煤水浆触变性的试验研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.01.002 北京钢铁学院学报 第9卷第1朔 Journal of Beijing University Vol.9 Nol 1987年1月 of Iron and Steel Technology Jan,1987 煤水浆触变性的试验研究 赵立合 夏德宏王世均 (热能工程系) 摘 要 煤水浆是一种具有触变性的固液两相悬浮体，鉴于过去对触变性仅能进行一般的 定性研究，本文介绍了一种简便易行而且准确可靠的定量试验研究方法，分析了利用这 种试验方法所得出的大量试验结果，并讨论了对煤水浆触变性有着明显影响的三种因 素（剪切速率、煤水浆浓度和温度）及其具体影响规律。 关键词：煤水浆触变性。剪切速率.溶胶过程、滞后环 Experimental Studies on the Thixotropic Characteristics of Coal-Water Slurry Zhao Lihe Xia Dehong Wang Shijun Abstract Coal-Water Slurry is a kind of solid-liquid suspensions,which has the characteristics of thixotropy.In this paper,the breaking up and the recovering of the structure of CwS is studied first,Then,a easy and simple,but accur- ate and reliable quantitative method of experiment is introduced to describe the thixotropy of CWS. Studies of thixotropic characteristics of CWS will be in progress from two fields,One is the study of the process of thixotropy,the other is the study of results of thixotropy.In this paper,coefficient A(named structure breaking-up coefficieut related to time is used to describe the process of thixotropy of CWS;another quantity Ar named absolute quantity of thixot- 1986-04一12收稿 8

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 鑫 。 气 。 煤水浆触变性的试验研究 赵立合 夏德宏 热能工程系 摘 要 王 世均 甲 煤水浆是一 种具有触变性的 固液两 相悬浮体 ， 鉴于 过去对触变性仅能进行一般的 定性研究 ，本文介绍了一种简便易行而且准确可 靠的定量试验研究方法 ，分析了利用这 种试验方法所得出的大量试验结果 ， 并讨论了对煤水浆触变性有着 明显影响的三种因 索 剪 切 速率 煤水浆浓度和 温度 及其具体影响规律 。 关键词 煤水浆 触变性 剪切 速率 、 溶胶过程 滞后环 一 了 召 口 研 ‘ 一 一 ， ， 五 ， ， ， ， ， 久 一 △ 一 一 收稿 〔， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．01．002

