，维持浆体温度恒定在20 ℃。通过电磁流量计(5)可以得到水煤浆流量数据。通过双法兰压差变送器(9)获得一定流量下水煤浆水力坡度值。

图1 实验装置Fig.1 Experimental device diagram1—Slurry pump；2—Motor；3—Frequency transformer；4—Bleeder valve；5—Electromagnetic flowmeter；6—Slurry tank；7—Compressed air valve；8—Heat exchanger；9—Double flange differential pressure transmitter；10—Test pipeline

1.2 实验步骤

实验中水煤浆的质量分数为66%～72%，分散剂质量分数为0.410%～1.787%(分散剂占干煤粉的质量分数)。稳定剂质量分数为0%～0.7%(稳定剂占干煤粉的质量分数)。此处表观黏度定义为给定剪切速率100 s-1条件下，剪切应力与剪切速率的比值[10-11]。

配置水煤浆时，根据计算用电子天平称取所需的水、分散剂和煤粉，将前两者混合，充分搅拌后，再将煤粉加入搅拌，配置成水煤浆。

1.2.1 颗粒级配确定

用破碎机将原煤破碎到粒径20 mm以下，再利用超细立式磨粉机，磨制成超细煤粉，通过筛分和旋流器分级，再通过级配成浆实验得到最佳级配，使用Mastersizer 2000粒度分析仪对样品级配进行分析。

1.2.2 极限沉降浓度确定

配置三等份质量分数66%的水煤浆(其中分散剂质量分数的变化范围为0.410%～1.787%)。其中一份加入稳定剂。分别测试极限沉降浓度、表观黏度和加稳定剂后的表观黏度值。极限沉降浓度测定具体做法为：将煤浆样品放置于玻璃试管中，自然沉降48 h，除去上清液，试管下部高浓度浆状混合物干燥后与干燥前的质量比，即为水煤浆极限沉降浓度[12-13]。

1.2.3 表观黏度测试

除了测试上述分散剂质量分数变化时水煤浆的表观黏度外，再配置100 mL质量分数为72%(分散剂质量分数为1.000%)的水煤浆，分为两等份，其中一份加入稳定剂搅拌，分别测量表观黏度；然后将上述两份水煤浆分别加水依次稀释到70%，68%和66%，分别测量表观黏度。

1.2.4 析水率测试

分别配置50 mL稳定剂质量分数为0%，0.3%，0.5%和0.7%的质量分数66%的水煤浆样品四等份，将其等量放入数个试管中，液面用液体石蜡密封，静置5 d后，测定析水高度(上层清液高度)占浆体原来高度的比例，即为煤浆析水率[5]。

1.2.5 剪切应力和剪切速率关系测试

配置一定量分散剂质量分数分别为0.5%，0.8%和1.0%的质量分数66%的水煤浆三等份，用流变仪分别测定剪切速率和剪切应力数据；配置50 mL分散剂为1.0%的质量分数72%的水煤浆，测量剪切速率和剪切应力数据后，将上述煤浆分别加水依次稀释到70%(质量分数，下同)，68%和66%，分别测量剪切速率和剪切应力数据；配置50 mL分散剂质量分数为1.0%的质量分数66%的煤浆四等份，分别加入相应剂量的稳定剂，形成稳定剂质量分数分别为0%，0.3%，0.5%和0.7%的水煤浆，分别测定剪切速率和剪切应力数据。

1.2.6 水力坡度测试

配置50 L分散剂质量分数分别为0.5%，0.8%和1.0%的质量分数66%的水煤浆三等份，依靠压缩空气和泵吸力使其进入内径为35 mm的管道，通过变频器控制流量变化，分别测定各种分散剂质量分数下流量和水力坡度值。配置100 L分散剂质量分数为1.0%的质量分数72%的水煤浆，水煤浆进入内径50 mm管路后测试流量和水力坡度值。测试完毕后排出管路的浆体重新加水，分别稀释至70%，68%和66%，再次进行实验，测试水煤浆各种质量分数下流量和水力坡度值。分别配置50 L分散剂质量分数为1.0%，稳定剂质量分数分别为0%，0.3%，0.5%和0.7%的质量分数66%的水煤浆，使其进入内径35 mm的管道进行输送，测试不同稳定剂质量分数水煤浆的流量和水力坡度值。

