赤泥加压下的流变特性实验研究

王 焱,吴钰晶

(1.中国有色矿业集团有限公司 北京 100029; 2.安标国家矿用产品安全标志中心 北京 100013)

赤泥加压下的流变特性实验研究

王 焱1,吴钰晶2

(1.中国有色矿业集团有限公司 北京 100029; 2.安标国家矿用产品安全标志中心 北京 100013)

赤泥是铝土矿中提炼氧化铝的废弃物,但仍有回收利用价值,将赤泥通过高压管道输送到目的地,能够减少二次污染.研究压力对赤泥流变特性的影响是高压管道输送赤泥的重要理论基础.鉴于此,用PVS高温高压流变仪分别在常压、2 MPa、4 MPa压力下对60%的赤泥进行流变测量,实验结果表明赤泥的表观黏度、屈服应力值随压力的增大而减少.并根据拟合得到的流变方程,利用积分法推算出了不同压力下赤泥管道输送单位长度摩阻损失的一般表达式,为高压管道输送赤泥系统提供理论基础.

赤泥;流变特性;表观黏度;高压;管道输送

1 概述

赤泥是铝土矿提炼氧化铝过程中产生的废弃物,属强碱性有害残渣,含水率高,容重700～1 000 kg/m3,比表面积0.5～0.8 m2/g[1].据资料介绍,大多数生产厂每生产1t氧化铝同时产出1.0～1.8 t赤泥[2-3],目前全世界每年产生的赤泥约5 000万t;我国每年产生的赤泥为400万t以上[4-5],现今国内赤泥累积堆存已超过1亿吨[6].赤泥大量堆放占用了大量土地,也造成严重的环境污染[7].

采用高压管道输送赤泥,以其封闭输送无污染、对地形适应性强、少占土地、基建投资低等优点成为输送赤泥的最优途径.本文主要研究加压下赤泥的流变特性,并得到压力对赤泥流变特性的影响以及不同压力下输送赤泥的单位长度摩阻损失模型.该研究对赤泥高压管道输送、指导工业生产与应用具有很重要的理论意义和现实意义.

2 测试原理及其表达方式

赤泥属于典型的高浓度粘稠物料,其流动特性与煤泥和其他膏体类物质(如水泥浆等)相似,都属于非牛顿流体范畴[8-9].非牛顿流体的黏度用表观黏度来描述,表观黏度是剪切应力被剪切速率除得的与剪切速率相依的商数,用η表示:

式中:τ—剪切应力,Pa;

3 赤泥流变加压下特性测试结果及其分析

此次实验的赤泥来自山东铝业股份有限公司第二氧化铝厂(淄博),由于赤泥久置、干化严重,原始状态的赤泥不溶于水,溶于碱性溶液,因此在赤泥中加入一定量的碳酸钠(Na2CO3)溶液后经过充分搅拌,使得赤泥达到实验所需状态.实验赤泥的体积质量1.8～1.85 g/cm3,加入的Na2CO3与赤泥的重量比为1∶15.

3.1 剪切速率与剪切应力的关系

对含固量为60%赤泥在室温下进行不同压力的测试,得出赤泥的剪切应力与剪切速率的关系,并根据描绘出的关系图判定该介质的性质.下面为常压、2,4 MPa下赤泥流变特性曲线,见图1.

图1 赤泥在不同压力下的流变特性

将浓度60%赤泥在常压、2,4 MPa压力下拟合的流变方程、流体类型总结到表1.

表1 赤泥的流变特性及流变参数(含固量60%)

可见在压力≤4 MPa时,赤泥为宾汉流体,对宾汉流体施加的切应力只有超过屈服应力τ0时才能产生流动.随压力增高赤泥屈服应力减少,表明压力越大,所要对赤泥施加的力越小,赤泥越容易流动,故管道输送赤泥时压力越大越好输送.

3.2 测量压力与表观黏度关系

温度和压力是影响物质流变特性的两个重要因素[10],在赤泥管道输送中压力的影响很重要,所以研究赤泥与压力的关系很必要.根据所做实验的数据可得,赤泥(浓度60%)表观黏度与压力关系曲线图如下.

分析图2曲线可知随压力增加赤泥表观黏度随压力增加有减小趋势.

3.3 流变方程与单位长度摩阻损失模型

表2 不同压力下赤泥表观粘度

图2 浓度60%赤泥表观黏度与压力关系图

(1)

式中:r—圆管截面任意点距管道中心处的距离;

τ—圆管截面上距管道中心半径r处剪切应力;

L—管路长度;

Δp—长度为L的管道上所对应的压力降.

3.3.1 一般计算式推导

由所做60%赤泥实验所确定的流变特性可知,可将其流变方程的一般形式统一表达为:

(2)

τ—剪切应力;

τ0—屈服应力;

k—稠度系数,取决于流体性质;

n—流变指数,无因次,表示偏离牛顿流体的程度.

