基于神府煤的油水煤漿流變特性試驗(yàn)研究

李彎彎，梁耀東，巨 鵬，王俊哲

(1.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工新型能源有限公司 神木分公司，陜西 榆林 719300)

基于神府煤的油水煤漿流變特性試驗(yàn)研究

李彎彎1,2，梁耀東1，巨 鵬2，王俊哲2

(1.西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)化工新型能源有限公司 神木分公司，陜西 榆林 719300)

為提高基于神府煤的油水煤漿流變特性，探索了分散劑種類及其添加量、水煤比、溫度對(duì)油水煤漿粘度的影響，并在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，對(duì)其流變曲線進(jìn)行了回歸分析。研究結(jié)果表明：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著分散劑種類和添加量的變化，油水煤漿的表觀粘度發(fā)生了相應(yīng)變化；油水煤漿體系中煤含量高時(shí)，不利于體系分散降粘，溫度高時(shí)漿體的表觀粘度降低；該油水煤漿的流變特性符合Herschel-Bulkley模型，可根據(jù)流動(dòng)特性指數(shù)直接判定其流變特性。

油水煤漿；流變特性；粘度；流變模型

從1993年起，我國(guó)成為石油凈進(jìn)口國(guó)家[1]。根據(jù)中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布的《2014年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》，2014年我國(guó)石油對(duì)外依存度達(dá)到59.50%，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到69%[2]。按照國(guó)際慣例，通常能源進(jìn)口量超過國(guó)內(nèi)需求量一半時(shí)，就意味著這個(gè)國(guó)家將面臨能源危機(jī)或存在潛在的能源戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)。因此，開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的煤基液態(tài)潔凈燃料已成為大勢(shì)所趨。

油煤漿和水煤漿作為代油燃料具有一定可行性，但油煤漿粘度高、價(jià)格昂貴，且只能部分代油；水煤漿能完全代油，但其對(duì)制漿原煤要求較高，熱值較低，且需要對(duì)燃油鍋爐及其噴嘴進(jìn)行較大改造[3-4]。油水煤漿是在油煤漿、水煤漿的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的代油燃料，具有燃點(diǎn)低、熱值高的特點(diǎn)，在燃料灰分較低時(shí)可以直接用于燃油鍋爐，且對(duì)鍋爐和噴嘴改造的幅度較小[4]。郭延紅等[5]研究了油、水、煤三相的比例對(duì)兩種三元料漿的流變性和表觀粘度的影響，研究結(jié)果表明：油基油水煤漿和水基油水煤漿三元混合料漿均為屈服-假塑性流體，油基油水煤漿的表觀粘度隨外相油含量的降低和煤水比例的升高而增大，水基油水煤漿的表觀粘度隨水油比例的降低和煤油比例的升高而增大。郭東紅等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，油基油水煤漿的流變特性符合Herschel- Bulkley模型，水基油水煤漿的流變特性符合Bingham模型。

為提高基于神府煤的油水煤漿流變特性，對(duì)影響油水煤漿表觀粘度的分散劑種類及其用量、水煤比、溫度進(jìn)行研究，并利用流變模型擬合出試驗(yàn)溫度下的流變曲線，揭示了溫度對(duì)油水煤漿流變特性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

儀器包括NXS-4C水煤漿粘度計(jì)、DHS-16A紅外水分儀、AM1000L-P電動(dòng)攪拌機(jī)、FA-2004電子天平，此外還有量筒等容器。

試劑包括輕柴油，OP-10乳化劑(工業(yè)級(jí))，HF-5分散劑(分析純)，XDX分散劑(分析純)，PSS分散劑(分析純)。

1.2 煤質(zhì)特征

油水煤漿流變特性試驗(yàn)所用的原料煤為神府煤，根據(jù)煤質(zhì)特征(表1、表2)可知：其為低變質(zhì)程度的不粘煤，具有低灰、低硫、高發(fā)熱量的特點(diǎn)，但由于氧碳比高，可磨性指數(shù)低，成漿難度大。根據(jù)張榮曾[7]評(píng)價(jià)原料煤成漿性的理論，成漿性指數(shù)(D值)越大，原料煤成漿難度越大。一般情況下，當(dāng)D>10時(shí)原料煤很難成漿，而神府煤的D為12.87，制備油水煤漿的難度更大。