2 结果与讨论

2.1 颗粒级配

为制取最佳质量分数的水煤浆，理论上参考Dinger模型理想分布[14]，再结合多峰级配成浆实验，将煤颗粒分为四种粒度级：0.147 mm～0.200 mm，0.074 mm～0.147 mm，0.044 mm～0.074 mm及小于0.044 mm。多次实验后确定四种颗粒的最佳质量比为10∶15∶17∶58，当分散剂质量分数为1.0%，浆体最高制浆质量分数为72%时，浆体静置24 h未发现水析出，黏度为1 182.8 mPa·s(小于1 200 mPa·s)。实验确定的颗粒级配如图2所示。由图2可知，煤颗粒粒径范围为6 μm～200 μm，d50为35 μm。

图2 煤颗粒级配曲线Fig.2 Curve of particle size distribution

2.2 水煤浆的极限沉降浓度和表观黏度

当不添加稳定剂和添加质量分数5%的稳定剂时，质量分数66%的水煤浆极限沉降浓度的测试结果如表2所示。

表2 分散剂质量分数对水煤浆的极限沉降浓度和表观黏度的影响Table 2 Effects of mass fraction of dispersant on ultimate settling concentration and apparent viscosity of coal water slurry

由表2可以看出，随着分散剂质量分数增加，质量分数66%的水煤浆的极限沉降浓度先增加后降低，极限沉降浓度的最大值为78.03%。这表明，可通过调节分散剂质量分数改变极限沉降浓度。对比表2和2.1分析结果还可以看出，分散剂质量分数为1.000%时，本研究中极限沉降浓度比最高制浆浓度大3.78%。这与祁赟朴等[12]得出极限制浆浓度大于极限沉降浓度的结论不同，原因在于本研究中最大制浆浓度考虑了析水和黏度因素。由表2还可知，无论是否有稳定剂，随着分散剂质量分数增加，水煤浆的表观黏度先降低后增加。原因在于：分散剂质量分数较低时，月桂醇聚氧乙烯醚的亲水端(聚氧乙烯链)将会与水分子中的氢原子形成氢键，疏水端吸附在煤颗粒表面的疏水微区上，这样就在煤颗粒表面形成一层水化膜，使煤颗粒表面原有的疏水表面转换为亲水表面，分散在连续相水中[7,15]，从而形成随分散剂质量分数增加表观黏度降低的现象。当分散剂达到一定质量分数时，水煤浆表观黏度会增大，这是由于：首先，月桂醇聚氧乙烯醚分散剂属于一种高分子聚合物，质量分数高会导致水煤浆的表观黏度增加；其次，高质量分数分散剂会在煤颗粒表面形成多层吸附，增加表观黏度；最后，分散剂溶于水产生水化作用，导致自由水减小，增加黏度[15]。水煤浆的表观黏度存在一个最小值442.31×10-3Pa·s(有稳定剂时为903.85×10-3Pa·s)，最小值对应的分散剂质量分数为1.000%，这与其他非离子型分散剂作用类似[16]。而质量分数0.5%稳定剂的加入显然在很大程度上增加了水煤浆的表观黏度(增幅为53.06%～124.23%)，且随着分散剂质量分数增加，增幅逐渐减小。

水煤浆的质量分数与表观黏度的关系如表3所示。由表3可知，随着水煤浆质量分数增加，表观黏度呈现增加的趋势，且相同水煤浆质量分数条件下，稳定剂加入后，表观黏度增加，增幅为38.40%～260.00%。这是由于对于同一种煤，水煤浆的表观黏度与其质量分数呈正相关。稳定剂增加表观黏度的原因在于，针状海泡石颗粒遇到水能够迅速溶胀，形成无规律分散且互相制约的单体纤维或纤维束，同时增加了体积，大大增加了水煤浆的表观黏度和稳定性。