当τ0≠0且n=1时,式(2)即为60%赤泥的流变方程(宾汉型非牛顿流体的流变方程).

将式(2)代入以非时变性黏性流体圆管层流压降和流量的关系式中:

(3)

式中:Q—圆管层流流量;

L—管路长度;

Δp—长度为L的管道上所对应的压力降;

τ—剪切应力;

τ0—屈服应力;

k—稠度系数,取决于流体性质;

n—流变指数,无因次,表示偏离牛顿流体的程度.

其中,

(4)

式中:τw—管壁切应力;

τ0—屈服应力;

k—稠度系数,取决于流体性质;

n—流变指数,无因次,表示偏离牛顿流体的程度.

(5)

式中:Q—圆管层流流量;

P—摩阻损失;

τ0—屈服应力;

k—稠度系数,取决于流体性质;

n—流变指数,无因次,表示偏离牛顿流体的程度;

R—管道半径.

3.3.2 60%赤泥摩阻损失的推导

(6)

式中:Q—圆管层流流量;

r0—宾汉流体流核半径;

Δp—长度为L的管道上所对应的压力降;

ηp—宾汉流体的塑性黏度;

R—管道半径.

在流量较大时,流核半径r0≪R,式(6)右端的四次方项可略去不计,宾汉流体的塑性黏度ηp即为式(5)中的k,则式(5)可近似写成:

(7)

式中:P—阻损失;

Q—圆管层流流量;

k—稠度系数,取决于流体性质;

τ0—屈服应力;

R—管道半径;

ηp—宾汉流体的塑性黏度.

式(7)即为60%赤泥(宾汉型)管道输送摩阻损失计算式.

式中各变量的单位均为国际单位.

从式中可以看出,知道赤泥的流变方程,就知道系数τ0和k值,还需要相关管道实验得到的参数,如流量Q、管径R即可求得物料的摩阻损失.

4 结论

通过对赤泥初步进行加压下的实验测试与研究,总结出赤泥具有以下特性:

1)压力对赤泥的表观黏度有影响,常温下浓度为60%赤泥表观黏度随压力增加减少.

2)浓度60%赤泥常压、2 MPa和4 MPa压力下均是宾汉流体,且随压力增大屈服应力减少,表明压力越大,所要对赤泥施加的力越小,赤泥越容易流动,故管道输送赤泥时压力越大越好输送.

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[2] 南相莉,张廷安,刘燕,等.我国赤泥综合利用分析[J].过程工程学报,2010(10):264-270.

[3] 潘永泰,马俊芳,何明文,等.赤泥对煤矸石重金属污染控制可行性利用研[J].黑龙江科技信息,2016(34):24-25

[4] 姜怡娇,宁平.氧化铝厂赤泥的综合利用现状[J].环境科学与技术,2003,26(1):40-42

[5] 王星,赵学义,瞿圆媛,等.高浓度赤泥颗粒特性和流变特性的试验研究[J].金属矿山,2008,379(1):107-109,134

[6] 李冬,潘利祥,赵良庆,等.赤泥综合利用的研究进展[J].环境工程,2014(32):616-618,625

[7] 钱江涛,李文豪,张耀忠.赤泥综合利用技术现状及新工艺的提出[J].广东化工,2016,336(22):122-123

[8] 瞿圆媛,胡伟伟,郭光明,等.新型浓密膏体流变特性测试实验台研制与验证[J].仪器仪表学报,2009,30(8):1646-1650

[9] 冯圣生.高固含赤泥浆液的输送方式和输送流速的计算[J].轻金属,2013(8):24-25,43.

[10] 陈惠钊.粘度测量[M].北京:中国计量出版社,2003:58.

(责任编辑李超)

ExperimentalStudyonRheologicalPropertiesofRedMudunderPressure

WANG Yan1,WU Yu-jing2

(1.ChinaNonferrousMetalMining(Group)Co.Ltd,Beijing100029,China; 2.NationalMineProductSafetyCertificateCenter,Beijing100013,China)

Red mud is alumina waste after extraction of bauxite,but there are still recycling value,the red mud through the high-pressure pipeline to the destination,to reduce secondary pollution.The study of the influence of pressure on the rheological properties of red mud is an important theoretical basis for red mud transport in high-pressure pipeline.In view of this,the rheological properties of 60% red mud were measured by PVS high temperature and high pressure rheometer under normal pressure,2 MPa and 4 MPa respectively.The results show that the apparent viscosity and yield stress of red mud increase with pressure While reducing,and get the rheological equation.the general expression of friction loss per unit length of red mud pipeline under different pressures is deduced by the integral method,which provides a theoretical basis for high pressure pipeline conveying red mud system.

red mud;rheological properties;apparent viscosity;high pressure;pipeline transportation

2016-03-07

王焱(1971-)男，辽宁营口人，高级工程师.

O 368

A

1000-5846(2017)03-0276-06