ropy is used to describe the results of thixotropy of CWS,Three factors -shear rate,concentration and temperature of CwS which affect the thix- otropy of CWS mainly-are studied,It is discovered that the increase in concentration and shear rate,and the decrease in temperature cause the increase of thixotropy of CWS while the process of thixotropy will be prol- onged. Key words:Coal-Water Slurry;thixotropy;shear rate;sol-process; hysteresis loop 前 言 煤水浆是一种能够长期保持悬浮状态的高浓度煤水混合物，其中固相煤粉之所以能长期 悬浮是由于添加剂的特殊作用使之与水形成了一种胶链结构。这种胶链结构可以随着持续剪 切而逐渐有所破坏（溶胶过程），也可以随着停止剪切而缓慢恢复（凝胶过程）。煤水浆这 种在力的作用下结构破坏和停止力的作用后自行恢复原来结构的性质称为煤水浆的触变性。 煤水浆的触变性具有十分重要的实用价值，一方面当其静置时由于水和固相煤粉保持为 非常稳定的胶链结构，从而得以长期存放而不至出现硬性沉淀，即具有良好的稳定性。另一 方面，在管路输送和采用喷嘴雾化时，由于受到强烈剪切而使之结构破坏，降低了煤水浆的 粘度，从而得以减小管路阻力损失和改善雾化效果。所以，研究煤水浆的触变性不仅对煤水 浆的制备，而且对其工业应用一一输送和燃烧均有重要意义。 1煤水浆触变性试验方法的讨论 悬浮体的触变性通常使用旋转型粘度计进行测试，煤水浆亦然。不过，正象美国学者 J.Mwis指出的那样，触变性是理论流变学领域迄今尚未得到解决的问题，其原因主要是目 前还缺乏一种完善的测试方法。(1) 悬浮体触变性的传统测试方法为‘滞后环线法’(Hysteresis Loop method)。这 是一种瞬变测定法，即剪切速率从0开始，连续线性地增大到某一最大值，然后又以相同速 率线性地减少到0，如此反复进行多次，即可在流变图上得到一系列不封闭的流变曲线。这一 系列曲线首尾相接成一‘螺旋’状，试验直至往复流变曲线封闭成环为止，称作‘滞后环’， 并即以此滞后环所包络的面积作为悬浮体触变性的度量(2)。 但是，我们通过对大量文献的分析和实地试验，发现滞后环线法具有以下严重缺陷： (1)要求使用能连续改变剪切速率并能控制剪切速率变化速率的旋转粘度计，这种粘 度计造价很高，使用要求亦十分苛刻。 (2)在其它条件不变前提下，滞后环的大小和形状随剪切速率增减速率的变化而有益 不同，加之影响测量结果的其它因素也还很多，因此测试结果可比性差，再现性更不好。 (3)对测量结果难以进行数学描述。 y 为此，有必要另辟蹊径以进行煤水浆触变性的试验研究。 根据上文介绍可知，煤水浆的触变性既然是其胶链结构破坏（或恢复）时所表现出的一 9

。 ‘ 德 － ， － ， ， 一 住 ， 一 月 言 煤水 浆是 一种 能够长期保 持悬浮状态 的高浓度煤水混 合物 ， 其中固相煤粉 之所以 能长期 悬浮 是 由于 添加 剂 的特 殊作用 使之与水 形成 了一种胶链结 构 。 这 种胶链结 构可 以随着持续剪 切而 逐渐有 所破坏 溶胶过程 ， 也 可 以随着停止剪切而缓慢恢 复 凝 胶过 程 。 煤水 浆这 种在力的作 用 下结 构破坏和停止力 的作 用 后 自行恢 复原来结构 的性质称 为煤水 浆 的触变性 。 煤水 浆 的触变性具 有十分重 要的实用 价值 ， 一方面 当其 静置 时 由于水和 固相 煤粉保持为 非常稳 定 的胶链结 构 ， 从而 得以长期存放而 不至 出现硬性沉淀 ， 即具 有 良好 的稳 定 性 。 另 一 方面 ， 在管路输送和采 用喷嘴雾化时 ， 由于 受到强烈剪切而 使之结 构破坏 ， 降 低 了煤水 浆的 粘 度 ， 从而 得以减 小管路阻力损失和 改善雾化效果 。 