表3 水煤浆的质量分数与表观黏度的关系Table 3 Relationship between mass fraction and apparent viscosity of coal water slurry

2.3 水煤浆的析水率

图3所示为水煤浆的析水率与稳定剂质量分数的关系。由图3可看出，随着稳定剂质量分数增加，质量分数66%的水煤浆析水率先降低，稳定剂质量分数达到0.5%后，析水率值保持0.2%恒定不变。这说明稳定剂质量分数超过0.5%后，对浆体的稳定性不产生较大的影响。虽然水煤浆中的稳定剂超过一定限度后，继续增加用量，不会再显著增强水煤浆的稳定性，但可能显著增加表观黏度(如表2所示)，这对分散剂降黏不利。因此，本实验中稳定剂最佳质量分数确定为0.5%。

图3 浆体析水率与稳定剂质量分数的关系Fig.3 Relationship between water separating proportion and mass fraction of stabilizer

2.4 剪切应力和剪切速率的关系

实验测试的剪切应力和剪切速率数据曲线见图4～图6。显然，质量分数分别为66%～72%的水煤浆符合假塑性体及膨塑流体特征。故存在下面关系：

τ=Kγn

(1)

式中：τ为切应力，Pa；γ为切变率，s-1；K为稠度系数，Pa·sn(n为流动指数)。

实验数据的回归方程为：

lnτ=lnK+nlnγ

(2)

通过绘制切应力-切变率曲线图，将lnτ作为lnγ的函数，进行线性回归拟合，得到参数K和n的值。不同情况下K和n拟合结果见表4～表6。

图4所示为质量分数66%水煤浆中分散剂质量分数逐渐增大时，剪切应力和剪切速率拟合曲线。由图4可以看出，同一剪切率下，剪应力随着分散剂质量分数的增大而减小。当分散剂质量分数为0.5%时，呈现明显的假塑性体流体特征。这是由于分散剂质量分数(小于1.0%)增大导致水煤浆的表观黏度降低(见表2)，从而导致剪应力降低。表4所示为图4数据的拟合结果。由表4可知，随着分散剂质量分数增大，稠度系数K有减小的趋势，同时流动指数n也随着分散剂质量分数增大而增大。鉴于稠度系数K值越小，浆体越稀，黏度就越低[17]。因此，由表4还可知，随着分散剂质量分数逐渐增大，在0 s-1～400 s-1剪切速率区间表观黏度逐渐降低，而同时水煤浆的假塑性特征逐渐减弱。

图4 分散剂质量分数对流变特性的影响Fig.4 Effect of mass fraction of dispersant on rheological characteristic□—Mass fraction of dispersant is 0.5%；×—Mass fraction of dispersant is 0.8%；○—Mass fraction of dispersant is 1.0%；—Pseudoplastic body fitting

表4 分散剂质量分数对流变参数的影响Table 4 Effect of mass fraction of dispersant on rheological parameters

图5所示为分散剂质量分数为1.0%时，水煤浆质量分数变化时，剪切应力和剪切速率的拟合曲线。表5所示为图5数据的拟合结果。由图5可看出，同一剪切率下，浆体质量分数越大，剪应力越大。由表5可以看出，随浆体质量分数的增加，流动指数n和稠度系数K均呈现增大趋势，说明随着浆体质量分数的增加，浆体表观黏度逐渐增大，同时流体逐渐由假塑性流体过渡到胀塑性流体[14]。

图5 水煤浆质量分数对流变特性的影响Fig.5 Effect of mass fraction of coal water slurry on rheological characteristic□—Mass fraction of coal water slurry is 66%；×—Mass fraction of coal water slurry is 68%；○—Mass fraction of coal water slurry is 70%；△—Mass fraction of coal water slurry is 72%；—Pseudoplastic body fitting