表1 神府煤工業(yè)分析結(jié)果

表2 神府煤元素分析結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方案

按一定比例在鋼皿內(nèi)加入OP-10乳化劑、水、輕柴油，用攪拌器攪拌5 min，使其充分乳化且分布均勻；少量多次加入原料煤和分散劑(按照不同試驗(yàn)要求，分別加入HF-5、XDX、PSS)，在500～800 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌15 min，使其混合均勻；制漿完成后，靜置2～3 min。

利用單一因素法研究分散劑種類、水煤比、溫度對(duì)油水煤漿粘度的影響，并在試驗(yàn)溫度下，對(duì)油水煤漿的流變曲線進(jìn)行回歸分析。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

油水煤漿是一種復(fù)雜的固-液兩相流體，其流變特性主要體現(xiàn)在表觀粘度、屈服應(yīng)力及在較大剪切速率范圍內(nèi)的剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系[8]，也就是流變模型。因此，以這三個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)油水煤漿流變特性的指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 分散劑種類及其添加量對(duì)油水煤漿表觀粘度的影響

試驗(yàn)中分散劑的添加量以分散劑的質(zhì)量與干煤粉的質(zhì)量比計(jì)算，分散劑種類及其添加量與油水煤漿表觀粘度關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 分散劑種類及其添加量與油水煤漿表觀粘度關(guān)系曲線

由圖1可知：

(1)當(dāng)分散劑的添加量為0.5 %時(shí)，油水煤漿的表觀粘度最??；當(dāng)分散劑的添加量在0.5%～0.7%時(shí)，漿體的表觀粘度變化不明顯。

(2)在分散劑添加量相同時(shí)，添加分散劑XDX的漿體粘度較低。這是因?yàn)檩料祷撬猁}表面活性劑離解后的陰離子具有兩親性，親油基團(tuán)為有機(jī)烷鏈，親水基團(tuán)為磺酸基。萘環(huán)通過范德華力吸附在油水煤漿的煤粒和油粒表面，使其由疏水性變?yōu)橛H水性，并借助水化膜的作用將煤粒與油粒隔開，在使顆粒間距離增大的同時(shí)使其相互間的阻力減小。根據(jù)相似相溶原理，由于煤中含有稠環(huán)芳香結(jié)構(gòu)，其與萘系磺酸鹽親油的非極性基相近，二者具有較好的匹配性，故分散降粘效果較好。

(3)木質(zhì)素磺酸鹽也有酚基、羥基及多芳環(huán)結(jié)構(gòu)，但其相對(duì)分子量過大，有機(jī)大分子的原子和基團(tuán)多而擁擠，產(chǎn)生的空間位阻大，分子間易因“架橋作用”而將水分子包裹，不利于漿體分散降粘。

2.2 水煤比對(duì)油水煤漿表觀粘度的影響

水煤比是指試驗(yàn)過程中水與干煤粉的質(zhì)量之比，煤含量是相對(duì)水和煤組成的整體而言的。水煤比與油水煤漿表觀粘度關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 水煤比與油水煤漿表觀粘度關(guān)系曲線

由圖2知：當(dāng)煤含量從56 %增至60 %時(shí)，油水煤漿的表觀粘度急劇增大，在剪切速率為100 s-1時(shí)，表觀粘度由479.5 mPa·s增至1 191 mPa·s，增加了1.48倍。由此來看，煤含量對(duì)油水煤漿的表觀粘度有很大影響。

這是因?yàn)殡S著煤含量的增加，煤粉在煤漿體系中的體積分?jǐn)?shù)增大，顆粒間相互碰撞的機(jī)會(huì)增加，致使體系粘度增大[9]。同時(shí)，隨著煤粉含量的增加，煤粉體系表面的表面能增大，更容易在其表面團(tuán)聚。此外，煤粉含量增加，還會(huì)吸附更多的乳化劑，不利于水在油中分散。

