水煤浆流变性描述公式和解释

1、水煤浆流变性描述公式和解释水煤浆是固液两相的非牛顿流体 .其流变性十分复杂，影响因素也较多，对 水煤浆输送和燃烧起决定性作用 . 水煤浆是由煤粉， 水和少量添加剂混合加工制 成的稳定流体 影响水煤浆成浆和流变特性的因素很多。 在一定范围内程度不同 地改变这些属性，可以提高输送以及使用的效率和安全性。描述水煤浆流变特性流变学属性水煤浆属于复杂的多相悬浮体系 ,施加剪切应力产生的速率梯度受到其内部 物理结构变化的影响 ,反过来内部的物理结构又会因剪切作用而引起变化 ,因此水 煤浆的流变特性呈现复杂多样性。从目前的研究看,水煤浆涵盖了牛顿流体和几乎各种类型的非牛顿流体。 由于具有较高的固相含量、 相

2、对较小的煤粉颗粒以及 添加剂的加入使煤粉颗粒与水紧密结合形成网状结构,多数水煤浆表现出显著的非牛顿流体特性。水煤浆的非牛顿流体特性通常具有如下特点:非单相性 ,即流变特性要用多个参数来表示 ;非单值性 ,粘度随剪切应力发生变化 ;非可逆性 ,粘度与 剪切作用的持续时间有关 ,即表现出一定的触变性。多数工业用水煤浆存在屈服 应力 ,在低剪切速率和高剪切速率下均呈现牛顿流体特性,在中等剪切速率下呈现剪切稀化特性 ,只有极少呈现胀流性流体特性。常用描述水煤浆流变特性常用的经验模型公式有 :牛顿流体 :T 二 口丫宾汉塑性模型 :t = t y+hp y幂率模型 :t =Kyn屈服-幂率模型:t =t

3、 y+KynCasson 模型：t 0.5= t y0.5+(hp y )0.5Sisko 模型t =hg+K 丫 nEL模型-t y= y /(A+B-1) a式中：t、t y分别为剪切应力和屈服应力，Pa;卩粘度,Pa- s;hp刚度系数,Pa -s;hx高剪切速率对应的极限剪切粘度,Pas;K稠度系数；n流变特性指数。以上流变模型也称作本构方程，模型中的各参数是需要通过试验确定的流变 参数，是水煤浆固有的物性参数。在流变特性研究中，可根据研究目的、对象和剪 切速率范围等选择不同的模型。由于水煤浆流变特性复杂，以上经验模型很难全面反映速率与响应之间特性，应用这类本构方程描述水煤浆的流动特性

4、时都会出 现一定偏差。在流变特性研究中，往往借用牛顿流体粘度的概念，即表观粘度或剪 切粘度来表征水煤浆的流动性。对非牛顿流体 ，表观粘度是剪切速率的函数，它能 够清晰地表明受到剪切作用时浆体抵抗变形的能力。因此，考察剪切粘度的影响 因素和变化规律对水煤浆流动特征的认识和工程应用具有十分重要的价值。囲氷浓；%m)du-篁蜡譯來0 一 - 0ZiffJCJ删速*, 5图2煤浆剪切应力写剪切速率的关系图I煤浆酸现帖度与漆度的关系1-3* 煤丫 20J g 占54用* 3-2* 煤, 200 0 占 61 册出 1泊(?) =OJP4-St ldyn = 1OSN1：*炼* 55%浓黄】2萨 煤，旳務

5、浓度200 冃占3鼠C%,2OQH 占5=5%试验还表明，水煤浆的表观粘度及剪切应力与剪切速率有关。水煤浆浓度在35% 左右时，它们之间的关系仍呈线性。当水煤浆浓度进一步提高，就会出现剪切速 率增加，其表观粘度的降低及剪切应力的增加趋势将愈益显著， 并开始偏离线性关系。直至水煤浆浓度 50%时，其相互关系已明显地偏离线性，同时，随剪切 速率的上、下行变化其剪切应力或表观粘度出现上、 下行的差异， 并呈现一定的 屈服应力， 只是煤种不同其变化程度有所不同。 随着水煤浆浓度的再提高， 其剪 切应力或表观粘度的上、 下行差异增大， 且表观粘度随剪切速率增加而降低的趋 势愈趋明显。试验结果如图 2、4