表5 水煤浆质量分数对流变参数的影响Table 5 Effect of mass fraction of coal water slurry on rheological parameters

图6所示为稳定剂质量分数变化对流变特性的影响。由图6可以看出，分散剂质量分数为1.0%的质量分数66%的水煤浆随着稳定剂质量分数的增加，剪切应力先增大后减小，最后恒定不变。由图6还可以看出，稳定剂质量分数由0.5%增大到0.7%时，流变曲线变化幅度很小，两者基本重合。这表明稳定剂质量分数超过0.5%时，其对水煤浆的表观黏度已无大的影响。

表6所示为图6各曲线的拟合结果。由表6可以看出，随着稳定剂质量分数的增加，流动指数n逐渐减小，稠度系数K逐渐增加。这是由于，稳定剂质量分数的增加会导致水煤浆越来越稠，黏度越来越大，同时假塑性特征随稳定剂质量分数的升高而增强。

图6 稳定剂质量分数对流变特性的影响Fig.6 Effect of mass fraction of stabilizer on rheological characteristic□—Mass fraction of stabilizer is 0%；×—Mass fraction of stabilizer is 0.3%；◇—Mass fraction of stabilizer is 0.5%；△—Mass fraction of stabilizer is 0.7%；—Pseudo-plastic body fitting

表6 稳定剂质量分数对流变参数的影响Table 6 Effect of mass fraction of stabilizer on rheological parameters

2.5 水力坡度

图7～图9所示为水煤浆管道输送的水力坡度与泵流量关系测试结果。由图7～图9可以看出，水煤浆流量在0.5×10-3m3/s～2.5×10-3m3/s范围逐渐增大时，煤浆水力坡度增大，稳定剂质量分数变化对水力坡度的影响相对较小。

图7a所示为质量分数66%的水煤浆依次加入质量分数分别为0.5%，0.8%和1.0%的分散剂后，在35 mm管道中流动的水力坡度值与流量的关系。由图7a可以看出，在水煤浆中分散剂质量分数越大，水力坡度值越小。这种现象可由表2得到解释，分散剂由0.5%增加大1.0%的过程中，水煤浆的表观黏度呈现逐渐降低趋势，直接导致水力坡度降低。这说明，水煤浆管道输送时采用月桂醇聚氧乙烯醚作为分散剂的减阻效果明显。

图7 分散剂质量分数、水煤浆质量分数和稳定剂质量分数对水力坡度的影响Fig.7 Effect of mass fraction of dispersant, mass fraction of coal water slurry and mass fraction of stablizeron hydraulic gradienta—Mass fraction of dispersant；b—Mass fraction of coal water slurry；c—Mass fraction of stablizer

图7b所示为水煤浆质量分数对水力坡度的影响。由图7b可以看出，在管径为50 mm的煤浆管道中，分散剂质量分数为1.0%时，水煤浆质量分数越大，水力坡度就越大。这是由于浆体黏度与水煤浆质量分数正相关，因而质量分数较大会导致黏度较大，从而输送水力坡度就越大。

图7c所示为稳定剂质量分数对水力坡度的影响。由图7c可以看出，分散剂质量分数为1.0%时，质量分数66%水煤浆在管径为35 mm的管道中输送时，加入的稳定剂质量分数逐渐由0.3%增加到0.7%时，浆体输送水力坡度也相应增加，但是增加的趋势有所降低。再结合图3的分析可知，稳定剂质量分数超过0.5%后，其对浆体稳定性和水力坡度的影响已较小。这是由于稳定剂质量分数的增加会导致黏度增大，从而增加了水力坡度值。

3 水力坡度理论分析

3.1 水力坡度计算公式推导

通过前面的实验数据分析，已确定研究中水煤浆符合假塑性流体及胀塑流体流动特征，其层流到紊流过渡雷诺数Red定义为：

(3)

