王铁力

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司 管道工程院,湖北 武汉430064)

近年来,非离子表面分散剂发展极为迅速,应用越来越广泛。 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。 非离子型分散剂虽然价格稍贵, 但用量少,可降低对煤质和水质的要求, 明显提高水煤浆质量［1］。 此外,通过对非离子型分散剂的结构、生成方式、反应原料的研究,有助于研制性价比更好的分散剂。 十二醇醚是一种重要的脂肪醇聚氧乙烯醚,是非离子表面分散剂中发展最快、用量最大的品种之一。 十二醇醚作为一种主要的非离子分散剂,对改变水煤浆黏度、制取高浓度水煤浆具有重要作用［2-4］。 但水煤浆中十二醇醚的最佳浓度及其对煤浆管道输送摩阻损失的影响研究还未见到,而摩擦阻力对于管道输送尤为重要［5］。 因此,有必要开展这方面的研究。

1 水煤浆实验研究

1.1 固体颗粒特性

实验所用煤颗粒取自辽北某矿,其特性如表1 所示。 该煤粒收到基低位发热量为21.87 MJ/kg,空气干燥基高位发热量为23.12 MJ/kg,可磨性为70。

表1 实验用煤工业分析和元素分析结果

从表1 可以看出,氧/碳比为0.18,介于0.1 ～0.2之间,有利于形成高浓度煤浆。 煤中内在水分含量较低,有利于形成高浓度煤浆。 而高挥发的长焰煤变质程度低,不利于成浆。 煤可磨性介于中等可磨和易磨之间。 由烟煤成浆性指标［1］计算可知,该煤粒成浆较难,最高制浆浓度为68.48%。

为了制取最佳浓度煤浆,参考Dinger 模型理想分布［1］,再结合多峰级配成浆实验,通过多次实验,确定最佳颗粒级配曲线如图1 所示。 从图1 可看出,煤颗粒范围为7～200 μm,d50为25 μm。

图1 煤颗粒级配曲线

实验用十二醇醚是一种白色蜡状颗粒,水溶性较好,耐酸、耐碱、耐硬水、稳定性良好。 十二醇醚作为一种非离子型分散剂,其分散效果与溶液pH 值无关,受盐和电解质的影响小。

1.2 实验设备设施

煤浆管道输送实验管路见图2。 管道输送时,煤浆流量调节范围为(0.5～4.0)×10-3m3/s,煤浆质量浓度变化值为62%、64%和66%,对应的密度分别为1 259、1 268 和1 277 kg/m3。

图2 实验装置

图2 中管路材质为无缝钢管,内径分别为35 mm和50 mm。 变频器可以连续改变浆体泵的电机工作电源频率,从而达到输送系统流量无极调速。 泄流阀是为了管道的安全而设置的,也可以根据需要人为操作排空管道中的水煤浆。 热交换器的作用是在水煤浆流动中维持浆体温度恒定在20 ℃。 通过电磁流量计可以得到水煤浆流量数据。 通过双法兰压差变送器可以获得一定流量下水煤浆摩阻损失值。

1.3 实验步骤

首先测定0～400 s-1剪切率范围内剪切速率对应的切应力值,绘制流变图线。 其次进行分散剂浓度分别为0.4%、0.8%和1.1%时浓度62%的煤浆在直径35 mm管道中流动的输送实验,测试每一流量Q 值对应的摩阻损失im值；然后进行分散剂浓度为1.1%,浓度分别为62%、64%和66%的煤浆在直径50 mm 管道中流动的输送实验,测试每一流量Q 值对应的摩阻损失im值。

2 实验结果分析

本文中煤浆剪切速率和切应力等流变参数分析结果表明,煤浆流动特性符合Herschel Bulkley 流体特征,即:

式中τ 为切应力,Pa；τ0为屈服应力,Pa；γ 为切变率,s-1；K 为稠度系数,Pa·sn；n 为流动指数。

数据分析及拟合结果表明:煤浆屈服应力τ0变化范围为4.24 ～6.37 Pa,流动指数n 变化范围为0.87 ～1.13,稠度指数K 变化范围为0.35～1.45 Pa·sn。

实验过程中测定了48 组流量与摩阻损失数据,测试结果如图3 和图4 所示。 从图3 和图4 可以看出,随着煤浆流量增大,摩阻损失也增大。 从图3 可以看出,浆体中分散剂浓度越大(煤浆浓度为62%),则管径35 mm 管道中煤浆摩阻损失值越小。 这说明十二醇醚作为煤浆分散剂,具有明显的减阻作用。 其原因在于十二醇醚会与水分子形成氢键,在煤颗粒表面形成一层水化膜,使原疏水表面转换为亲水表面,表现为煤浆黏度降低,从而造成摩阻损失增大。

图3 分散剂浓度对摩阻损失的影响

图4 煤浆浓度对摩阻损失的影响

图4显示,煤浆浓度越大(分散剂浓度1.1%),管径50 mm 管道中煤浆摩阻损失越大。 这是因为浓度越大,煤浆单位体积内固体颗粒含量就会增加,导致煤浆黏度增加,从而增大了阻力。

煤浆阻力与煤浆的流动状态存在密切关系。 本研究中,流体雷诺数最大值为772.26,最小值为13.55,又因为煤浆流动指数n 接近1。 根据有关研究,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层流还是紊流流动而不会造成较大偏差［6］,因此,确定本文中管道输送时煤浆流态为层流。

根据有关研究［7］,任何与时间无关的非牛顿体层流时,平均切变率8U/D 只是剪切应力的函数,可用下式表示:

式中τw为管壁切应力,Pa；L 为管道长度,m；ΔP 为长度L 段的压降,Pa；η*为综合有效黏度,Pa·s；U 为管道内煤浆平均速度,m/s；D 为管道直径,m。

式(2)可变为:

根据实测数据,绘制η*与平均切变率8U/D 的关系如图5～6 所示。 通过煤浆流量Q=(0.5～2.5)×10-3m3/s 范围内的30 组8U/D-η*数据拟合,发现综合有效黏度η*与切变率8U/D 近似成线性关系,两者关系可用下式表示:

从图5 可以发现,煤浆浓度62%时,分散剂浓度越大,则综合有效黏度越小。 随着平均切变率8U/D 增加,综合有效黏度有增加的趋势,不过增加趋势不明显。 分散剂浓度增加,有利于降低煤浆黏度,这在一定程度上减少了综合有效黏度。 从图6 可看出,随着煤浆浓度增大,综合有效黏度呈现增大趋势。

图5 不同分散剂浓度下综合有效黏度与切变率的关系

图6 不同煤浆浓度下综合有效黏度与切变率的关系

从上面分析可知,本文所研究的Herschel Bulkley流体摩阻损失可用下式计算:

图7 为基于流量(3.0 ～4.0)×10-3m3/s 范围内18组数据的摩阻损失计算值(式(5))与实测值对比情况。 可以看出,摩阻损失计算值与实测值的偏差为17.12%,不超过18%。 偏差产生的原因主要为实验测量偏差以及数据拟合存在偏差。 这说明,式(5)可以对水煤浆管道输送的摩阻损失进行一定程度的预测。

图7 摩阻损失计算值与实测值对比

3 结 语

1) 十二醇醚分散剂浓度与水煤浆摩阻损失值负相关,水煤浆浓度与摩阻损失值正相关,十二醇醚分散剂对水煤浆管道输送有明显的减阻作用。

2) 水煤浆的综合有效黏度与平均切变率近似成线性关系,煤浆浓度62%时,综合有效黏度与分散剂浓度负相关,与水煤浆浓度正相关。

3) 基于理论推导和数据拟合,给出了Herschel Bulkley 流体的摩阻损失计算公式,公式计算值与实测值偏差不大于18%。