煤漿濃度對油煤漿流變特性和表觀黏度的影響

熊楚安

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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煤漿濃度對油煤漿流變特性和表觀黏度的影響

熊楚安

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響油煤漿流變特性的主要因素之一。文中研究了煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對內(nèi)蒙古勝利褐煤與液化起始溶劑和循環(huán)溶劑配制成的油煤漿的流變特性和表觀黏度的影響。采用NXS-11A型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量煤漿體系在30～70 ℃時(shí)在不同剪切速率下的剪切應(yīng)力和表觀黏度，繪制煤漿體系流變曲線和黏度曲線，分析了流變和黏度特性。結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)條件下勝利褐煤起始溶劑油煤漿和循環(huán)溶劑油煤漿都符合賓漢流體的特征；油煤漿體系的塑性黏度、屈服應(yīng)力和表觀黏度都隨煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，煤漿的表觀黏度與煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈指數(shù)增長型關(guān)系，當(dāng)煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定數(shù)值范圍后，煤漿體系的表觀黏度會急劇上升。

直接液化; 油煤漿; 煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù); 流變特性; 表觀黏度

0　引　言

我國是一個(gè)多煤少油的國家,既是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國,也是一個(gè)石油消費(fèi)大國。煤炭直接液化可以把低變質(zhì)程度的煤炭轉(zhuǎn)化成優(yōu)質(zhì)的液體油品,這是緩減我國石油供需矛盾的一種重要手段,也是我國能源建設(shè)發(fā)展的戰(zhàn)略內(nèi)容。在煤直接液化過程中原料煤需與供氫溶劑配制成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的油煤漿(coal-oil mixtures, COM),然后經(jīng)過煤漿泵增壓、輸送以及預(yù)熱爐加熱到規(guī)定溫度后,再進(jìn)入加氫反應(yīng)器進(jìn)行加氫液化反應(yīng)。煤炭直接液化時(shí)，在一定溫度條件下,供氫溶劑與煤會發(fā)生強(qiáng)烈的物理、化學(xué)作用,導(dǎo)致油煤漿的流變特性和黏度特性發(fā)生明顯的變化,甚至產(chǎn)生突變,造成系統(tǒng)輸送阻力增加,從而影響油煤漿的輸送、傳熱和傳質(zhì)的效果[1-2]。研究和掌握油煤漿在液化過程中發(fā)生的物理、化學(xué)變化機(jī)理及流變特性的變化規(guī)律,可以為煤漿的大規(guī)模配制、輸送、加熱過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作條件提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3-8],因此得到眾多學(xué)者們的關(guān)注。

煤漿黏度與煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)有直接關(guān)系。煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)是煤直接液化的主要工藝條件之一。從理論上講,煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對液化反應(yīng)的影響應(yīng)該是質(zhì)量分?jǐn)?shù)越稀越有利于煤熱解自由基碎片的分散和穩(wěn)定。但為了提高液化反應(yīng)器的空間利用率,煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)又希望盡可能高。同時(shí),在煤液化工藝中,選擇煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)還要考慮煤漿的輸送和煤漿預(yù)熱爐的適應(yīng)性。鑒于諸多因素條件下,筆者研究了煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對油煤漿流變特性和黏度特性的影響。

1　實(shí)驗(yàn)與方法

實(shí)驗(yàn)以內(nèi)蒙勝利褐煤(簡稱為勝利煤)為研究對象,將勝利煤破碎并篩分為平均粒徑在0.15 mm以下的樣品,將實(shí)驗(yàn)煤樣在50 ℃下真空干燥24 h后密封保存?zhèn)溆?實(shí)驗(yàn)煤樣的基本分析數(shù)據(jù)見表1。

表1煤樣的工業(yè)分析和元素分析

Table 1Proximate and ultimate analysis of coal samples %

配制煤漿所用溶劑來自煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工分院提供的勝利煤起始溶劑(Initial solvent,即INI)和勝利煤加氫循環(huán)溶劑(Recycle solvent,即REC)。起始溶劑是液化裝置啟動時(shí)配制煤漿的溶劑,而加氫循環(huán)溶劑是煤液化油在液化裝置中循環(huán)多次后的溶劑[9]。在20 ℃下密度ρ,40 ℃下表面黏度μ時(shí),溶劑INI和溶劑REC的性質(zhì)見表2。

表2起始溶劑和循環(huán)溶劑的物理性質(zhì)

