水力空化對褐煤水煤漿流變特性影響的試驗研究

李大尉，姚立明，呂玉庭,裴 禹，趙孟石，姚鴻賓

(1.黑龍江省科學院高技術研究院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

水煤漿是一種新型低污染代油燃料，它是由65%～70%的煤、30%～35%的水和約1%的添加劑制成的混合物，既保持了煤炭原有的物理特性，又可以像油一樣管道輸送和高效燃燒，被稱為液態煤炭產品。我國褐煤資源賦存豐富，探明儲量約1 300億t，約占國內煤炭探明儲量的13%[1-3],目前，世界上首套采用褐煤水煤漿作為原料的水煤漿氣化爐在大唐呼倫貝爾化肥有限公司運行，設計煤漿濃度為53%，運行煤漿濃度僅為48.5%～49.5%[4-6]。煤漿濃度過低導致氣化比煤耗和比氧耗較高[7-8]、冷煤氣效率低[9]，造成項目經濟性差[10]，同時也會引起合成氣水汽比高、氣化爐溫度與壓力波動等問題，嚴重影響著裝置的“安、穩、長、滿、優”運行。因此，提高褐煤的成漿濃度對褐煤的高效潔凈化利用意義重大。

1 水力空化作用機理

當流道中局部壓力下降至臨界壓力時，水開始汽化，形成汽泡，汽泡隨著液體流動同時不斷發育、長大、相互聚集，當進入壓力較高的區域時，又發生分裂和潰滅[11-12]。這個汽泡產生、發育、聚集、分裂和潰滅的過程以及與之相伴隨的許多現象稱為空化。當空泡的潰滅發生在水力機械固體表面附近的時候，還會引起材料的破壞，稱為空蝕[13]；當空泡的潰滅產生的微射流、高峰值脈沖壓力、高溫熱效應被應用于各行業時，稱為空化利用技術[14]。

空化現象會對于螺旋槳等運動部件會造成汽蝕現象，對運動部件附近產生頻率很高、瞬時壓力很大的沖擊[15]。空化現象會在流體中產生大量的微細氣泡，對于某些需要高頻振動來作用的過程可能起到意想不到的效果。根據空化作用原理，設計了最大轉速16 000 r/min的調速空化器用于研究空化作用對于水煤漿流變特性的影響。

當流暢內的最低壓力達到臨界壓力時，引發空化現象后所釋放的巨大能量將對水煤漿固液分散體系的細度和流變特性產生重大影響,文中通過試驗來研究具體影響過程。

2 試驗過程

2.1 樣品選擇

選擇試驗煤種屬于典型的褐煤，其分析水分15.60%，揮發分達48.91%，屬于低灰特低硫煤。褐煤樣品脆性比較小，易于粉碎，采用萬能粉碎機進行粉碎，粉碎后樣品通過0.5 mm分級。

2.2 原料制備

按照選取水煤漿分散劑藥劑用量HSN萘系∶HSM木質素為1∶2，稱取定量的藥劑，放入磨口瓶中，放入計算好的用水量的90%，攪拌混合溶解。再講稱取的褐煤樣品緩慢放入1 000 r/min轉速持續攪拌的磨口瓶中，將全部煤樣放入攪拌均勻后，加入剩余水，再以2 850 r/min轉速恒速攪拌5 min，1 000 r/min轉速恒速攪拌5 min。測定水煤漿粒度和流變粘度。

2.3 水煤漿性質的測定

水煤漿流變性測定采用旋轉粘度儀NXS-11A型。水煤漿流變性能的粘度指標一般使用速度梯度為100S-1和30S-1條件下粘度指標進行衡量。

2.4 制備方法及空化器結構

將常規制漿工藝獲取的水煤漿樣品裝入空化器中，緩慢提高空化器攪拌器轉速至預定空化轉速，空化時間下，獲取空化后水煤漿樣品，測定水煤漿流變粘度、粒度，研究空化作用對水煤漿流變特性的影響。

