基于管流法和旋转法的洗煤泥流变特性比较研究*

张圆圆 陈春瑞 赵文鑫 赵沛祯 王鹏程 杨凤玲

(1.山西大学CO2减排与资源化利用教育部工程研究中心，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室，030006 太原；2.山西河坡发电有限责任公司，045000 山西阳泉)

0 引 言

洗煤泥是煤炭洗选过程中产生的废弃物[1]，是一种高浓度黏稠膏体，属于典型的非牛顿流体。其遇水即流失、风干易飞扬[2]的特点限制了煤泥的资源化利用。然而，收到基低位发热量约在8 MJ/kg～17 MJ/kg的洗煤泥[3]又是一种低热值燃料。利用煤泥进行循环流化床燃烧发电，不仅可以实现煤基废弃物的资源化利用，而且可以降低电厂燃料成本，在创造经济效益的同时，解决环境污染问题。

在煤泥用于循环流化床燃烧的过程中，管道输送是循环流化床大规模投用煤泥的重要环节，准确测定煤泥的流变特性，并获取流变参数对煤泥输送管道的设计及运行有理论指导价值。目前，测定煤泥流变特性的主要方法有管流法和旋转法。在管流法测定煤泥流变特性方面，唐晓明等[4-5]采用管流法研究了含水率、剪切速率对洗煤泥流变特性的影响规律，发现含水率越小，管道输送屈服应力越大；随着洗煤泥剪切速率的增大，剪切应力也增大。TSAI et al[6]采用管流法研究了煤粉含量、粒度、粒度分布及温度对煤泥流变性能的影响，发现煤泥黏度随着煤粉含量的增多而变大；粒度越小，黏度越大；温度增大，黏度相对降低。吕帅[7]采用挤压泵管道循环回送装置进行了印尼褐煤煤泥浆管道流变特性的实验，通过拟合回归分析，用双对数曲线表征了煤泥膏体的流变特性。潘清波等[8]得到了煤泥膏体流速与表观黏度、剪切速率、剪切应力的关系，发现随着煤泥膏体流速的增大，剪切速率随之增大；煤泥表观黏度随着剪切速率的增大而减小；煤泥剪切应力随着剪切速率增大而增大。GAO et al[9]确定了煤泥(浓度为57.06%～45.44%)在不同管径下输送的流变模型，发现浓度为57.06%～45.44%的煤泥属于剪切变稀的假塑性非牛顿流体。陈丹丹等[10-11]通过Herschel-Bulkley模型拟合确定了浆体浓度在39.24%～41.48%的煤泥属于假塑性流体，浓度在42.32%～43.33%的煤泥属于屈服假塑性流体。在旋转法测定煤泥流变特性方面，有学者[12-15]采用流变仪分析探究了剪切速率、煤泥浓度对煤泥流变特性的影响规律，发现随着剪切速率的增大，煤泥表观黏度呈现减小的趋势；随着煤泥浓度的增大，煤泥的表观黏度增大。另外，有多位学者[16-23]采用旋转黏度计分析探究了不同含水率的煤泥剪切速率、剪切应力、表观黏度的关系，并通过关系曲线分析出煤泥的流变状态随含水率的增大，由宾汉性流体转变为假塑性流体。然而，目前关于运用管流法和旋转法同时测定并比较煤泥流变特性的研究还少有报道。

本研究以洗煤泥为研究对象，同时采用管流法和旋转法探究了含水率、剪切速率、剪切时间对煤泥流变特性的影响，并对两种方法所得流变特性进行系统比较，为煤泥流变特性的评价及管道输送设计提供重要理论参考。

1 实验部分

1.1 样品性质及制备

实验所用煤泥样品采自山西省长治市宏鲁洗煤厂，煤泥的基本理化特性如表1所示。样品的工业分析采用智能马弗炉(CTW-500B，中国)，按照GB/T 212-2008进行测定。

表1 洗煤泥的工业分析(%*)Table 1 Proximate analysis of coal slime(%*)

