煤泥濃密膏體流變特性測(cè)試方法研究進(jìn)展

陳春瑞，王鵬程，楊鳳玲，張圓圓

(1.山西大學(xué)，山西省太原市， 030006；2.CO2減排與資源化利用教育部工程研究中心，山西省太原市，030006；3.國(guó)家環(huán)境保護(hù)煤炭廢棄物資源化高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西省太原市， 030006；4.山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司，山西省陽(yáng)泉市，045000)

0 引言

煤泥主要是原煤經(jīng)洗選后的底流經(jīng)壓濾脫水工藝后形成的選煤廢棄物，具有持水性高、粒度細(xì)、黏性大、常壓下不具有流動(dòng)性的特點(diǎn)[1-4]，是一種典型的高濃度黏稠物料，堆積形態(tài)極不穩(wěn)定[5]，遇水易流失。煤泥中的有毒有害物質(zhì)經(jīng)雨水沖刷，隨地表物質(zhì)進(jìn)入水體，極易造成水污染[6]。煤泥風(fēng)干易飛揚(yáng)，導(dǎo)致大氣中顆粒物升高[7]。此外，不易貯存和運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)限制了煤泥的資源化利用。目前煤泥資源化利用的途徑主要有鍋爐直接燃燒、制作型煤、生物質(zhì)型煤、型焦等[8]，其中燃煤電廠直接燃燒是煤泥大規(guī)模資源化利用的重要方式，而穩(wěn)定輸送是煤泥在電廠資源化利用的重要環(huán)節(jié)。準(zhǔn)確獲取煤泥的流變特性參數(shù)，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)合理的煤泥泵送管道并合理調(diào)整泵送參數(shù)，對(duì)煤泥的穩(wěn)定輸送意義重大。

筆者在分析煤泥理化特性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析比較了目前2種主流測(cè)試方法，即管流法和旋轉(zhuǎn)法，分別就測(cè)定原理、測(cè)試裝置、測(cè)試方法、測(cè)定參數(shù)及測(cè)定結(jié)果等進(jìn)行了分析比較，并結(jié)合數(shù)值模擬法，對(duì)未來(lái)煤泥膏體流變特性的測(cè)定進(jìn)行了展望。

1 煤泥的理化特性

1.1 煤泥的基本理化性質(zhì)

按照采煤和選煤工藝的不同，煤泥大致可分為選煤廠的浮選尾煤、煤水混合物產(chǎn)出的煤泥、礦井排水夾帶的煤泥。

按照灰分的含量和熱值，煤泥可分為低灰煤泥、中灰煤泥和高灰煤泥，煤泥的分類(lèi)見(jiàn)表1[9-10]。

煤泥的理化特性如下：煤泥的粒度較細(xì)，最大粒徑不超過(guò)0.500 mm[11]，小于0.074 mm的微粒占比為70%～90%[12]；含水量約為30%，具有持水性強(qiáng)、不易脫水的特點(diǎn)[13-14]；煤泥中含有較大比例的黏土礦物，這些黏土礦物富集于極細(xì)的粒級(jí)中，礦物遇水即膨脹、粉化，極易形成極細(xì)的膠體顆粒，黏結(jié)性較強(qiáng)[15]且流動(dòng)性差；pH值通常偏中性[16]，為7～9；灰分含量一般為30%左右[13]；熱值通常在20 MJ/kg以上[17]，具有燃燒利用的價(jià)值。

1.2 煤泥的流變特性

流變特性是物體在外力作用下發(fā)生的應(yīng)變與其應(yīng)力之間的定量關(guān)系，這種應(yīng)變(流動(dòng)或變形)與物體的性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)[18]。煤泥的流變特性，即煤泥的黏性，表示受剪切力作用的膏體產(chǎn)生的變形與所受剪切力之間的關(guān)系。在常溫狀態(tài)剪切速率一定的情況下，隨著煤泥質(zhì)量濃度的升高，煤泥的黏度也會(huì)相應(yīng)升高，煤泥膏體逐漸從假塑性流體轉(zhuǎn)變?yōu)榍偎苄粤黧w，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成賓漢性流體。不同質(zhì)量濃度的煤泥黏度關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同質(zhì)量濃度的煤泥黏度關(guān)系