6、 所示。试验表明，一般水煤浆浓度达到 50%时， 已明显地偏离牛顿流体。随着水煤浆浓度的进一步提高，煤粒之间的液体减少， 从而增强了粒子间相互作用的力， 形成更多的粘滞性大的凝聚结构团， 致使水煤 浆的结构粘度增大，触变特性增强，同时还出现了屈服应力。可见，浓度超过 50%的水煤浆已属具有触变特性及一定屈服应力的非牛顿型流体。非牛顿型拟塑性流体的剪切应力关联式中较有代表性的方程式应是指数律方程 :T=K(dw/dr)S式中:k为均匀系数，k值愈大表明流体的粘度愈高； n 为流变特性系数，表示偏离牛顿型流体的程度。 对不同水煤浆的实验数据进行回归处理， 可求得上述被研究的各种水煤浆流变特性的重要

7、参数n和k,而且它的相关系数达0.99以上，说明实验结果能与指 数律方程很好地吻合，所得n值均小于1。n50%时,随浓 度的增加，拟塑性特征迅速增加。Tsai发现4,由幕率流体特性的溶剂和煤粉制成 的浆体在低剪切速率下的拟塑性却随浓度升高而减小。 Fedir 对高水分褐煤的成 浆特性研究发现 5, 随浓度的增加或煤粉粒径的减小,浆体的非牛顿流体特性增加；屈服应力与煤粉含量、煤粉的颗粒大小分布、内孔面积等因素间存在密切的 相关性。固相含量对流变特性的影响与最大填充份额密切相关,多种水煤浆的屈服应力浓度关系研究显示：固相体积份额与最大填充份额之比( / m)在0.850.90范围内，屈服应力急剧增

8、加，并在 / m=0.900.95时趋向无穷大；另外, 对具有牛顿流体特性的水煤浆粘度测量表明，相对粘度与(1?/ m)呈反比关系。 一般地，水煤浆的粘度随浓度增加而增加，并在固相体积份额达到40%以上时开始 表现出非牛顿流体特性。工业用水煤浆的煤粉含量非常接近可达到的浓度上限，即使是浓度的微小增加也会对流变特性产生显著影响。因此，对给定的煤粉-水两 相系统，煤粉含量应控制在粘度急剧增加的浓度范围以下。一般地，升高温度有利于提高水煤浆的流动性：试验表明,升高温度在降低粘度的同时也使浆体的非牛顿流体特性弱化。温 度的影响还与温度所在范围有关。温度低100C时，水煤浆粘度随温度升高而降低 在温度高

9、于100C时则呈相反趋势。2种试验浆体的转折温度发生在 50E和70C 左右，在转折温度以上拟塑性特性随温度升高而增加。温度的影响与剪切速率有 关,低剪切速率下升高温度会增加颗粒间的碰撞机率，从而使颗粒聚并趋势增加，最终导致浆体的粘度升高。在高温条件下(如高于373 K)测量了水煤浆的流变特 性，由于煤粉颗粒发生分解和化学反应引起了浆体内部物质结构的显著变化，导致浆体的流变特性随温度的变化规律比常规条件下更加复杂。颗粒大小对液-固浆体流动性能的影响有2种根本途径：(1) 浆体流动过程中，一定颗粒粒径差异对颗粒层间的相对运动产生影响；(2) 颗粒粒径变化时引起最大填充份额变化。其中,后者的影响更

10、为显著，要获得低粘度的水煤浆，煤粉必须具有较大的最 大填充份额。均匀分布颗粒制成的浆体通常具有较高的粘度和较低的最大填充份 额，除采用添加剂的方法外，采用合理的粒径分布或颗粒级配则是改善水煤浆流动 性和稳定性的最有效和最常用的方法。通过优化粒径分布获得了最佳的水煤浆流 变特性。特别是对成浆性能较差的高水分煤种，通过简单的粗细颗粒配比使浆体的稳定性显著改善，浆体的粘度降低达到5倍左右。这主要是因为粗细颗粒配比 形成了合理的排列结构，提高了颗粒的流动性能。颗粒形状对流变特性也具有显 著的影响，一般地，颗粒偏离球形的程度越大，水煤浆的粘度越大，非牛顿流体特性 也越显著。综上所述，欲制取高浓度水煤浆必