不同含水率煤泥样品的制备：通过原料煤泥含水率的测定，根据实验目标含水率，加水配置成不同含水率的煤泥样品备用。

1.2 实验装置

煤泥的流变特性通过管流法和旋转法测定。

管流法实验采用自行搭建的垂直+水平管路压降装置(如图1所示)，该装置主要由管道、压力表、单螺杆泵、变频器和物料储存筒等部分构成。其中管道采用镀锌不锈钢管，内径为40 mm，整个管路等径连通；压力表选用隔膜压力表(最大量程为1 MPa)，管路上共安装了6个隔膜压力表，每个压力表的示数依次为p1，p2，p3，p4，p5，p6，其中p4和p5为实验取点，两点相距L=1.0 m；变频器最大频率为50 Hz，实验过程中通过改变变频器频率来控制物料泵送的流速。

图1 垂直+水平管路压降装置Fig.1 Schematic diagram of vertical+horizontal pipeline pressure drop device1—Pipeline；2—Pressure gage；3—Helical rotor pump；4—Transducer；5—Check valve；6—Material barrel

旋转法实验采用旋转流变仪(Malvern Kinexus lab+)来进行，装置如图2所示，主要由流变仪、主机、显示器三部分组成，通过设定剪切速率可得到不同含水率下的膏体流变特性曲线，通过转子转动可测定样品的表观黏度等一些基本流变参数。

图2 Malvern Kinexus lab+旋转流变仪Fig.2 Schematic diagram of rotary rheometer of Malvern Kinexus lab+

1.3 实验方法

1.3.1 测试方法

1) 管流法。将不同含水率(27.6%，31.2%，35.3%，质量分数)的煤泥，倒入垂直+水平管路压降装置中循环泵送3 min，保证物料的均匀性。实验开始后，依次改变变频器频率从5 Hz到50 Hz(频率梯度为5 Hz)，在每种工况下，读取并记录压力表p4和p5的示数，同时运用量筒称重法测定计算管路出口处的流速v。

2) 旋转法。实验参数：环境温度为25 ℃，初始剪切速率为10 s-1，结束剪切速率为350 s-1，单次剪切时间为5 min。在研究剪切时间对煤泥或污泥流变特性的影响时，给定两种剪切速率35 s-1和70 s-1，剪切时间取6 min，每30 s取一个点。

1.3.2 数据处理方法

管流法实验中，对于煤泥在管道中流动，其管壁面剪切应力τw和剪切速率Sw满足幂定律本构方程，即

(1)

式中：τ0为屈服剪切应力；K为幂定律系数；n为幂定律指数。

根据力平衡关系可知τw与管径D、单位管长压降ΔpH/L的关系为：

ΔpH=p4-p5-ρgh

(2)

(3)

式中：ΔpH为压降，MPa；ρ为对应含水率下煤混膏体的密度，kg/m3；h为p4到p5的垂直高度，m。

即测得D，ΔpH，L，可计算出对应的剪切应力τw。

(4)

(5)

(6)

式中：n′为修正幂定律指数，通过双对数曲线拟合可得；Qm为煤混膏体的质量流量，kg/s。

根据式(1)～式(6)可计算得到每种工况下的剪切速率和剪切应力。煤泥膏体表观黏度为剪切应力与剪切速率的商值。

2 结果与讨论

2.1 含水率对煤泥流变特性的影响

2.1.1 基于管流法的煤泥膏体流变特性

图3所示为基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏体的单位管长压降随频率的变化曲线。由图3可以看出，对于三种含水率的煤泥，随着频率的增大，单位管长压降均呈增大的趋势。对同一频率不同含水率的煤泥而言，随着含水率的增加，单位管长压降逐渐减小，即煤泥的含水率越低，泵送所需要的能耗就相对越高。含水率为27.6%的煤泥膏体在低频率(5 Hz)下的单位管长压降约为含水率为35.3%的煤泥膏体单位管长压降的3倍。含水率为27.6%的煤泥膏体的单位管长压降随频率的增加尤为显著，这表明当煤泥膏体的含水率较低时，管道泵送所需要的能耗更高，且随着泵送频率的增大(即流速加快)，所需要的能耗也会显著增加。

图3 基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏体的单位管长压降随频率的变化曲线Fig.3 Variation curves of pressure drop per unit pipe length of slime paste with different moisture contents as a function of frequency based on tube-flowing method

图4所示为基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏体的剪切速率-剪切应力关系曲线。由图4可以看出，对同一含水率下的煤泥膏体，随着剪切速率的增大，剪切应力均呈增大的趋势。对同一剪切速率不同含水率的煤泥而言，随着含水率的降低，剪切应力逐渐增大。当剪切速率大于200 s-1之后，含水率为27.6%的煤泥膏体的剪切应力相比其他两种膏体的剪切应力增加的趋势更加显著。这同样说明随着含水率的减小，剪切应力越来越大，即应力越大，泵送需要的能耗越高。

