关于搅拌剪切对水煤浆性能影响的探讨

宫 勋， 王俊涛

(中盐安徽红四方股份有限公司， 合肥 231607)

根据水煤浆气化生产工艺的特点，要求原料煤具有较好的反应活性和较高的发热值，故水煤浆气化一般宜选用煤化程度仅高于褐煤的烟煤作为原料，即长焰煤、气煤。水煤浆气化，除了对原料煤煤质有一定要求外，对其研磨制备成的水煤浆性能也有一定要求。

水煤浆性能的主要指标有浓度、黏度、流动性、稳定性[1]，各项指标之间存在一定的关联性和制约性。提高水煤浆浓度，会导致其黏度升高、流动性变差；降低水煤浆黏度，会导致其流动性增强、稳定性变差[2]。性能好的水煤浆应具有高浓度、低黏度以及合适的流动性及稳定性特点。

水煤浆是一种固液两相混合物，不受外力的作用时，容易发生固液分离现象。一旦固体颗粒沉淀，随之而来的便是其周围水煤浆的浓度、黏度及屈服应力降低，可能导致更多的颗粒沉淀。这种沉淀不但不利于水煤浆的输送，而且容易堵塞输送管道。同时，作为水煤浆气化用浆，还影响水煤浆的雾化及气化反应。为了使浆体分散、混合、悬浮，或使之与添加剂充分接触以加速其熟化，搅拌是水煤浆制备过程中不可缺少的工艺环节[3]。

1 搅拌剪切对水煤浆的影响

经研究发现：有些水煤浆受搅拌剪切作用后,其黏度下降，屈服应力增加，触变性增强，从而稳定性得到提高；有些水煤浆受搅拌剪切作用后，其黏度显著增加。这说明在不同的搅拌剪切作用下，性质不同的水煤浆其耐搅拌性能是不同的，原因如下：

(1) 适当搅拌，可促进添加剂与煤颗粒间的接触，有利于两者之间的相互作用。这种剪切作用有利于改善水煤浆的流动性和稳定性。

(2) 搅拌可促进添加剂与水煤浆中其它物质的接触，发生相互作用或反应。另外，少量的添加剂可能会被吸附到煤颗粒空隙中去，导致这部分添加剂未起到应有的作用。

(3) 搅拌会破坏部分添加剂与煤颗粒之间的吸附作用，但这些添加剂还存在水中，并没有被消耗。经适当搅拌剪切后,水煤浆可重新发挥作用。

(4) 过度的搅拌，会增加水煤浆中颗粒碰撞的几率,碰撞强度大大增强[4]，形成空间结构物，导致水煤浆的流动性显著变差甚至完全不能流动。由于离心泵的剪切强度很大，所以，一般不建议用离心泵输送高浓度水煤浆。

图1和图2分别为中盐安徽红四方股份有限公司(简称红四方)一期和二期气化装置中小煤浆槽、大煤浆槽的水煤浆黏度分析数据图。

图1 一期气化装置煤浆黏度

图2 二期气化装置煤浆黏度

总体来看，大煤浆槽的水煤浆黏度均低于相对应的小煤浆槽的水煤浆黏度，说明水煤浆受到搅拌剪切作用后有利于改善其流动性和稳定性。

2 桨叶及挡板的安装要求

适当的搅拌可以改善水煤浆槽内的水煤浆性能，但过度的搅拌剪切会导致水煤浆性能变差。为了达到预期的搅拌效果，水煤浆槽内的桨叶、挡板安装有一定技术要求。

2.1 桨叶

通常，水煤浆槽搅拌器采用螺旋桨叶，即桨叶叶片安装与水平方向呈一定倾斜夹角。搅拌器工作时，在桨叶的推动下，水煤浆除了水平方向做圆周运动外，还做垂直方向的上扬或下沉运动，使水煤浆得到充分搅拌。

(1) 桨叶转速及作用方向

过度的搅拌剪切，不但增加搅拌无用能耗，而且会导致水煤浆性能下降。搅拌器的转速应控制在20～40 r/min 。水煤浆做上扬或下沉运动取决于桨叶的径向旋转方向。相对来说，上扬运动有利于水煤浆的搅拌剪切，但需克服其自身重力，故导致搅拌器扭矩和能耗增加。在水煤浆槽搅拌器的推动下，通常水煤浆呈水平圆周、垂直下沉运动。

通过观察水煤浆的运动轨迹，可以判断水煤浆槽搅拌器对水煤浆垂直方向的作用方式是上扬或下沉。透过水煤浆槽顶观察孔观察水煤浆槽液面，水煤浆在做圆周运动的同时，还做径向运动。若水煤浆由液面中心区域流向水煤浆槽壁，则可判断水煤浆做垂直方向的上扬运动；若水煤浆由水煤浆槽壁流向液面中心区域，则可判断水煤浆做垂直方向的下沉运动。

(2) 桨叶与水煤浆槽间的直径比

若桨叶与水煤浆槽间的直径比过小，则搅拌作用达不到水煤浆槽壁的周边区域，导致此区域水煤浆受到的搅拌作用不足；若桨叶与水煤浆槽间的直径比过大，则桨叶与水煤浆槽壁间的空间窄小，会削弱轴向循环流，不利于搅拌，并增加水煤浆对水煤浆槽壁的冲击力。通常控制桨叶与水煤浆槽间直径比为0.35～0.50。红四方一期和二期大煤浆槽的直径比分别为0.38、0.37/0.25(一期大煤浆槽双层桨叶直径均为320 mm，二期大煤浆槽上下层桨叶直径分别为4 115 mm、4 675 mm)。

(3) 桨叶的安装位置

为了确保搅拌达到预期效果，通常水煤浆槽搅拌器采用双层螺旋桨叶。水煤浆在搅拌器桨叶的推动下，会在桨叶的上下形成两股循环流。既要确保上层桨叶的上循环流能够达到水煤浆的液面，又要确保下层桨叶的下循环流能够达到水煤浆槽底，同时还要确保上层桨叶的下循环流与下层桨叶的上循环流能够产生交集，故对桨叶的安装位置也应有一定的要求。

2.2 挡板

水煤浆在桨叶推动下做圆周运动的同时，容易产生涡流。为了消除涡流，往往在水煤浆槽内设置垂直挡板，其作用是抑制水煤浆的切向流，增加湍流和对流循环强度，从而增强搅拌效果。

(1) 挡板宽度

增加挡板宽度，可加大桨叶与水煤浆的接触面积，提高搅拌效率。随着挡板宽度进一步增加，势必降低搅拌器对水煤浆槽边缘水煤浆的搅拌效果，故挡板的宽度应在合适范围内。红四方一期和二期大煤浆槽挡板设计宽度均为300 mm。

(2) 挡板空隙

水煤浆槽内壁设置垂直挡板，目的为了增强搅拌效果。若挡板贴合水煤浆槽内壁安装，在挡板与水煤浆内壁交接处，容易产生死角，抑制该区域的水煤浆运动，甚至抑制了水煤浆槽边缘水煤浆的运动，故挡板与水煤浆槽内壁之间应预留一定距离的空隙。红四方一期和二期大煤浆槽挡板空隙设计距离均为100 mm。

3 结语

选择合适的搅拌器和挡板，有利于水煤浆颗粒与添加剂之间的相互作用，改善水煤浆的流动性和稳定性。