煤水浆触变性的试验研究.pdf_大学文库

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