图4 基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏体的剪切速率-剪切应力关系曲线Fig.4 Shear rate-shear stress relationship curves of slime paste with different moisture contents based on tube-flowing method

图5所示为基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏体的剪切速率-表观黏度关系曲线。由图5可以看出，对同一含水率的煤泥膏体，随着剪切速率的增大，表观黏度均呈现减小的趋势。对同一剪切速率不同含水率的煤泥而言，随着含水率的增大，表观黏度逐渐减小。由图5还可以看出，相比于高剪切速率条件，低剪切速率下的煤泥膏体表观黏度减小的趋势更加显著。通过图5可知含水率是影响煤泥膏体流变特性的一个主要因素。随着含水率的减小，膏体越稠，黏度也越大，管道泵送过程中的沿程阻力越大，相应的泵送所需要的能耗也越高。

图5 基于管流法得到的不同含水率的煤泥膏体的剪切速率-表观黏度关系曲线Fig.5 Shear rate-apparent viscosity relationship curves of slime paste with different moisture contents based on tube-flowing method

2.1.2 基于旋转法的煤泥膏体流变特性

图6所示为基于旋转法得到的不同含水率的煤泥膏体的Bingham模型或Herschel-Bulkley模型拟合曲线。由图6可知，通过Bingham模型拟合发现，含水率为27.6%的煤泥膏体属于宾汉性流体；通过Herschel-Bulkley模型拟合发现，含水率为31.2%和35.3%的煤泥膏体属于屈服假塑性流体。

图6 基于旋转法得到的不同含水率的煤泥膏体的Bingham模型或Herschel-Bulkley模型拟合曲线Fig.6 Fitting curves of Bingham model or Herschel-Bulkley model for slime paste with different moisture contents based on rotation method

三种含水率的煤泥膏体流变特性方程如表2所示。由流变特性方程可以看出，随着煤泥含水率的增大，煤泥的非牛顿流体类型从宾汉流体变化为屈服假塑性流体，而且屈服应力也随之减小。

表2 不同含水率的煤泥流变特性方程Table 2 Slime rheological properties equation with different moisture contents

图7所示为基于旋转法得到的不同含水率煤泥膏体的剪切速率-剪切应力曲线。由图7可以看出，对同一含水率不同剪切速率的煤泥，随着剪切速率的增加，剪切应力也随之增加。对同一剪切速率不同含水率的煤泥，随着含水率的增加，剪切应力随之减小。由表2可知，含水率为35.3%的洗煤泥屈服应力为88.95 Pa，而含水率为27.6%的洗煤泥屈服应力为652.85 Pa。平均计算可知每增加1%含水率，屈服应力增加73.32 Pa。低含水率的洗煤泥在高剪切速率下，剪切应力的增量越来越大。这表明随着含水率的降低，膏体稠度增大，流动需要克服的屈服应力增大，相应增大了泵送所需能耗。

图7 基于旋转法得到的不同含水率的煤泥膏体的剪切速率-剪切应力关系曲线Fig.7 Shear rate-shear stress relationship curves of slime paste with different moisture contents based on rotation method

图8所示为基于旋转法得到的不同含水率的煤泥膏体的剪切速率-表观黏度曲线。由图8可以看出，对同一含水率的洗煤泥，随着剪切速率的增大，表观黏度降低。含水率为27.6%的洗煤泥在初始剪切速率(12.3 s-1)时的黏度为42.33 Pa·s，而含水率为35.3%的洗煤泥在初始剪切速率(12.3 s-1)时的黏度为9.92 Pa·s。在低剪切速率下，对同一剪切速率不同含水率的煤泥，随着含水率的增大，黏度显著降低，这说明了高浓度的煤泥膏体黏度相对更大，且每增加1%含水率，黏度不呈线性增加，而是呈多倍数增加。

图8 基于旋转法得到的不同含水率的煤泥膏体的剪切速率-表观黏度关系曲线Fig.8 Shear rate-apparent viscosity relationship curves of slime paste with different moisture contents based on rotation method