11、须重视粒度分布问题。考虑到水煤浆的流动性、稳定性以及制粉的动力消耗和煤浆的用途等因素，可见采用d粗/d细=711,粗、细粒重量含量比在 4/66/4范围内属双模粒度分布的煤粉，更有 利于配制成高浓度的水煤浆。分散系数的影响目前，表达粒度分布的方程式很多，其中较为广泛应用的是ROSIN粒度分布式式中:Rd是孔径为d(件m)筛网上残留量， d是筛网的孔径(件m);1/d。是说明粉体细度的系数；m是表明粒度分布宽度的系数，通常称为分散系数，其值愈大表明粒度分布范围愈窄流变机理和公式的解释尽管对水煤浆的流变特性研究已有很多，但迄今为止，在流变机理方面尚缺乏 深入的研究。下面引用的是孟令杰增压流化床煤水

12、混合物输送特性研究。孟令 杰提出的煤水混合物流变机理可较好地解释流变特性与物质结构之间的关系，其主要内容如下：(1) 无论在静止状态还是在剪切状态下，一部分水分用来浸润煤粉颗粒表面，并形成一层被颗粒表面吸附而不能参与流动的薄液体层；(2) 在浆体受到剪切作用后，颗粒间原有的空间网状结构遭到破坏并在高剪切 速率下形成沿剪切方向的层状颗粒排列，即煤粉颗粒排列由随机的排列结构状态 向沿剪切方向的层状有序结构状态转变，其排列有序程度与施加的剪切应力相关；(3) 在有序排列的煤粉层中，颗粒与颗粒间的水分不参与剪切流动；(4)在受到剪切作用并达到稳定状态时，剪切变形主要发生在有规律排列的煤粉颗粒层与层 之

13、间的水层中，而煤粉颗粒层上吸附的水分变形很小。图1给出了受到剪切作用后煤水混合物流变结构的变化过程， sp、3、 ip、 ef分别为颗粒相、颗粒 表面吸附的液相、颗粒间隙中的液相以及自由水分的体积份额。由以上假设，水煤浆的粘度主要取决于 ef的大小：ef = 1 - 3- sp- P可以看出，在一定的煤粉浓度下，要获得水煤浆的良好流动性能，就要设法降低 S和 ip。应用该流变机理，孟令杰等等理论合理解释了浓度、粒径以及剪切速率等因素对煤 水混合物流动特性的影响，而且得到了流动性能最佳的粗细颗粒配比。该流变机 理能够对水煤浆的粘度特性、剪切稀化特性以及高剪切速率下浆体的牛顿流体特 性作出较好的解

14、释。图1煤水混合物的流变结构示意图图1 煤水混含物的流变结构m意图对某些浓度较高的水煤浆，在高剪切速率下往往表现出剪切增稠特性。目前, 主要存在2种变机理对此作出了较好的解释。另外一种理论其示意图如图2。当浓度较高时，颗粒间达到较为密实的堆积，颗粒与颗粒之间的相对滑动将会增加颗 粒层间距离，导致动量在垂直于剪切方向上进行传递，使浆体表现出胀流体特性。还有一种机理就是：当咼于一定剪切速率时，部分颗粒会从原有的颗粒层中分离出 来，导致了原有的有序流动向无序流动转变，并以粘度增加的形式表现出来。图2煤水混合物剪切增稠特性的流变结构示意图M 2煤水混合物明用増稠特ft的流变结构乐;&图水煤浆的流变特性

15、随浓度的变化呈现复杂多样性，有文献尝试采用颗粒间相 互作用强度的概念来解释该现象。认为不同浓度下浆体的流动特性主要取决于颗 粒间的相互作用强度，而颗粒间的相互作用强度主要取决于颗粒间的平均作用距 离，颗粒间的平均作用距离越小，浆体的非牛顿流体特性就越显著。颗粒间平均作 用距离计算如下：H/dp=( m/ )1怨8)式中：H表示颗粒间的平均作用距离；dp表示颗粒平均直径； m分别为固相体积份额和最大填充份额。之所以采用H/dp指标,主要是因为方程式中同时包含最大填充份额和体积份额,消除了颗粒大小分布等特性的影响。通过试验给出的流动特性划分如下：当H/dp0.08时为 牛顿流体；当0.035H/dp0.08时为剪切变稀流体；当H/dp0.035时,浆体表现出胀 流体特性。总结：水煤浆的流变特性与其粘度和煤浆质量分数、添加剂类型、用量等因素有密切 的关系.研究添加