2 煤泥流變特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法

目前在國(guó)內(nèi)外研究中，針對(duì)煤泥膏體的流變特性主要從膏體黏度、剪切應(yīng)力、溫度、流速、剪切速率、剪切時(shí)間等方面進(jìn)行考察，測(cè)定煤泥膏體流變特性的實(shí)驗(yàn)方法主要有管流法和旋轉(zhuǎn)法。

2.1 管流法

管流法是目前測(cè)定煤泥膏體流變特性應(yīng)用最多的一種方法，根據(jù)工程實(shí)際情況以及應(yīng)用的不同分為垂直管道壓降法、水平管路壓降法、環(huán)管實(shí)驗(yàn)法等3種方法。

2.1.1 管流法測(cè)定原理

管流法是通過(guò)管道輸送煤泥膏體，在一定的含水率下測(cè)定煤泥膏體流量或流速與管道上某段壓力差之間關(guān)系的一種方法。該方法的特點(diǎn)是需要搭建管道輸送實(shí)驗(yàn)裝置及壓力測(cè)試裝置，模擬工程實(shí)際情況通過(guò)管道泵送的方式輸送煤泥膏體；具體實(shí)驗(yàn)測(cè)定過(guò)程是確定一定含水率的煤泥膏體，給定相同的泵送功率，獲得單位時(shí)間內(nèi)的流量，測(cè)定管道上相鄰點(diǎn)之間的壓力差?；跍y(cè)得的濃度、壓力差以及流量或流速等數(shù)據(jù)擬合確定煤泥膏體流變特性及流變參數(shù)。

2.1.2 垂直管道壓降法

垂直管道壓降法是應(yīng)用最早也是最廣泛的測(cè)定煤泥膏體流變特性的方法。測(cè)定裝置主要由垂直管道、擠壓泵、煤泥槽及若干壓力表組成，垂直管道流變特性測(cè)試裝置如圖2所示[19]。

圖2 垂直管道流變特性測(cè)試裝置

浙江大學(xué)楊家林等[19]研究人員研究搭建了垂直管道，測(cè)定了重慶永川高濃度洗選煤泥的流變特性，并用數(shù)值方法按含水率擬合了流變特性參數(shù)方程；浙江大學(xué)呂帥[20]采用擠壓泵管道循環(huán)回送裝置進(jìn)行了印尼褐煤煤泥漿管道流變特性的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)擬合回歸分析，用雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn)表征了煤泥膏體的流變特性。

2.1.3 水平管路壓降法

GAO J等[21]研究人員設(shè)計(jì)水平管路確定了煤泥在不同管徑(體積濃度為45.44%～57.06%)下輸送的流變模型，并分析了煤泥流變特性隨管徑和體積濃度的變化趨勢(shì)；范家峰等[22]研究人員根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)用水平管路壓降法對(duì)洗選煤泥的流變特性進(jìn)行了測(cè)定，水平管理流變特性實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 水平管路流變特性實(shí)驗(yàn)裝置

通過(guò)流動(dòng)管路壓降法實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定的實(shí)驗(yàn)水分下，用變頻調(diào)速電機(jī)改變煤泥泵的頻率，便可有相應(yīng)確定的轉(zhuǎn)速和一定的流速、流量，根據(jù)剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系，可以得出煤泥表觀黏度以及煤泥流動(dòng)阻力與流量的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算后得到洗選煤泥的流變特性參數(shù)經(jīng)計(jì)算后得到洗煤泥的流變特性參數(shù)屈服應(yīng)力τ0、稠度系數(shù)K、冪定律指數(shù)n，由流變特性參數(shù)最終得到流變特性回歸方程。

2.1.4 環(huán)管實(shí)驗(yàn)法

環(huán)管實(shí)驗(yàn)法是通過(guò)漿料儲(chǔ)罐、電磁流量計(jì)、螺桿泵、水冷卻設(shè)備、隔膜壓力傳感器和數(shù)據(jù)測(cè)量及采集系統(tǒng)搭建而成的測(cè)量煤泥膏體流變特性的方法。陳丹丹[4]應(yīng)用環(huán)管實(shí)驗(yàn)法測(cè)定了褐煤煤泥的流變特性，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Herschel-Bulkley模型擬合發(fā)現(xiàn)褐煤煤泥漿體屬于賓漢性流體。環(huán)管實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 環(huán)管實(shí)驗(yàn)裝置

