基于神府煤的油水煤浆流变特性试验研究

2015-12-20李弯弯梁耀东王俊哲

选煤技术 2015年5期

关键词：屈服应力水煤浆浆体

李弯弯，梁耀东，巨鹏，王俊哲

(1.西安科技大学化学与化工学院，陕西西安 710054；2.陕西煤业化工新型能源有限公司神木分公司，陕西榆林 719300)

基于神府煤的油水煤浆流变特性试验研究

李弯弯1,2，梁耀东1，巨鹏2，王俊哲2

(1.西安科技大学化学与化工学院，陕西西安 710054；2.陕西煤业化工新型能源有限公司神木分公司，陕西榆林 719300)

为提高基于神府煤的油水煤浆流变特性，探索了分散剂种类及其添加量、水煤比、温度对油水煤浆粘度的影响，并在试验温度范围内，对其流变曲线进行了回归分析。研究结果表明：在试验范围内，随着分散剂种类和添加量的变化，油水煤浆的表观粘度发生了相应变化；油水煤浆体系中煤含量高时，不利于体系分散降粘，温度高时浆体的表观粘度降低；该油水煤浆的流变特性符合Herschel-Bulkley模型，可根据流动特性指数直接判定其流变特性。

油水煤浆；流变特性；粘度；流变模型

从1993年起，我国成为石油净进口国家[1]。根据中国石油经济技术研究院发布的《2014年国内外油气行业发展报告》，2014年我国石油对外依存度达到59.50%，预计2020年达到69%[2]。按照国际惯例，通常能源进口量超过国内需求量一半时，就意味着这个国家将面临能源危机或存在潜在的能源战略风险。因此，开发适合我国国情的煤基液态洁净燃料已成为大势所趋。

油煤浆和水煤浆作为代油燃料具有一定可行性，但油煤浆粘度高、价格昂贵，且只能部分代油；水煤浆能完全代油，但其对制浆原煤要求较高，热值较低，且需要对燃油锅炉及其喷嘴进行较大改造[3-4]。油水煤浆是在油煤浆、水煤浆的基础上发展起来的代油燃料，具有燃点低、热值高的特点，在燃料灰分较低时可以直接用于燃油锅炉，且对锅炉和喷嘴改造的幅度较小[4]。郭延红等[5]研究了油、水、煤三相的比例对两种三元料浆的流变性和表观粘度的影响，研究结果表明：油基油水煤浆和水基油水煤浆三元混合料浆均为屈服-假塑性流体，油基油水煤浆的表观粘度随外相油含量的降低和煤水比例的升高而增大，水基油水煤浆的表观粘度随水油比例的降低和煤油比例的升高而增大。郭东红等[6]的研究发现，油基油水煤浆的流变特性符合Herschel- Bulkley模型，水基油水煤浆的流变特性符合Bingham模型。

为提高基于神府煤的油水煤浆流变特性，对影响油水煤浆表观粘度的分散剂种类及其用量、水煤比、温度进行研究，并利用流变模型拟合出试验温度下的流变曲线，揭示了温度对油水煤浆流变特性的影响规律。

1 试验

1.1 仪器与试剂

仪器包括NXS-4C水煤浆粘度计、DHS-16A红外水分仪、AM1000L-P电动搅拌机、FA-2004电子天平，此外还有量筒等容器。

试剂包括轻柴油，OP-10乳化剂(工业级)，HF-5分散剂(分析纯)，XDX分散剂(分析纯)，PSS分散剂(分析纯)。

1.2 煤质特征

油水煤浆流变特性试验所用的原料煤为神府煤，根据煤质特征(表1、表2)可知：其为低变质程度的不粘煤，具有低灰、低硫、高发热量的特点，但由于氧碳比高，可磨性指数低，成浆难度大。根据张荣曾[7]评价原料煤成浆性的理论，成浆性指数(D值)越大，原料煤成浆难度越大。一般情况下，当D>10时原料煤很难成浆，而神府煤的D为12.87，制备油水煤浆的难度更大。

表1 神府煤工业分析结果

表2 神府煤元素分析结果

1.3 试验方案

按一定比例在钢皿内加入OP-10乳化剂、水、轻柴油，用搅拌器搅拌5 min，使其充分乳化且分布均匀；少量多次加入原料煤和分散剂(按照不同试验要求，分别加入HF-5、XDX、PSS)，在500～800 r/min的转速下搅拌15 min，使其混合均匀；制浆完成后，静置2～3 min。