所 以 ， 研究煤水 浆 的触变性 不仅对 煤水 浆的制 备 ， 而 且对 其工 业 应 用－ 输送和燃 烧均有重 要意 义 。 煤水浆触变性试验方法的讨论 悬浮体 的触变性 通 常使 用旋转型粘度计进 行测试 ， 煤水 浆亦 然 。 不过 ， 正 象美 国 学 者 指 出的那样 ， 触变性 是 理论 流变学领域迄 今 尚未 得到解 决 的 问题 ， 其原 因主要 是 目 前还缺乏一种完善 的测 试方 法 。 〔 ” 悬浮体触变性 的传统 测试方 法 为 ‘ 滞 后环 线法 ’ 。 这 ， 是 一种瞬变测定法 ， 即剪切 速率 从 开 始 ， 连 续线性地增大到 某 一最大值 ， 然 后又 以相 同速 卜 。 率线 性地 减 少到 。 ， 如此反 复进 行 多次 ， 即 可 在流变 图上 得到 一系列 不 封 闭 的流变 曲线 。 这 一 系列 曲线首尾 相接 成 一 ‘ 螺旋 ’ 状 ， 试 验直至 往 复流变 曲线 封 闭成环 为 止 ， 称 作 ‘ 滞 后环 ’ 并 即以 此 滞 后环 所包 络 的面 积作 为悬浮体 触变性 的度量 〔 “ 〕 。 但是 ， 我 们通 过对 大量文 献的分析 和 实地试 验 ， 发现滞后环 线法具 有 以下 严重缺陷 要求 使用 能连 续 改变 剪切速率并 能控制 剪切 速率变 化速率 的旋 转粘 度计 ， 这 种粘 度计 造 价很高 ， 使 用要求 亦 十分 苛 刻 。 在其它 条件不变前提下 ， 滞 后环 的大小和 形状 随剪切 速率增减速率的变化而有发 不 同 ， 加 之影响测 量结 果 的其 它 因素 也还 很 多 ， 因此测试结 果 可 比性 差 ， 再现性 更 不好 。 对 测 量结 果 难 以进 行 数学 描述 。 ， 为此 ， 有 必要 另辟 蹊径 以进 行 煤水 浆触变性 的试 验研究 。 根据 卜文 介 绍 可知 ， 煤水 浆 的 触 变性 既然是 其 胶链结 构破坏 或 恢 复 时 所表现 出的一

种特性，那么使用结构破坏（或恢复）过程中煤水浆任何随之变化的参数的变化应该均可表 征其触变性。因此，可以利用在恒定剪切速率下剪切应力的变化来描述这一剪切速率下的触 变性，从而煤水浆触变性的试验程序则应该是： (1)利用旋转式粘度计对煤水浆持续施加一个大小恒定的剪切速率，测定其初始剪切 应力值τo并连续测量煤水浆剪切应力随时间的变化； (2)当在这一剪切速率下煤水浆的剪切应力不再随时间变化时停止试验，并测定此时 所对应的剪切应力值τ。 试验表明，这种方法不仅操作方便，再现性好，而且准确性较滞后环线法也大大提高。 这是因为滞后环线法需要连续变化剪切速率，而旋转粘度计扭矩弹簧的扭转速率总是滞后于 转衡转速变化的速率，所以测得的剪切应力值并不能真正表示煤水浆所处剪切速率下的剪切 应力值，这样就造成了较大的系统误差。另外，后一种试验方法摈弃了滞后环线法中剪切速 率连续变化的程序，使之对实验设备和操作条件的要求大大降低，从而使媒水浆触变性的测 量在一般实验室条件，甚至在生产现场都可方便地进行。 2煤水浆触变性的数学描述 为了定量表征煤水浆的触变性，必须建立数学方程式进行严格的描述。 描述煤水浆的触变性主要包括触变的最后效果和触变过程。触变过程是指在一定试验条 件下煤水浆胶链结构随时间的破坏和恢复过程，它反应了触变性的时间效应。触变最后效果 是指煤水浆在一定试验条件下达到稳定时的最大触变量，所谓稳定在此实际是指胶链结构破 坏与饮复的一种动态平衡，而其宏观表现则为煤水浆剪切应力的固定不变，亦即剪切应力具 有不再随时间而变化的稳定数值。显然， △t=T0-Te (1) 即为触变最后效果的表征，称作最大绝对触变量。而 1=0二T=T0-T △r (2) T0-T。 则表示触变溶胶过程中达到τo和τ。之间任意剪切应力时所完成的触变量与最大绝对触变量 之比，称作结构破坏系数。