2.2 剪切时间对煤泥流变特性的影响

图9所示为基于旋转法得到的定剪切速率(35 s-1，70 s-1)下不同含水率的煤泥的剪切时间-表观黏度曲线。由图9a可以看出，随着剪切时间的增加，含水率为25.73%的煤泥的表观黏度呈上升趋势，具有剪切变稠的特点；而含水率为30.87%的煤泥，随着剪切时间的增加，其表观黏度呈下降趋势，具有剪切变稀的特点。当含水率>31.20%时，剪切时间对煤泥表观黏度的影响变小，几乎可以忽略不计。当含水率≥33.78%时，煤泥的黏度极其稳定，不随剪切时间的变化发生变化。这表明在低剪切速率(35 s-1)下，适当增加含水率可降低剪切时间对煤泥流变特性的影响。由图9b可以发现，在含水率<31.20%时，煤泥膏体的黏度出现不稳定的状态。当含水率≥33.78%时，剪切时间对煤泥表观黏度的影响极小，几乎不随剪切时间的变化发生变化。

图9 25 ℃下剪切速率为35 s-1和70 s-1时不同含水率的煤泥的剪切时间-表观黏度关系曲线Fig.9 Relationship between shear time and apparent viscosity of coal slime with different moisture contents at 25 ℃ with shear rate of 35 s-1 and 70 s-1a—35 s-1；b—70 s-1

由图9可推测，表观黏度发生变化的主要原因为流变仪转子在转动的过程中使煤颗粒与水混合得更加均匀，其次高剪切速率改变了煤泥内部结构。为了使煤泥膏体泵送的过程中能耗更低，在实际应用中可以在不改变搅拌转速的情况下，增加搅拌时间来保证物料更加均匀。

2.3 两种测定方法对比分析

管流法可测得管道流速与压降之间的关系，在工程实践方面更具指导意义[4-5]，旋转法可提供剪切时间对煤泥膏体流变特性的影响规律[17]。为了客观评价两种测定方法，选取基于两种测定方法的同种含水率煤泥流变特性结果进行对比分析，结果见图10。由图10可以看出，对于同种含水率不同测定方法得到的煤泥流变特性，剪切应力随着剪切速率变化的趋势基本相同，但两种方法在所测数值上存在较大差异。其中旋转法得到的剪切应力曲线明显高于管流法得到的剪切应力曲线，若以基于旋转法的试验结果估算实际管道泵送能耗，将会导致估算能耗偏高。而管流法基于更接近电厂的泵送装置设计，所得到的结果更接近实际应用过程，对工程设计更具指导价值。

图10 不同测定方法下同种含水率的煤泥的剪切速率-剪切应力关系曲线Fig.10 Shear rate-shear stress relationship curves of coal slime with same moisture content under different determination methods

综合分析两种方法所测煤泥流变特性，可知：

1) 相比于旋转法，管流法可以提供管道泵送过程中管段的单位管长压降，且在量化数值上更接近实际应用过程，这对煤泥管道搭建更具现实指导意义。在管道设计的过程中，通过单位管长压降可计算整个泵送过程中的最小阻力损失，以便于确定泵的扬程及型号。

2) 旋转法可提供剪切时间对煤泥膏体流变特性的影响规律，这模拟了管道泵送之前的搅拌预处理过程，有助于获取合适的搅拌方案，从而为管道泵送提供理论数据参考。

3 结 论

1) 通过管流法和旋转法，发现煤泥膏体的剪切应力随着剪切速率的增大而增大，含水率对高浓度煤泥膏体的流变特性影响更加显著。含水率为27.6%的煤泥膏体经过Bingham模型拟合属于宾汉性流体，而含水率为31.2%和35.3%的煤泥膏体经过Herschel-Bulkley模型拟合属于屈服假塑性流体。

2) 剪切时间也会影响洗煤泥的流变特性，在剪切速率一定的情况下，适当增加含水率可以减小膏体的表观黏度，或者在剪切速率和含水率一定的情况下适当增加搅拌时间，可保证物料在泵送前更加均匀，降低泵送的能耗。

3) 通过比较管流法和旋转法测得的煤泥流变特性，发现两者在含水率对煤泥流变特性的影响上呈现相同的规律，但所测数值有较大差异。管流法可以提供管道泵送过程中垂直管段的单位管长压降，可以提供直接的工程参考。旋转法可提供剪切时间对煤泥膏体流变特性的影响规律，有助于获取合适的搅拌方案，从而为管道泵送提供理论数据参考。