Table 2Physical property and ultimate analysis of INI and REC

采用NXS-11A型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定煤漿體系的流變特性和黏度特性。黏度計(jì)使用前先使用標(biāo)準(zhǔn)黏度液對黏度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定和校驗(yàn),使測量誤差在儀器的允許范圍內(nèi)。

首先,稱取一定量的勝利煤粉分別加入起始溶劑和循環(huán)溶劑中,然后攪拌均勻,得到不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的勝利煤油煤漿。將配制好的油煤漿倒入黏度計(jì)的測量桶內(nèi),將測量桶放入可調(diào)溫的恒溫水浴槽中加熱到指定的溫度后,采用NXS-11A型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),測量煤漿體系在30～70 ℃時(shí)在不同剪切速率下的剪切應(yīng)力和表觀黏度,繪制煤漿體系的流變曲線和黏度曲線圖,分析其流變特性和黏度特性。

2　結(jié)果與討論

2.1煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對油煤漿流變特性的影響

將勝利煤分別用INI和REC溶劑配制成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的油煤漿,測定煤漿體系在不同剪切速率下的剪切應(yīng)力,繪制出煤漿體系的流變曲線(以70 ℃時(shí)為例),如圖1、2所示。

采用賓漢流體模型,即

τ=τ0+ηγ,

式中:τ——剪切應(yīng)力,Pa;

τ0——屈服應(yīng)力,Pa;

η——塑性黏度,mPa·s;

γ——剪切速率,s-1。

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,得到70 ℃時(shí)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)wm的流變曲線回歸方程,見表3和4。

由圖1、2和表3、4可見,在實(shí)驗(yàn)條件下,由INI和REC溶劑配制成的勝利油煤漿的流變特性符合賓漢型流體特征,煤漿體系的塑性黏度η和屈服應(yīng)力τ0值都隨煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大,且質(zhì)量分?jǐn)?shù)高時(shí),η值和τ0值增加的幅度更明顯。另外,從比較可知,相同條件下,INI油煤漿體系的塑性黏度η值要比REC油煤漿體系η值大,但兩種煤漿體系的屈服應(yīng)力τ0值相差不大。

圖1　INI中油煤漿的流變曲線Fig. 1　Rheograms of INI-COM

圖2　REC中油煤漿的流變曲線Fig. 2　Rheograms of REC-COM表3　INI油煤漿體系流變曲線回歸方程Table 3　Curve regressive equations of INI-COM

表4　REC油煤漿體系流變曲線的回歸方程Table 4　Curve regressive equations of REC-COM

2.2煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對油煤漿表觀黏度的影響

將勝利煤分別與INI和REC溶劑配制成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的油煤漿,測定油煤漿體系在不同剪切速率下的表觀黏度(以50 ℃時(shí)為例)。測試結(jié)果見圖3、4。

圖3　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)油煤漿的表觀黏度(INI體系)

Fig. 3Effect of concentration on apparent viscosity of INI-COM

由圖3、4可以看出,隨著煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,煤漿的表觀黏度也隨之增大,特別是煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí),煤漿的表觀黏度增加幅度更加明顯。這是由于煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大時(shí),一方面使得體系中的溶劑量相對變少。溶劑作為煤漿中顆粒間的自由相,溶劑量越少,自由相的潤滑作用就越差,相應(yīng)的黏度就越高;另一方面煤作為多孔物質(zhì),煤顆粒量增多,能夠吸收更多的溶劑進(jìn)入顆粒間的微孔,也使得在顆粒間自由運(yùn)動的液相分子減少,從而導(dǎo)致表觀黏度增加。

圖4　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)油煤漿的表觀黏度(REC體系)

Fig. 4Effect of concentration on apparent viscosity of REC-COM

在剪切速率為50 s-1時(shí),將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的INI油煤漿在70 ℃的表觀黏度和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的REC油煤漿在50 ℃的表觀黏度分別作圖,如圖5所示。

將圖5中煤漿黏度曲線進(jìn)行回歸擬合,其擬合后的表觀黏度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系式為

μ=Aexp(wm/B)+C,

式中:μ——煤漿表觀黏度,mPa·s;

wm——煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;

A、B、C——回歸常數(shù)。

擬合后的回歸數(shù)值見表5。

由圖5和表5可以看出,隨著煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高,煤漿的表觀黏度增大,煤漿的表觀黏度值和煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間是一種指數(shù)增長型關(guān)系。因此,當(dāng)煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于一定數(shù)值后,煤漿的表觀黏度就呈指數(shù)增長關(guān)系急劇上升[10-12],導(dǎo)致系統(tǒng)流動阻力的急劇增加。在實(shí)際的煤直接液化工藝中,煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在40%～50%。