显然，入介于0和1之间，入=0表示尚未发生触变，胶链结构 完整无损；入=1表示触变过程已经结束，煤水浆达到了结构破坏与恢复的平衡状态，0< 入<1时则表示触变溶胶过程中任意时刻煤水浆所发生的结构破坏程度。所以，入是依赖于 时间的变量。 同样，对于煤水浆触变的凝胶过程可以定义： 5-T00-t。 T0-T。 (3) 为结构恢复系数，其中τ0为煤水浆在停止剪切并经0时间的静置后再对共施加原来剪切速率 时的初始剪切应力。显然，结构恢复系数表示煤水浆在停止剪切，开始静置后胶链结构恢复的 程度，并依静登时间的长短而变化。同时由于τ。≤π≤τ0，故0≤5≤1。七为0表示凝胶 过程尚未开始，等于1则表示凝胶过程进行完毕，煤水浆又恢复到剪切前的结构状态。不 过，与溶胶过程相比，凝胶过程进行得非常缓慢，两者可差几十倍。 10

种特性 ， 那 么使用结构破坏 或 恢复 过程 中煤水 浆任何随之变化的参数的变化应该 均可表 征其触变性 。 因此 ， 可 以利 用 在恒定剪切 速率下剪切应力 的变化 来描述这 一剪切 速率下 的触 变性 ， 从而煤水 浆触变性的试 验程 序则应该 是 利 用旋 转式粘度计对 煤水 浆持续施加 一 个大小 恒定 的剪切速率 ， 测定 其初始剪切 应力 值 。 并连 续测量煤水 浆剪切应力随时 间的变化 当在这 一剪切 速率下煤水 浆的剪切 应力 不再随时 间变化时停止试 验 ， 并测定 此时 所对 应 的剪切应力 值 。 。 试 验表 明 ， 这 种方法 不仅 操作方便 ， 再现性好 ， 而 且准确 性较滞后环 线法也大大提高 。 这 是 因为滞后环 线法需要连 续变化剪切 速率 ， 而 旋转粘度计 扭矩 弹簧 的扭转速率总 是滞 后于 转筒转速变化 的速率 ， 所 以测 得的剪切应力值并不能真正 表示 煤水 浆所处剪切 速率下 的剪切 应力值 ， 这 样就造成 了较大 的系统误 差 。 另外 ， 后 一种试 验方法摈弃 了滞后环 线法 中剪切 速 率连 续变化 的程序 ， 使 之对实 验设 备和 操作条件的要求 大大降 低 ， 从而 使煤水 浆触变性的测 量 在一般实验室 条件 ， 甚至 在生 产现场都可方便地进 行 。 煤水浆触变性的数学描述 为了定 量 表征煤水 浆 的触变性 ， 必须 建立 数学方程式进行 严格的描述 。 描述 煤水 浆 的触变性 主要 包括触变的最后效果 和触变过程 。 触变过程 是 指在一定试 验条 件下煤水 浆胶链结构随时 间的破坏和 恢 复过程 ， 它反 应 了触变性的 时 间效应 。 触变最 后效果 是 指煤水 浆在 一定 试 验条件下达 到稳定 时的最大触变量 ， 所谓稳定 在此实 际是 指胶链结构破 坏 与恢 复的一种 动态平衡 ， 而 其 宏观表现则为煤水 浆剪切 应力 的 固定 不变 ， 亦即剪切应力具 有 不再随时 间而 变化 的稳定 数值 。 显然 ， △丫 。 一 。 一 即为触变最后效果 的表征 ， 称作最大绝对触 变量 。 而 只二 一 △下 丫 一 丫 一 。 则表示触变溶胶过程 中达 到 。 和 。 之间任意剪切 应力 时所完成的触变量 与最大绝对 触 变 量 之 比 ， 称作结 构破坏 系数 。 显然 ， 久介于 。 和 之间 ， 久 表示 尚未发 生触变 ， 胶 链结 构 完整 无 损 久 表示 触变 过程 已经 结 束 ， 煤水 浆达 到 了结 构破坏与恢 复的平衡状态， 久 时则表示 触变溶胶 过程中任意时刻 煤水 浆所发 生 的结构破坏程 度 。 所以 ， 几是 依 赖 于 时 间的变量 。 同样 ， 对 于 煤水 浆触变 的凝胶过程可以定义 厂 广刃 屯 一 丫 。 一 为结构恢复系 数 ， 其 中 下 。 。 为 煤水 浆在停止剪切 并经 时 间的静置 后再对 其施加 原来剪切 速率 时 的初始剪切 应力 。 显 然 ，结 构恢 复系 数表示 煤水 浆在停止剪切 ， 开 始静置 后胶链结构恢 复的 程度 ， 并依静置 时 间的长短而 变化 。 同时 由于 。 《 。 。 簇 。 ， 故 。 《 乙《 。 乙为 。 表示凝 胶 过程 尚未开 始 等于 则表示凝胶过程进 行完毕 ， 煤水 桨又 恢 复到剪切 前的结构状态 。 不 过 ， 与 溶胶过 程相 比 ， 凝 胶 过程进 行 得非常 缓慢 ， 两 者可 差几 十倍