利用单一因素法研究分散剂种类、水煤比、温度对油水煤浆粘度的影响，并在试验温度下，对油水煤浆的流变曲线进行回归分析。

1.4 评价指标

油水煤浆是一种复杂的固-液两相流体，其流变特性主要体现在表观粘度、屈服应力及在较大剪切速率范围内的剪切应力与剪切速率的关系[8]，也就是流变模型。因此，以这三个指标作为评价油水煤浆流变特性的指标。

2 试验结果与分析

2.1 分散剂种类及其添加量对油水煤浆表观粘度的影响

试验中分散剂的添加量以分散剂的质量与干煤粉的质量比计算，分散剂种类及其添加量与油水煤浆表观粘度关系曲线如图1所示。

图1 分散剂种类及其添加量与油水煤浆表观粘度关系曲线

由图1可知：

(1)当分散剂的添加量为0.5 %时，油水煤浆的表观粘度最小；当分散剂的添加量在0.5%～0.7%时，浆体的表观粘度变化不明显。

(2)在分散剂添加量相同时，添加分散剂XDX的浆体粘度较低。这是因为萘系磺酸盐表面活性剂离解后的阴离子具有两亲性，亲油基团为有机烷链，亲水基团为磺酸基。萘环通过范德华力吸附在油水煤浆的煤粒和油粒表面，使其由疏水性变为亲水性，并借助水化膜的作用将煤粒与油粒隔开，在使颗粒间距离增大的同时使其相互间的阻力减小。根据相似相溶原理，由于煤中含有稠环芳香结构，其与萘系磺酸盐亲油的非极性基相近，二者具有较好的匹配性，故分散降粘效果较好。

(3)木质素磺酸盐也有酚基、羟基及多芳环结构，但其相对分子量过大，有机大分子的原子和基团多而拥挤，产生的空间位阻大，分子间易因“架桥作用”而将水分子包裹，不利于浆体分散降粘。

2.2 水煤比对油水煤浆表观粘度的影响

水煤比是指试验过程中水与干煤粉的质量之比，煤含量是相对水和煤组成的整体而言的。水煤比与油水煤浆表观粘度关系曲线如图2所示。

图2 水煤比与油水煤浆表观粘度关系曲线

由图2知：当煤含量从56 %增至60 %时，油水煤浆的表观粘度急剧增大，在剪切速率为100 s-1时，表观粘度由479.5 mPa·s增至1 191 mPa·s，增加了1.48倍。由此来看，煤含量对油水煤浆的表观粘度有很大影响。

这是因为随着煤含量的增加，煤粉在煤浆体系中的体积分数增大，颗粒间相互碰撞的机会增加，致使体系粘度增大[9]。同时，随着煤粉含量的增加，煤粉体系表面的表面能增大，更容易在其表面团聚。此外，煤粉含量增加，还会吸附更多的乳化剂，不利于水在油中分散。

2.3 温度对油水煤浆表观粘度的影响

为使泵送和雾化效果良好，一般通过改变炉前油水煤浆的温度来降低浆体粘度。因此，有必要了解油水煤浆的粘温特性。加入XDX分散剂、OP-10乳化剂后的油水煤浆粘温特性曲线如图3所示。

图3 温度与油水煤浆表观粘度关系曲线

由图3可知：在303.15～333.15 K时，油水煤浆的表观粘度随温度的升高而降低。这主要是由三个原因引起的，一是随着温度的逐渐升高，XDX分散剂的活性增强，有利于其平铺在煤粒表面，分散降粘效果得到改善；二是温度升高浆体中煤粒的布朗运动加快，煤粒分散更均匀；三是浆体体积随温度的升高而增大，三相体系间的力平衡关系被破坏，进而导致浆体粘度下降[10-11]。

3 油水煤浆的流变特性

3.1 油水煤浆流变模型的拟合

常见的油水煤浆流体类型主要包括四种[7]：假塑性流体、胀流性流体、屈服假塑性流体、屈服胀流性流体。假塑性流体的表观粘度随剪切速率的增大而减小，呈现“剪切变稀”的特性；胀流性流体的表观粘度随剪切速率的增大而增大，呈现“剪切变稠”的特性；屈服假塑性流体是带有一定屈服应力的假塑性流体，呈现“剪切变稀”的特性；屈服胀流性流体是带有一定屈服应力的胀流性流体，呈现“剪切变稠”的特性。常见的流变模型为Power-law模型[12]、Bingham模型[13]、Herschel-Bulkley模型[14]，其数学表达式依次为：

