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水煤浆流变性描述公式和解释 摘要：我国煤炭资源丰富,油气匮乏,煤炭在能源结构中仍占主导地位。而开发水煤浆技术是煤能源技术的一个重要分支。而这些技术又直接取决于水煤浆的流变性。 关键字：水煤浆、流变性、原理 一、何谓水煤浆
水煤浆是由质量份额60～7O%的煤粉、30～40%的水和少量添加剂混合构成的液固两相悬浮体系，是一种新型的煤基流体燃料，在煤的燃烧和气化等洁净煤技术领域应用广泛。水煤浆具有和石油相似的流动性和稳定性，可方便地实现储存、管道输送、雾化和燃烧，具有节能、环保和综合利用煤泥等多种效益，受到各国 土业界的高度重视。水煤浆的流变特性影响到储存稳定性、输送过程的流动性和雾化过程的可雾化性及炉内的可燃性等重要工艺过程口，而水煤浆的流变数据是分析和确定浆体流动规律的基础数据，是输送管道设计和运行参数选择的重要依据。水煤浆的流变特性主要研究浆体的流动和变形，即剪切速率与剪切应力之间的关系，或剪切速率与表观粘度之间的关系。
二、水煤浆的优点与应用 （一）优点： （1）通过洗选煤可降灰30－40％； （2）通过洗选煤可降硫30％； （3）燃烧温度低150度左右可降NOx排放30－40％ （4）可以象油一样运输 （5）燃油锅炉可以很少改动进行燃油 （6）可以方便地作为气化燃料 （二）应用 （1）直接替代燃煤、燃油作为工业锅炉或电站锅炉的直接燃料 约2t水煤浆可以替代1t燃油； （2）水煤浆还是理想的气化原料，产生的煤气可以用于煤化工或用于联合循环发电； （3）对于特制的精细水煤浆，还可以作为燃气轮机的燃料使用水煤浆的特点
三、水煤浆的流变性 由于添加剂的加入改变了煤表面的物化性质, 使得煤粉和水紧密结合, 形成网状结构, 成为均一体, 表现为非牛顿流体的性质。但水煤浆不同于一般的非牛顿型流体, 其显著特点是黏度高且黏度与其浓度、温度和添加剂量有关。水煤浆的流变性十分复杂，影响因素也较多，也直接影响水煤浆的输送、雾化质量、着火、稳燃及燃烧效率, 因此研究其流变特性是开发利用水煤浆的重点。水煤浆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。流变性简单描述如下： （1）流变性用于描述非均质流体的流动特性； （2）它影响水煤浆储存的稳定性、输运的流动性、雾化及燃烧效果的重要因素； （3）用剪切应力-切变率关系来表示； （4）常用参数为黏度，具有较高的表观黏度和较为稳定的剪切应力； （5）表现为非牛顿流体：假塑性流体、胀流型流体、宾汉姆流体、屈服假塑性流体。 前面说过描述流变性能的变量是剪切应力和剪切速率。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: τ=μγ 假塑性流体（幂率方程）: τ=Kγn 假塑性流体（Sisko方程）： τ=aγ+bγc
胀流型流体 τ=Kγn-1 宾汉姆流体: τ=τy+μBγ
屈服假塑性流体: τ=τy+Kγn 式中:τ、τy———分别为剪切应力和屈服应力,Pa; μ———动力粘度,Pa·s;; μB———Bingham粘度 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。
四、水煤浆与浓度、剪切速率的关系 多人的试验还表明，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1、2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)^a 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。n<1是拟塑性流体的特征，更进一步证昵水煤浆浓度》50%时，确属非牛顿型和拟塑性流体。
五、水煤浆流变特性的影响因素 影响水煤浆流变特性的主要因素有:煤种及煤的理化特性;固相含量;颗粒大小及分布;添加剂的种类和用量;浆液的pH值;温度等。 固相含量对水煤浆的流变特性具有最直接的影响：有试验表明,在较低浓度下水煤浆呈现牛顿流体特性;质量分数>50%时,随浓度的增加,拟塑性特征迅速增加。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(φ/φm)在0.85~0.90范围内,屈服应力急剧增加,并在φ/φm=0.90~0.95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?φ/φm)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100℃时,水煤浆粘度随温度升高而降低,在温度高于100℃时则呈相反趋势。2种试验浆体的转折温度发生在50℃和70℃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=7~11，粗、细粒重量含量比在4/6~6/4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。
六、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,