但是实验表明，虽然两者进行的速率相差甚殊，凝胶过程仍属溶胶过程的逆过程，而且 从任意τ。重新开始的溶胶过程恒属从to开始的溶胶过程的一部分。因此，T。0总是对应相 等于由τo开始的溶胶过程中某一x值，从而入与之间有如下关系： 5=1-1 (4) 3 试验结果及其分析 -n 煤水浆触变性受多种因素的影响和制约，其中主要有：剪切速率Y、煤浆浓度C,和温度 T(3)。试验发现：对于不同的Y、C,和T,煤水浆具有不同的xo和x。,因此△τ亦不同。但 是，踪合写出这一函数关系尚有一定困难，在此姑且根据大量试验，分别说明这三种因素对 煤水浆触变性的影响规律及数量关系。 3.1剪切速率 图1为剪切速率对煤水浆蚀变性的影响规 律。 3 y"=1312S-1 由图1可以看出，所施加的剪切递率愈 大，煤水浆的最大绝对触变量相应也愈大，这 2 ￥"=6565-1 样就使得煤水浆胶链结构的破坏愈充分，从而 可望大大降低煤水浆的粘度。 Y'=121.55-1 为此，在煤水浆工业应用系统内一定要加 013579111315 设强力搅拌装置和适当增加煤水浆在管道内的 Q.min 流动速度，以期改善煤水浆的流动性和减少管 图1剪切速率对煤水浆触变性的形响 内流动阻力损失。另外，在进行煤水浆燃烧器 设计中，亦应力求强化煤水浆与雾化介质的动 Fig.1 Effect of shear rate on the 量和能量交换，使煤水浆受到尽量大的剪切， thixotropy of CWS 取得良好的雾化效果。据文献报导，如果能将 剪切速率由100S1提高到10000S1,煤水浆 胶链结构破坏程度将提高200倍，表观粘度可 望从1pas左右降为1~5×102Pas。这 样自然可使煤水浆的雾化粒径大大减小，从而 5 CW=69.5% 有利于煤水浆雾化炬的稳定着火和高效燃烧。 3.2煤水浆浓度 Cw=68.2% 图2示出了煤水浆浓度对其触变性的影响 Lw=67.5g 规律。 C=64.6房Cn=65.3g 由图可以看出，△τ随浓度的增加而增加， 2'46810.12141618202224 Nmin 并且在依变曲线上存在有-一个拐点，对于试验 所用的煤水浆而言，拐点对应的浓度约为68%。 a 11

但是 实验表明 ， 虽然两者进行 的速率相 差甚殊 ， 凝胶过程仍属溶胶 过程 的逆过程 ， 而 且 从任意 下 。 。 重 新开 始 的溶胶过程 恒 属从 。 开始 的溶胶过程 的一部分 。 因此 ， 。 。 总 是 对 应 相 等于 由 。 开 始 的溶胶过程 中某一下 值 ， 从而 久与屯之 间有如下关 系 屯二 一 六 ’ 试验结果 及其分析 煤水 浆触变性受多种 因素的影响和 制约 ， 其 中主 要有 剪切 速率丫 、 煤浆 浓度 ， 和温度 即 。 试 验发 现 对 于 不 同的丫 、 ， 和 ， 是 ， 综 合写 出这 一 函 数关 系尚有一定 困难 ， 煤水 浆触变性 的影响规律及 数量 关 系 。 剪切速率 煤水 浆具 有不同的 。 和 下 。 ， 因此 △ 亦 不 同 。 但 在此 姑 且根据大量试 验 ， 分别说明这 三种因素对 图 为剪切 速率对 煤水 浆触变性 的影响规 律 。 由图 可以看 出 ， 所施加 的剪切 速 率 愈 大 ， 煤水 浆 的最大绝对 触 变量 相应也愈大 ， 这 样就 使得煤水 浆胶 链结 构的破 坏愈充分 ， 从而 可 望大大降 低煤水 浆 的粘 度 。 为此 ， 在煤水 浆工 业应 用系统 内一定 要加 设强力 搅 拌装置 和适 当增加 煤水 浆在 管道 内的 流动速度 ， 以 期改善 煤水 浆 的流动性和减 少管 内流动阻力 损失 。 