3 結果與討論

3.1 水力空化對水煤漿體粘度的影響

將水煤漿放入空化器進行空化實驗時，空化器轉子轉速從靜止緩慢增加，由于水煤漿粘度影響，在轉子轉速增加過程中間斷性出現了較大聲響和振動，當轉子轉速超過8 000 r/min后，振動和聲響減小，空化器運轉平穩，這可能隨著空化器轉子轉速提高，對水煤漿漿體流動性產生了一定影響。

空化初步實驗采用空化轉速為10 000 r/min，空化時間為2 min。實驗所測原漿體的流變粘度計算表1,空化后水煤漿的粘度計算表2。

表1 原漿體的粘度計算表

表2 空化后水煤漿的粘度指標計算表

對比水煤漿空化前后的流變特性曲線，可以發現空化后水煤漿的流變粘度非常穩定，正向旋轉的粘度曲線和反向旋轉的粘度曲線重合，沒有變化。說明空化后水煤漿的粘度特性已由假塑性流體變成了類似牛頓流體。粘度測試過程中，表征旋轉扭矩的刻度盤指示數比較穩定，沒有出現常規水煤漿測試時數值緩慢下降的現象，而且粘度測試數值重現性十分好，說明漿體流變特性比較穩定。

通過對比空化前后水煤漿的運動粘度指標，速度梯度為100 s-1時粘度指標由320 mPa·s提高到340 mPa·s，速度梯度為30 s-1時粘度指標由420 mPa·s提高到850 mPa·s。 經過空化后水煤漿運動粘度有了一定提高。

3.2 水力空化對水煤漿粒度的影響

如圖2所示，為空化前后的粒度分布曲線圖。

從圖2可以看出，30 μm以下的細粒級含量明顯高于空化前粒級的含量，主要因為水力空化產生能量的破碎作用，會使細粒級煤粒增加，顆粒分散程度得到改善，褐煤的粒徑減小提高了水煤漿成漿時顆粒的空間堆積效率，也有利于提高褐煤水煤漿的成漿濃度。

3.3 水力空化對水煤漿穩定性的影響

褐煤粉碎后，顆粒表面的水化膜和顆粒之間靜電力吸附等作用導致水煤漿漿體流動性變差，顆粒群形貌特征表現為長方形或三角形，少量呈現五邊形。對煤炭粉碎后分形特征結果表明煤粉多數呈現為片狀結構，尤其是小于30 μm的微細顆粒。由于棱角分明顆粒的尖端靜電力效應，顆粒表面吸附了微細顆粒，而且顆粒之間容易以尖端相互吸附形成鏈狀結構，見圖3。

在顯微鏡下觀察空化后的漿體見圖4。

空化后水煤漿放置1周后沒有出現分層現象。利用顯微鏡觀察水煤漿狀態，可以發現放置1周后的空化水煤漿中存在著大量不易消散的微細氣泡。氣泡曲率半徑越小，氣泡表面張力越大，氣泡穩定就越好。氣泡在流體中可以長時間存在而不會出現相互兼并破裂現象。通過空化作用在水煤漿漿體中引入了大量的圓形的微細氣泡，一方面由于其占位作用而在一定程度上提高了水煤漿粘度和穩定性能，另一方面圓形微細氣泡成為水煤漿漿體流動過程中的潤滑劑。微細氣泡的布朗運動破壞了顆粒之間的靜電力吸附，從而使得水煤漿流變性能得到較大的改善。

4 結論

(1)水力空化作用使褐煤水煤漿的流變性能得到較大的改善，其30 μm以下的細粒級含量明顯高于空化前粒級的含量。

(2)經空化處理后水煤漿運動粘度有了一定提高，速度梯度為100 s-1時粘度指標由320 mPa·s提高到340 mPa·s，速度梯度為30 s-1時粘度指標由420 mPa·s提高到850 mPa·s,且粘度測試數值重現性十分好，漿體流變特性比較穩定。

(3)空化后水煤漿中引入了大量的微細氣泡，一方面由于氣泡在水煤漿形成了占位，導致水煤漿顆粒群之間濃度提高，使得水煤漿運動粘度得以提高。另一方面微細氣泡的布朗運動破壞了顆粒之間的靜電力吸附，從而使得水煤漿流變性能得到較大的改善。