2.3 溫度對(duì)油水煤漿表觀粘度的影響

為使泵送和霧化效果良好，一般通過改變爐前油水煤漿的溫度來降低漿體粘度。因此，有必要了解油水煤漿的粘溫特性。加入XDX分散劑、OP-10乳化劑后的油水煤漿粘溫特性曲線如圖3所示。

圖3 溫度與油水煤漿表觀粘度關(guān)系曲線

由圖3可知：在303.15～333.15 K時(shí)，油水煤漿的表觀粘度隨溫度的升高而降低。這主要是由三個(gè)原因引起的，一是隨著溫度的逐漸升高，XDX分散劑的活性增強(qiáng)，有利于其平鋪在煤粒表面，分散降粘效果得到改善；二是溫度升高漿體中煤粒的布朗運(yùn)動(dòng)加快，煤粒分散更均勻；三是漿體體積隨溫度的升高而增大，三相體系間的力平衡關(guān)系被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致漿體粘度下降[10-11]。

3 油水煤漿的流變特性

3.1 油水煤漿流變模型的擬合

常見的油水煤漿流體類型主要包括四種[7]：假塑性流體、脹流性流體、屈服假塑性流體、屈服脹流性流體。假塑性流體的表觀粘度隨剪切速率的增大而減小，呈現(xiàn)“剪切變稀”的特性；脹流性流體的表觀粘度隨剪切速率的增大而增大，呈現(xiàn)“剪切變稠”的特性；屈服假塑性流體是帶有一定屈服應(yīng)力的假塑性流體，呈現(xiàn)“剪切變稀”的特性；屈服脹流性流體是帶有一定屈服應(yīng)力的脹流性流體，呈現(xiàn)“剪切變稠”的特性。常見的流變模型為Power-law模型[12]、Bingham模型[13]、Herschel-Bulkley模型[14]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式依次為：

τ=Kγ，

τ=τv+μγ，

τ=τv+Kγn，

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa；τv為屈服應(yīng)力，Pa;μ為剛度系數(shù)；γ為剪切速率，s-1；n為流動(dòng)特性指數(shù)；K為稠度系數(shù)。

根據(jù)研究結(jié)果，油水煤漿的流變模型有Bingham模型、Herschel-Bulkley模型，分別采用兩個(gè)模型對(duì)不同溫度的油水煤漿進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖4所示，擬合結(jié)果如表3所示。

圖4 不同溫度下的油水煤漿剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系曲線

溫度/KHerschel-Bulkley模型τv/PaKn相關(guān)系數(shù)R2Bingham模型τv/Paμ相關(guān)系數(shù)R2303.152.75171.36340.78460.989617.06120.29360.9581313.154.11730.96440.74250.995112.15900.24570.9886323.156.02850.33090.72690.99498.93520.21940.9895333.158.65210.79430.44700.98965.15610.16140.9872

由表3可知：

(1)在不同溫度下，就油水煤漿的相關(guān)系數(shù)來看，Herschel-Bulkley模型普遍比Bingham模型吻合度高，尤其當(dāng)溫度為303.15 K時(shí)，前者擬合程度明顯優(yōu)于后者。這說明油水煤漿的流變特性更符合Herschel-Bulkley模型。

(2)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，對(duì)于溫度不超過323.15 K的油水煤漿來說，Herschel-Bulkley模型的屈服應(yīng)力均小于Bingham模型；當(dāng)溫度分別為303.15、313.15 K時(shí)，屈服應(yīng)力下降幅度更明顯。隨著溫度的升高，漿體的屈服應(yīng)力逐漸增加，n值逐漸減小。屈服應(yīng)力增加，主要是因?yàn)殡S著溫度的升高，漿體中水相的粘度變小，從而使水包煤的粒度減小而粒數(shù)增加，由于顆粒間的自由水量未變而摩擦力增大，屈服應(yīng)力相應(yīng)增加；但當(dāng)溫度達(dá)到333.15 K時(shí)，剪切應(yīng)力變大，體系的稠度系數(shù)反而升高，n值也發(fā)生較大變化，這可能是溫度超過一定值，油水煤漿粘度增大的原因。