式中：ρm为水煤浆密度，kg/m3；Vm为水煤浆管道输送平均流速，m/s；D为管道直径，m；μe为有效黏度(Pa·s)。μe可用下式计算[18]：

(4)

通过计算，发现本实验中各种流速下，水煤浆浆体雷诺数Red范围为8.27～710.24。非牛顿流体流动指数n接近1时，可采用与牛顿流体相同的方法确定其是层流还是紊流流动而不会造成较大偏差[19]。一般认为牛顿体雷诺数小于2 100～2 300时为层流，大于4 000为紊流。由此断定，本实验中水煤浆管道输送均为层流流动。

根据雷诺数定义，再结合式(3)和式(4)，可以得到：

(5)

则根据阻力系数λ定义，存在：

(6)

均质浆体水力坡度公式为[20]：

(7)

式中：im为浆体管道流动水力坡度，Pa/m。式(7)可以看作是基于流变参数n和K的高质量分数水煤浆水力坡坡度计算公式。

3.2 水力坡度计算公式验证

采用式(7)得到的水煤浆输送水力坡度计算值与实测水力坡度的对比见图8。由图8可以看出，均质浆体阻力计算公式(7)的计算值与实测值的偏差不超过18%。这说明式(7)可以对水煤浆输送水力坡度进行一定程度的预测。

图8 水力坡度计算值与实测值的对比Fig.8 Comparison between calculated value and measured value of hydraulic gradient

造成式(7)水力坡度计算值与实测值有一定偏差的原因可能为：水煤浆以层流形式输送时，切变率较小，限于流变参数采用的仪器尺寸等因素导致偏差；流变参数n和K通过数据拟合确定时导致偏差；此外，利用电磁流量计和法兰压差变送器在测试数据中也可能存在一定偏差。

通过水力坡度的实验研究和理论分析，发现本实验所研究的高质量分数水煤浆在相同流量时的水力坡度值与分散剂质量分数负相关，与水煤浆质量分数和稳定剂质量分数正相关，且水力坡度值可用含流变参数n和K的均质浆体水力坡度公式计算。

4 结 论

1) 分散剂质量分数为1.0%时，最高制浆质量分数为72%；分散剂质量分数变化时，质量分数66%水煤浆的极限沉降浓度存在最大值78.03%；分散剂质量分数为1.0%时，极限沉降浓度比最高制浆质量分数大3.78%。

2) 分散剂质量分数变化时，质量分数66%水煤浆的表观黏度存在最小值442.31×10-3Pa·s(有稳定剂时为903.85×10-3Pa·s)，对应分散剂质量分数为1.0%；质量分数0.5%稳定剂的加入可以增加水煤浆的表观黏度；表观黏度随着水煤浆质量分数增加而增大；稳定剂质量分数增加时，质量分数66%的水煤浆析水率先降低，达到0.2%后恒定不变。

3) 随着质量分数66%水煤浆的分散剂质量分数增大，剪应力减小，表观黏度降低，假塑性特征逐渐减弱；分散剂质量分数为1.0%时，随着水煤浆质量分数增大，剪应力和表观黏度也增大，水煤浆从假塑性流体过渡到胀塑性流体；质量分数66%水煤浆随着稳定剂质量分数增加，剪切应力先增后减，最后恒定不变，稳定剂质量分数超过0.5%时，对表观黏度已无影响。

4) 随着分散剂质量分数增大，质量分数66%水煤浆的水力坡度逐渐降低；水煤浆的质量分数越大，水力坡度越大；当稳定剂质量分数增大时，水力坡度先增加，当稳定剂质量分数超过0.5%后，其对水力坡度的影响已很小。假塑性流体及胀塑流体水力坡度可通过先确定流变参数n和K，后采用均质浆体水力坡度公式计算，计算值与实测值最大偏差不超过18%。