摘要：水煤浆具有液体一样的流动性和稳定性，被称为液态煤炭产品。根据有关人员的研究结果发现，随着浆体流速的增加，煤浆的浓度越高阻力损失就越大。不同浓度的兖州煤浆在较小剪切速率下属于剪切变稀的浆体，但是随着剪切速率的增加，浓度大于60%的煤浆有效粘度趋于稳定，而浓度低于60%的煤浆有效粘度却逐渐增加，表现出一定的剪切变稠特性。本文对较高流速下水煤浆的流变特性展开研究分析，以供参考学习。
关键词：水煤浆；剪切速率；流变特性；
一、管流法的原理
管流法测量流体的流变模型时，流体在管道内做恒定剪切流动，通过测量流体流经管道内的体积流量及一段管长L上相应的压降ΔP，它们通过一定的转换都能间接地提供流体的剪切速率与剪切应力之间的关系。
用管流法原理测量水煤浆的流变特性时，认为水煤浆是不可压缩的流体，并对其在管道内的流动作如下假设：粘性层流、稳定流动、均匀流动、沿管壁无滑移。
二、水煤浆的级配
试验煤种为神华煤，颗粒真实密度为1.365g/cm3，煤粉经过标准筛筛分，三种颗粒的平均粒径分别为52μm、156μm和266μm。所有浆体均由煤粉、自来水和添加剂在储罐中经过充分搅拌混合而成。当浆体固相体积分数改变时，均采用新制备的浆体。所有制备的浆体中添加剂的量均采用添加剂（kg）/煤粉（kg）保持在相同水平。采用双峰分布颗粒制浆，小颗粒能够进入到大颗粒无法进入的空隙，小颗粒在这空隙中充当了“润滑”的作用，从而能够有效地降低浆体的黏度，增加浆体的最大体积分数。经实验验证。当小颗粒体积分数为35%时，体积浓度分别为46.4%和49.1%的浆体黏度最小。
三、水煤浆流变特性实验
3.1水煤浆的性质
水煤浆是粉煤分散于水介质中所形成的固液悬浮体。如欲提高水煤浆气化的技术经济效益，必须首先制备出高浓度（含固量）、低粘度、易泵送和稳定性好的煤浆。水煤桨中固体颗粒直径大多大于20μ，属于粗分散体系，而且是一个不均匀的、动力不稳定的体系，存在着重力沉降问题。特别是在流速较低或静止的情况下，由于重力作用，该体系随时间而发生变化，其结果是在煤水悬浮体中分成上层低浓度（或水）和下层高浓度（或沉积物）两部分。当外力作用（如强烈搅拌）下，分界层面会逐步消失而再次形成较均匀和较稳定的固液悬浮体系，这种现象称为触变现象。对水煤浆而言，低浓度情况下，剪应力和速度梯度基本符合牛顿流体的线性关系。当煤浆浓度大于50wt%时，就明显偏离了线性关系，应属于非牛顿流体。
3.2试验流程
图1 试验流程图
3.3实验条件
水煤浆输送及测量装置如图2所示，主要包括搅拌装置、浆料罐、螺杆泵、循环回路和数据测量采集系统。实验过程中，料罐中水煤浆始终保持搅拌，由螺杆泵送入循环回路，经试验管段和电磁流量记后送回煤浆罐循环使用。流量改变通过调节螺杆泵的转速实现，实验中最大流量为20m3/h。试验测量段为普通钢管直径为25mm。试验管段上压力降和流量分别用隔膜差压计和电磁流量计测量，测量精度为±1%，两种信号均送入数字采集系统。在循环回路上的上部水平段设有换热装置，试验过程中通过调节冷却水量来调节和稳定料罐内水煤浆温度。同时采用了NXC-4C水煤浆粘度计获得浆体在较高速率下的流变特性。
图2水煤浆输送及测量装置系统
1-煤浆储罐；2-搅拌机；3-螺杆泵；4-测量段；5-换热面；6-隔膜法兰；7-差压变送器；8-电磁流量计；9-电阻温度计；10-A/D转换器；11-计算机；12-隔膜压力表
以水煤浆为研究对象，颗粒分布如图3所示，煤粉呈双峰分布，平均粒径为123μm。试验中水煤浆均由煤粉、自来水和添加剂在煤浆储罐中后经过充分搅拌混合而成。为消除添加剂这一因素的影响，制备的水煤浆在所有浓度下保持添加剂重量和干煤粉重量在相同水平。
图3煤粉粒度分布
在水煤浆的流变参数中，表观粘度是较重要的一个。它是流体受到剪切力作用时抵抗变形的特性，它直接影响水煤浆在管道内流动时压力损失的大小，随着流速的增加，两种浓度的水煤浆阻力损失迅速地增加，而且浓度越高压力损失就越大。在相同的剪切速率下，随着固相浓度的增加，水煤浆的表观粘度表现出增加的趋势。这是因为随浓度增加，浆体间空隙率下降，固相颗粒更加紧密，颗粒流动不仅要克服流体和颗粒间产生的较大摩擦，而且还要克服颗粒间的相互作用力，使得流动的表观粘度增大。
浆体呈现膨胀特性将会导致浆体剪切变稠，使得黏度随着剪切速度的增加而增加，可以明显看出，浆体的表观黏度随着流速的增加而增加。主要是因为在制备这些煤浆时，加入了过多的细粉，致使在接下来的超细化处理过程中，双方经过多次搅动摩擦，使得煤的表面结构发生了巨大的变化，原本凹凸不平的煤变得光滑扁平，最终让煤的表面积逐渐扩大，煤的表面张力和疏水性也有相当程度的提高。在制造水煤浆的过程里，使用了分散剂，让煤与煤之间的粘合性降低，这些超细的煤粉在运动过程中逐渐形成了结构较为紧密的水化膜。当颗粒间距达到一定值时原有包在颗粒表面的水化膜首先在颗粒表面突出部分兼并或破裂，发生颗粒间的聚集，逐渐形成了大片的平面网状结构。
四、实验结论
较高流速下，相同剪切速率下，水煤浆的表观粘度随着浓度的增加而增加。这主要是由于浓度升高，浆体间的空隙率下降，颗粒更加靠近，颗粒流动不仅要克服流体与颗粒间产生的较大摩擦，而且要克服粒子间强烈的相互作用，从而导致流体阻力的增加。在较高流速下的水煤浆随着流量的增加而压差逐渐增大，而且增大的速率要比较低流速状态下的水煤浆压损的速率要大得多，这是由于层流状态下流速稳定，压损用于克服颗粒间的粘性力，而湍流状态下惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定进而压损消耗较大。
结束语
在煤矿业大力发展的今天，煤矿各项产业越来越趋近于成熟，当今社会更加注重节能技术和能源的高效利用，因此对于高效清洁能源的发展与生产越来越重视。水煤浆做为高效清洁能源的一种，拥有很多优势与存在许多不足，希望通过对水煤浆整体流动性能的分析使其得到能更好的发展。
参考文献
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论文作者:张洋洋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/25
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