τ=Kγ，

τ=τv+μγ，

τ=τv+Kγn，

式中：τ为剪切应力，Pa；τv为屈服应力，Pa;μ为刚度系数；γ为剪切速率，s-1；n为流动特性指数；K为稠度系数。

根据研究结果，油水煤浆的流变模型有Bingham模型、Herschel-Bulkley模型，分别采用两个模型对不同温度的油水煤浆进行拟合，拟合曲线如图4所示，拟合结果如表3所示。

图4 不同温度下的油水煤浆剪切应力与剪切速率关系曲线

温度/KHerschel-Bulkley模型τv/PaKn相关系数R2Bingham模型τv/Paμ相关系数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)在不同温度下，就油水煤浆的相关系数来看，Herschel-Bulkley模型普遍比Bingham模型吻合度高，尤其当温度为303.15 K时，前者拟合程度明显优于后者。这说明油水煤浆的流变特性更符合Herschel-Bulkley模型。

(2)在试验范围内，对于温度不超过323.15 K的油水煤浆来说，Herschel-Bulkley模型的屈服应力均小于Bingham模型；当温度分别为303.15、313.15 K时，屈服应力下降幅度更明显。随着温度的升高，浆体的屈服应力逐渐增加，n值逐渐减小。屈服应力增加，主要是因为随着温度的升高，浆体中水相的粘度变小，从而使水包煤的粒度减小而粒数增加，由于颗粒间的自由水量未变而摩擦力增大，屈服应力相应增加；但当温度达到333.15 K时，剪切应力变大，体系的稠度系数反而升高，n值也发生较大变化，这可能是温度超过一定值，油水煤浆粘度增大的原因。

3.2 拟合结果的验证

体系的表观粘度是表征流体流动时内摩擦大小的量，如果体系的流变模型基本无变化，可以认为表观粘度随温度的变化规律与外相液体粘度变化一致，基本服从Arrhenius公式[15]：

式中：η为表观粘度，mPa·s；Ea为剪切速率不变时摩尔混合体系变换新的位置所需要的能量[16]，kJ/mol；A为粘度常数；R为常数，J/(mol·K)；T为温度，K。

对表观粘度公式作对数处理,可得到下式：

如果体系的变化符合Arrhenius公式，则ln(η)与1/T之间呈线性关系。浆体表观粘度的温度依赖性曲线如图5所示。

由图5可知：随着温度的改变，体系的表观粘度符合Arrhenius 公式。在温度较低时，油水煤浆的表观粘度较小，随着温度的逐渐升高，表观粘度逐渐增大，这与表3中稠度系数K的变化规律相似。由此推断，随着体系温度的升高，浆体燃料中的外相水可能发生了一定变化，使得表观粘度增大，稠度系数K也逐渐增大。外相水的变化，在很大程度上是由于煤颗粒中的小分子物质溶入其中，从而使其表观粘度增大；同时，由于煤是一种结构很复杂的物质，其分子结构中镶嵌着许多结构简单、相对分子量较小的物质，如树脂、树蜡等，其孔隙结构中通常还吸附有微分子量的物质，温度升高时，这些物质会慢慢溶于水中，从而使外相水的粘度增大。

图5 浆体表观粘度的温度依赖性曲线

不同剪切速率下的A和Ea值如表4所示。由表4可知：随着剪切速率的增大，活化能整体呈下降趋势，浆体的流动性变好，这也与试验结果一致。这是因为随着剪切速率的增大，内相颗粒之间运动的剧烈程度增大，从而使流动阻力减小，浆体的表观粘度降低。

表4 不同剪切速率下的A和Ea值

综上所述，基于神府煤的油水煤浆流变特性符合Herschel-Bulkley模型，可以将流变模型拟合出的流变参数应用到生产实践中，同时该油水煤浆的流变特性也可依据流动特性指数(n值的大小)直接进行判定。

4 结论

(1)随着分散剂种类和添加量的变化，油水煤浆的表观粘度也发生变化。当分散剂为XDX，且添加量为0.5%时，油水煤浆的表观粘度较低。

(2)油水煤浆体系中煤含量高时，不利于体系的分散降粘；当体系温度升高时，浆体的表观粘度降低。

(3)该油水煤浆的流变特性更符合Herschel-Bulkley模型，可将流变模型拟合出的流变参数应用到生产实践中，也可依据流动特性指数(n值的大小)直接判定其流变特性。

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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