3.2 擬合結(jié)果的驗(yàn)證

體系的表觀粘度是表征流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦大小的量，如果體系的流變模型基本無變化，可以認(rèn)為表觀粘度隨溫度的變化規(guī)律與外相液體粘度變化一致，基本服從Arrhenius公式[15]：

式中：η為表觀粘度，mPa·s；Ea為剪切速率不變時(shí)摩爾混合體系變換新的位置所需要的能量[16]，kJ/mol；A為粘度常數(shù)；R為常數(shù)，J/(mol·K)；T為溫度，K。

對(duì)表觀粘度公式作對(duì)數(shù)處理,可得到下式：

如果體系的變化符合Arrhenius公式，則ln(η)與1/T之間呈線性關(guān)系。漿體表觀粘度的溫度依賴性曲線如圖5所示。

由圖5可知：隨著溫度的改變，體系的表觀粘度符合Arrhenius 公式。在溫度較低時(shí)，油水煤漿的表觀粘度較小，隨著溫度的逐漸升高，表觀粘度逐漸增大，這與表3中稠度系數(shù)K的變化規(guī)律相似。由此推斷，隨著體系溫度的升高，漿體燃料中的外相水可能發(fā)生了一定變化，使得表觀粘度增大，稠度系數(shù)K也逐漸增大。外相水的變化，在很大程度上是由于煤顆粒中的小分子物質(zhì)溶入其中，從而使其表觀粘度增大；同時(shí)，由于煤是一種結(jié)構(gòu)很復(fù)雜的物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)中鑲嵌著許多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相對(duì)分子量較小的物質(zhì)，如樹脂、樹蠟等，其孔隙結(jié)構(gòu)中通常還吸附有微分子量的物質(zhì)，溫度升高時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)慢慢溶于水中，從而使外相水的粘度增大。

圖5 漿體表觀粘度的溫度依賴性曲線

不同剪切速率下的A和Ea值如表4所示。由表4可知：隨著剪切速率的增大，活化能整體呈下降趨勢(shì)，漿體的流動(dòng)性變好，這也與試驗(yàn)結(jié)果一致。這是因?yàn)殡S著剪切速率的增大，內(nèi)相顆粒之間運(yùn)動(dòng)的劇烈程度增大，從而使流動(dòng)阻力減小，漿體的表觀粘度降低。

表4 不同剪切速率下的A和Ea值

綜上所述，基于神府煤的油水煤漿流變特性符合Herschel-Bulkley模型，可以將流變模型擬合出的流變參數(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，同時(shí)該油水煤漿的流變特性也可依據(jù)流動(dòng)特性指數(shù)(n值的大小)直接進(jìn)行判定。

4 結(jié)論

(1)隨著分散劑種類和添加量的變化，油水煤漿的表觀粘度也發(fā)生變化。當(dāng)分散劑為XDX，且添加量為0.5%時(shí)，油水煤漿的表觀粘度較低。

(2)油水煤漿體系中煤含量高時(shí)，不利于體系的分散降粘；當(dāng)體系溫度升高時(shí)，漿體的表觀粘度降低。

(3)該油水煤漿的流變特性更符合Herschel-Bulkley模型，可將流變模型擬合出的流變參數(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，也可依據(jù)流動(dòng)特性指數(shù)(n值的大小)直接判定其流變特性。

[1] 韓 瑤.中俄能源合作的現(xiàn)狀、存在的障礙及對(duì)策研究[J].黑龍江對(duì)外經(jīng)貿(mào),2011(2): 52-54.

[2] 王寶昌, 鐘 飛.世界和中國(guó)原油貿(mào)易現(xiàn)狀及對(duì)策建議[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì),2015，23(3): 41-45.