另 外 ， 在进 行 煤水 浆燃 烧器 设计 中 ， 亦 应力 求 强化 煤水 浆与 雾化 介质 的动 量 和能量交换 ， 使煤水 浆受到尽量 大的剪切 ， 取 得 良好 的雾化 效果 。 据文 献报导 ， 如果 能将 剪切 速率 由扣 ’ ‘ 提 高 到 一 ’ ， 煤 水 浆 胶链结 构破坏程度将提 高 倍 ， 表观粘 度 可 望从 · 左 右 降 为 工一 一 “ · 。 这 样 自然 可 使煤水 浆 的雾化粒径 大 大减小 ， 从而 有利 于 煤水 浆雾化 炬 的稳定 着火和 高效燃 烧 。 ， 之 一 。口氏反旧 丫‘ 二 。 多 一 交 ，‘ 叭 一 一一 ‘ 一 ‘ ， 目涪 口 ， 、 图 剪切速率对煤水浆触变性的影响 煤水浆浓度 图 示 出了煤水 浆浓 度对 其触变性 的影响 规律 。 由图可 以看 出 ， △下 随浓度 的增加而 增加 ， 并且在 依变 曲线 上存 在 有 一 个 拐点 ， 对 于试 验 所用 的煤水 浆而言 ， 拐 点对 应 的 浓度约 为

1.0 Cw=64.6% 0.8 0.6 Cw=69.5% 0.4 3 0.2 2 7年6.81012141618202224 645,66676的697市、 Q,min CW,%. b 图2浓度对煤水浆触变性的形响 Fig.2 Effect of concentration on the thixotropy of CWS 根据煤水浆制备理论，在相同剪切速率下煤水浆的τo和△x值愈大，说明其稳定性愈 好(3)。加之煤水浆所含水分在燃烧时要吸收很大热量，降低燃烧设备的热效率，所以煤水浆 的浓度高一些将是有利的。但是，根据煤水浆的流变特性，其表观粘度亦随浓度的增加而增 加，并且在大致和上述△τ~C。曲线拐点相同浓度时，煤水浆粘度也急剧增加(4)，而粘度增 加过大对煤水浆的雾化和燃烧是不利的。 综合考虑以上两方面的原因，煤水浆浓度应有一个最佳范围，这一最佳范围视制浆煤种 而异。不过根据作者对国产五个典型煤种所制备的煤水浆试验表明，其最佳浓度范围为67~ 70%。 3,3煤水浆温度 图3为煤水浆温度对其触变性的影响规律。 4 1.0T=88.4℃ T=23.0℃ 0.8 3 0.6 0.4 T=23.0C 3 T=62,4℃ T=40,2℃ 0.2 1I=884Te76,6c 2.46日10121416 2.46810121416 Q,min Q,min b & 3 113.12 1 c 10 30507090一 T,'C 图3温度对煤水浆触变性的影响 Fig,3 Effect of temperature on the thixotropy of CWS 12

· 。陆孤丽 二 。峡 俘 ， 心 、 ‘ 二荞 乌 石 洲 屯犷言亩节芯 ，‘吞嘴砂， ︸反畜。卜场 心 沁 · 图 浓度对煤水浆触变性的影响 根据 煤水 浆制备理论 ， 在相 同剪切速率下煤水 浆的 。 和 △ 值愈大 ， 说 明 其 稳 定 性 愈 好〔 〕 。 加 之煤水 浆 所含水 分在燃 烧时要 吸收很大热量 ， 降低燃 烧设 备 的热效率 ， 所以煤水 浆 的浓度 高一些将是 有利 的 。 但是 ， 根据煤水 浆的流变特性 ， 其表观 粘度 亦随浓度 的 增加而 增 加 ， 并且在 大致和 上述 △ 一 ， 曲线 拐 点相 同浓度时 ， 煤水 浆粘度也 急剧增加 〔 遵〕 ， 而 粘度 增 加 过 大对 煤水 浆 的雾化 和燃烧是 不利 的 。 综 合考 虑 以上两方面 的原 因 ， 煤水 浆 浓度应 有 一 个最 佳范 围 ， 这 一最佳范围视制浆煤种 而 异 。 不过根据作者对 国产五 个典型煤种所制 备的煤水 浆试 验表 明 ， 其最佳浓度范围为 。 煤水 浆温 度 图 为 煤水 浆 温度对其触变性 的影响规律 。 ， ， · 叹 介 。 勺 。 心 多 。 ’ 乞尸 叹砂 卜‘ 吩心 几 丫二 ’ · 万 丁二亩凡 二 。 ‘ ’ 口， 封 ” 、 一 、 井亡「 、 、 ， 、 ， 、 叮 、 一一 ，二 图 温度对煤水浆触变性的 影响