2.1.5 管流法測(cè)定方法使用對(duì)比分析

采用管流法原理測(cè)定煤泥膏體流變特性的方法主要有3種，分別從測(cè)試方法、測(cè)試參數(shù)、測(cè)試結(jié)果3個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析。管流法測(cè)定方法比較見(jiàn)表2。

表2 管流法測(cè)定方法比較

2.2 旋轉(zhuǎn)法

旋轉(zhuǎn)法是測(cè)量煤泥膏體流變特性的另一種方法，該方法原理相對(duì)簡(jiǎn)單，近些年國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)用此方法測(cè)定了煤泥膏體的流變特性。根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用的不同，逐漸發(fā)展成旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和多種流變儀，即普通旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(儀)、加壓旋轉(zhuǎn)流變儀、圓柱轉(zhuǎn)子流變儀、槳葉轉(zhuǎn)子流變儀等。

2.2.1 旋轉(zhuǎn)法測(cè)定原理

旋轉(zhuǎn)法測(cè)量煤泥膏體流變特性的原理主要是模擬管道內(nèi)的物料輸送狀況，測(cè)試不同壓力下膏體的黏度值，找出黏度隨轉(zhuǎn)子壓力變化的規(guī)律，從而得到加壓狀態(tài)下膏體的流變特性參數(shù)。

2.2.2 普通旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(儀)

旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)是旋轉(zhuǎn)法測(cè)試膏體流變特性最早、最成熟的一種方法，其原理是通過(guò)一個(gè)經(jīng)校驗(yàn)過(guò)的鈹-銅合金的彈簧帶動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)子在膏體中持續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測(cè)得彈簧的扭轉(zhuǎn)程度即扭矩，它與浸入樣品中的轉(zhuǎn)子被黏性拖拉形成的阻力成比例，扭矩因而與流體的黏度呈正比，通過(guò)這一原理測(cè)量膏體的黏度值。

SINGH M K等[23]研究人員利用流變儀研究了印度煤漿的流變行為，研究了粒度、固含量和溫度對(duì)煤漿流變性能的影響；王玉明等[24]研究人員應(yīng)用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)研究了含水率、溫度、靜置時(shí)間對(duì)煤泥黏度的影響；STRYCAEK S等[25]研究人員研究了微波能量處理對(duì)黏度計(jì)中煤水漿流變特性的影響以及顆粒直徑、固體濃度、微波(MW)暴露時(shí)間和剪切速率對(duì)水煤漿表觀黏度的影響；林偉偉[26]運(yùn)用NXS-11A型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量了煤泥膏體的流變特性，分析了不同濃度下煤泥的表觀黏度與剪切速率之間的關(guān)系以及剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系，尋找其流動(dòng)規(guī)律，為煤泥的輸送提供了理論技術(shù)依據(jù)；SAHOO B K等[27]研究人員通過(guò)流變儀測(cè)定發(fā)現(xiàn)微波預(yù)處理增強(qiáng)了印度高灰煤水懸浮液的流變行為；邵兵等[28]研究人員采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)煤泥的流變特性進(jìn)行了測(cè)試，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了煤泥濃度與黏度以及煤泥剪切速率與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系，通過(guò)分析計(jì)算得出隨著煤泥濃度的增加，煤泥的流變狀態(tài)由假塑性流體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢性流體；DAI Z等[29]研究人員運(yùn)用NDJ-79A旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定了壓濾煤泥的表觀黏度，探究了剪切速率、溫度、剪切時(shí)間對(duì)煤泥黏度的影響規(guī)律。不同于其他研究學(xué)者，DAI Z等研究人員采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在恒定剪切速率(344 s-1、2 028 s-1)下探究了4種不同含水率(32.5%、35.0%、37.5%、40.0%)的壓濾煤泥溫度對(duì)其流變特性的影響規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，煤泥的表觀黏度有所下降，其溫度-表觀黏度曲線(xiàn)[29]如圖5所示。

圖5 不同含水率煤泥膏體溫度-表觀黏度曲線(xiàn)

旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)具有體積小、質(zhì)量輕、操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度較低、獲取數(shù)據(jù)較快、單次實(shí)驗(yàn)所需物料較少等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前學(xué)者們經(jīng)常采用的測(cè)定煤泥膏體流變特性的方法，可以從含水率、剪切速率、剪切時(shí)間、溫度等多個(gè)維度探究單一因素或多因素情況對(duì)煤泥膏體流變特性的影響規(guī)律。

2.2.3 加壓旋轉(zhuǎn)流變儀

加壓旋轉(zhuǎn)流變儀采用普通旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要測(cè)試高壓下高濃度黏稠物料的黏度變化和流變特性，通過(guò)獲得的黏度與壓力的關(guān)系、剪切應(yīng)力與黏度的關(guān)系來(lái)表征被測(cè)物料的流變特性。該儀器是將物料封閉加壓在管道中輸送，從而達(dá)到加壓測(cè)試膏體流變特性的目的。加壓旋轉(zhuǎn)流變儀主要由加壓系統(tǒng)、黏度測(cè)試組件、壓力傳感器、扭矩傳感器、交流伺服電機(jī)和支架組成。楊曉璞等[30]研究人員研制出一種加壓旋轉(zhuǎn)流變儀，這種流變儀可測(cè)量高濃度物料(原生煤泥、造紙污泥、城市污泥等一類(lèi)工業(yè)廢棄物)的流變參數(shù)。由吳鈺晶等[31]研究人員發(fā)明的專(zhuān)利“加壓旋轉(zhuǎn)流變儀”，可以針對(duì)含有較大顆粒物的高濃度黏稠漿體進(jìn)行加壓下的流變特性測(cè)量。不同壓力下煤泥膏體剪切速率-表觀黏度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同壓力下煤泥膏體剪切速率-表觀黏度曲線(xiàn)

加壓旋轉(zhuǎn)流變儀解決了高濃度黏稠物料測(cè)定流變特性時(shí)物料被轉(zhuǎn)子攪散的問(wèn)題，該方法具有實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是測(cè)定煤泥膏體流變特性勞動(dòng)強(qiáng)度較小的一種方法。

2.2.4 圓柱轉(zhuǎn)子流變儀和漿葉轉(zhuǎn)子流變儀

圓柱轉(zhuǎn)子流變儀和槳葉轉(zhuǎn)子流變儀是后來(lái)研究學(xué)者根據(jù)工程的實(shí)際情況，在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)流變儀理論原理基礎(chǔ)上改造的2種流變儀。工作原理相似，均是推導(dǎo)剪切應(yīng)力與剪切速率的基本表達(dá)式，其區(qū)別主要在于轉(zhuǎn)子的不同。PRESTIDGE C A[32]用同心圓柱流變儀研究了浮選條件下超細(xì)方鉛礦顆粒漿體的流變特性(黏度和外推屈服值)；趙學(xué)義等[33]研究人員運(yùn)用圓柱轉(zhuǎn)子流變儀對(duì)不同含水率的煤泥膏體進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，并繪制流變曲線(xiàn)和黏度曲線(xiàn)，得到了流變方程。質(zhì)量濃度與表觀黏度曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 質(zhì)量濃度與表觀黏度曲線(xiàn)

陳輝等[34]研究人員通過(guò)R/S型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)定了不同濃度下新拌膏體料漿的屈服應(yīng)力，揭示其流變特性隨泵送劑摻量的變化規(guī)律，探討了泵送劑對(duì)膏體漿體的作用影響；呂馥言[35]運(yùn)用槳葉轉(zhuǎn)子流變儀測(cè)定了濃密膏體的流變特性。槳葉轉(zhuǎn)子流變儀在測(cè)試中能避免管道壁面滑移現(xiàn)象，相比圓柱轉(zhuǎn)子流變儀使用更加頻繁。

2.2.5 旋轉(zhuǎn)法測(cè)定方法結(jié)果對(duì)比分析

旋轉(zhuǎn)法測(cè)定煤泥膏體流變特性主要從剪切速率、表觀黏度、剪切應(yīng)力、剪切時(shí)間、溫度等幾個(gè)維度對(duì)比分析討論，主要從測(cè)定方法、測(cè)定參數(shù)、測(cè)定結(jié)果等3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，旋轉(zhuǎn)法測(cè)定方法比較見(jiàn)表3。