圖5　煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)與表觀黏度擬合曲線

Fig. 5Regressive curve of apparent viscosity with concentration of INI-COM

表5煤漿表觀黏度方程常數(shù)

Table 5Constants of apparent viscosity equations of COM

名稱INI體系REC體系A(chǔ)0.01210.0107B4.71274.7535C20.445718.4008R20.99630.9947

3　結(jié)　論

(1)在實(shí)驗(yàn)條件下,勝利INI油煤漿體系和REC油煤漿體系其流變特性都基本符合賓漢流體的特征,油煤漿的塑性黏度值、屈服應(yīng)力值和表觀黏度都隨煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。

(2)油煤漿的表觀黏度與煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈指數(shù)增長型關(guān)系,煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高時(shí),其對煤漿黏度的影響越明顯;當(dāng)煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定數(shù)值范圍后,煤漿的表觀黏度隨煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而急劇升高。

[1]高晉生, 常鴻雁, 張德祥. 煤直接液化中煤漿黏度變化研究進(jìn)展[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化, 2003, 26(3): 21-26.

[2]王知彩, 水恒福, 張德祥, 等. 煤直接液化工藝中煤漿黏溫特性變化機(jī)理的研究進(jìn)展[J]. 煤化工, 2006(1): 29-34.

[3]熊楚安, 王永剛, 許德平. 中國直接液化油煤漿及液化殘?jiān)髯兲匦匝芯窟M(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2009, 28(4): 597-604.

[4]WANG YONGGANG, HAO LIFANG, XIONG CHU’AN, et al. Effects on main parameters on rheological properties of oil-coal slurry[J]. Journal of China University of Mining & Technology: English Edition, 2006, 16(3): 274-277.

[5]熊楚安, 郝麗芳, 邵景景. 雙鴨山煤油煤漿流變特性的影響因素[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 18(2): 81-83.

[6]宋新南. 油煤漿的管道輸送特性與管路設(shè)計(jì)原則[J]. 石油學(xué)報(bào): 石油加工, 2003, 19(2): 94-100.

[7]岑可法, 姚強(qiáng), 曹欣玉, 等. 煤漿燃燒、流動、傳熱和氣化的理論與應(yīng)用技術(shù)[M]. 杭州: 浙江大學(xué)出版社, 1997.

[8]舒歌平, 史士東, 李克鍵. 煤炭液化技術(shù)[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 2003.

[9]熊楚安, 王永剛, 陳偉, 等. 勝利煤液化油煤漿表觀黏度的影響因素研究[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 37(2): 145-149.

[10]ANDERSON P C, VEAL C J, WITHERS V R. Rheology of coal-oil dispersions[J]. Powder Technology, 1982, 32(1): 45-54.

[11]PAPACHRISTODOULOU G, TRASS O. Rheological properties of coal-oil mixture fuels[J]. Powder Technology, 1984, 40(1/3): 353-362.

[12]閻燕, 杜軍, 熊楚安, 等. 勝利褐煤油煤漿常壓低溫黏度變化研究[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化, 2008, 31(4): 64-68.

(編輯徐巖)

Influence of concentration on rheological properties and apparent viscosity of coal-oil mixtures

XIONGChu’an

(College of Resources & Environmental Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

The concentration of coal-oil mixtures(COM) is one of the main factors affecting its rheological properties. This paper seeks to investigate the rheological and viscosity properties of Shengli lignite COM confected by initial and recycled solvent. The investigation consists of measuring the shear stress and apparent viscosity of COM systems at different shear rate and 30-70 ℃ by using rotational viscosimeter of NXS-11A, plotting rheological curves and riscosity curves respectively, and analyzing its rheological and apparent properties. The results indicate that the systems of Shengli lignite COM prepared by initial and recycled solvent consist with the characteristics of non-Newtonian Bingham fluid. The plastic viscosity, yield stress, and apparent viscosity increase with increasing coal concentration. The apparent viscosity correlates to the coal concentration exponentially and increases rapidly beyond a certain scale at high concentration.

direct liquefaction; coal-oil mixtures(COM); concentration of COM; rheological properties; apparent viscosity

1671-0118(2012)03-0237-04

2012-04-24

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12511473)

熊楚安(1969-),男,湖北省麻城人,教授,博士,研究方向:煤炭轉(zhuǎn)化,E-mail:xca1969@163.com。

TQ533

A