[3] ZHU Hong, YAN Xue-hai, XIA Jian-hua, et al. Preparation and rheological properties of oil-water-coal triplex synfuel using petroleum sulfonate as the dispersants [J]. Fuel Processing Technology, 2007, 88(3): 221-225.

[4] 陳業(yè)泉, 朱 紅, 孫正貴, 等.油基油水煤漿的流變性質(zhì)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001, 30(6): 608-612.

[5] 郭延紅, 王維周, 張東亮.三相比率對(duì)三元料漿流變性及燃燒性的影響[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005, 25(4): 517-520.

[6] 郭東紅, 張飛宇.超細(xì)煤粉-水-渣油三元混合燃料的流變行為研究[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2000(1): 21-24.

[7] 何國(guó)鋒, 詹 隆, 王燕芳.水煤漿技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[8] Turian RM, Attal J F, Sung D J. Properties and theology of coal-water mixtures using different coals [J]. Fuel, 2002,81(16):2019-2033.

[9] 孫 武, 田原宇, 喬英云, 等.油煤水漿制漿工藝的研究進(jìn)展[J].山西能源與節(jié)能,2006(4): 11-12.

[10] 希利科,劉加龍,烏克蘭.溫度對(duì)水煤漿流變性質(zhì)及對(duì)用腐植酸鹽使其增塑的影響[J].腐植酸,2004(5).

[11] 但 盼,邱學(xué)青,周明松.溫度及剪切時(shí)間對(duì)水煤漿表觀黏度及流變性影響[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,36(6): 103-106.

[12] Wang Y G, Yan Y, Guo X K, et al. Rheological behavior of Shengli coal-solvent slurry at low-temperatures and atmospheric pressure [J]. Mining Science and Technology, 2009(6): 779-783.

[13] Debadutta Das, Uma Dash, Jibardhan Meher,, et al. Improving stability of concentrated coal-water slurry using mixture of a natural and synthetic surfactants [J]. Fuel Processing Technology, 2013, 113: 41-51.

[14] LI Rong, YANG Dong-jie, LOU Hong-ming, et al. Influence of sulfonated acetone formaldehyde condensation used as dispersant on low rank coal-water slurry [J]. Energy Conversion and Management, 2012, 64: 134-139.

[15] [英]H A 巴勒斯，J H 赫頓，K 瓦爾特斯. 流變學(xué)導(dǎo)引[M]. 北京：中國(guó)石化出版社,1992.

[16] 黃 忠,向紅兵,鄧麗莉,等.共聚聚酰亞胺紡絲溶液流變性能的研究[J].合成纖維工業(yè),2011(1): 19-22.

Study of the rheological property of the oil water coal slurry on Shenfu coal

LI Wan-wan1,2, LIANG Yao-dong1, JU Peng2, WANG Jun-zhe2

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an ,Shaanxi 710054, China; 2.Shenmu branch of Shanxi Coal and Chemical Industry New Energy Group Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719300, China)

In order to improve rheological property of the oil water coal slurry (hereafter referred as to OWCS) on Shenfu coal, the effect of categories of dispersant and its dosage, the water-coal ratio, temperature on viscosity of OWCS is discussed, at the same time analysis of regression for rheological curves is studied under experimental temperature. The results show that apparent viscosity of OWCS is subject to categories of dispersant and its dosage, however, high content of coal in OWCS is not good to disperse materials and reduce viscosity; the rheological property is suitable to the Herschel-Bulkley mode, so that it can be determined by the flow index.

oil water coal slurry; rheological property; viscosity; rheological mode

1001-3571(2015)05-0016-05

TQ534.4

A

2015-06-09

10.16447/j.cnki.cpt.2015.05.004

李彎彎(1988—)，女，陜西省韓城市人，技術(shù)員，碩士研究生，從事水煤漿制備與應(yīng)用技術(shù)研究。

E-mail: ldw2008116@163.com Tel：13720771862