表3 旋轉(zhuǎn)法測(cè)定方法比較

2.3 管流法與旋轉(zhuǎn)法的比較分析

2.3.1 使用率比較

對(duì)于煤泥等膏狀流體，由于其黏度較大、濃度較高，其主流方法是管流法和旋轉(zhuǎn)法。相比較旋轉(zhuǎn)法，管流法原理簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性、可靠度高，且與工程實(shí)際結(jié)合緊密，因而早期應(yīng)用最多。近些年隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這2種方法的使用率幾乎持平。國(guó)內(nèi)外學(xué)者測(cè)定煤泥膏體流變特性方法的占比如圖8所示。

圖8 國(guó)內(nèi)外學(xué)者測(cè)定煤泥膏體流變特性方法占比

2.3.2 優(yōu)缺點(diǎn)比較

管流法和旋轉(zhuǎn)法作為測(cè)定煤泥膏體流變特性使用最多的2種方法，可以根據(jù)工程實(shí)際概況進(jìn)行選擇。相比較旋轉(zhuǎn)法，管流法的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)模擬管道泵送，可以獲得更加貼合實(shí)際的泵送數(shù)據(jù)，即準(zhǔn)確性和可靠度更高；旋轉(zhuǎn)法的優(yōu)點(diǎn)主要是單次實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)較短、獲取數(shù)據(jù)較快、單次實(shí)驗(yàn)成本較低等。在研究煤泥膏體流變特性的過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)采用2種方法進(jìn)行測(cè)定。將2種方法測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，綜合考慮各自的可靠性和準(zhǔn)確性，得到最優(yōu)化的煤泥膏體流變特性的研究方案。管流法和旋轉(zhuǎn)法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 管流法和旋轉(zhuǎn)法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 新興的煤泥膏體流變特性測(cè)定方法

ZHANG J等[36]研究人員提出了一種基于逆?zhèn)鳠崂碚摰臐{體黏度系數(shù)和固相體積分?jǐn)?shù)識(shí)別方法，得到漿料表觀黏度的最佳估計(jì)方法；郭志剛[37]采用虛擬模擬方法，從膏體的微觀結(jié)構(gòu)和理論模型出發(fā)，通過(guò)仿真研究膏體的流體特性，同時(shí)郭志剛還進(jìn)行了管流法虛擬實(shí)驗(yàn)，采用Pro/Engineer軟件建立膏體管道輸送的三維模型，劃分好網(wǎng)格后采用Fluent分析軟件進(jìn)行流變特性分析。通過(guò)Fluent仿真模擬出管段沿程阻力壓降如圖9所示。這種方法是基于管流法的原理，但將具體實(shí)驗(yàn)操作智能化，降低了實(shí)驗(yàn)成本，加快了數(shù)據(jù)獲取速度，屬于管流法+數(shù)值模擬聯(lián)合使用測(cè)定煤泥膏體流變特性的一種新興方法。目前新興方法還處于研發(fā)階段，通過(guò)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)相關(guān)的報(bào)道較少，其準(zhǔn)確性還有待考查。但這種方法的出現(xiàn)預(yù)示著未來(lái)測(cè)定煤泥膏體流變特性的方法將更加多元化，學(xué)者們可根據(jù)研究需要選取不同的方法。

圖9 Fluent仿真計(jì)算沿程壓降[37]

4 結(jié)論

黏稠煤泥膏體的泵送長(zhǎng)期以來(lái)都是煤泥運(yùn)送的難題之一，合理計(jì)算泵送能耗對(duì)煤泥輸送具有指導(dǎo)性意義，而煤泥的流變特性是泵送環(huán)節(jié)最需要研究的理化特性。選擇準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)的測(cè)定方法對(duì)研究煤泥膏體的流變特性具有關(guān)鍵性作用。

目前國(guó)內(nèi)外測(cè)定煤泥膏體流變特性的方法依然以管流法和旋轉(zhuǎn)法居多，計(jì)算機(jī)模擬分析在未來(lái)很有發(fā)展前景，建立高效的計(jì)算機(jī)模擬煤泥膏體泵送流變特性分析系統(tǒng)將具有跨時(shí)代意義。