管输煤浆黏度测定值的影响因素

涂 照 妹

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064)

摘 要：为了探索黏度测定方法、粒度级配、质量分数以及温度4个因素对管输煤浆黏度值的影响，以陕西神南矿区煤样制备浆体为样本，通过试验研究来探索上述因素对黏度测定的影响规律。试验结果表明：旋转黏度计黏度测定值比毛细管黏度计黏度测定值高约30%；黏度测定值随着Ⅳ粒度区间占比、质量分数的增加呈增加趋势，且随温度的降低而增加；管道煤浆黏度值测定的试验，均需进行黏度测定方法、粒度级配、质量分数以及温度4个影响因子的试验设计。

关键词：煤浆；黏度；影响因素；粒度级配

0 引 言

煤浆的管道输送作为一种新的物料运输方式已被广泛应用[1-3]。为了评定煤浆在管道中的流动性状，必须测定煤浆的黏度值，而煤浆黏度值是确定煤浆输送上限颗粒粒径、沉积速度和摩阻损失的重要参数[4]。煤浆黏度值低时，煤浆不稳定，易分层生成沉淀，容易堵管；煤浆黏度高时，煤浆管道输送阻力大，增加管道输送能耗[5-6]。因此，管输煤浆黏度测定值的准确性直接影响到煤浆管道输送的工程设计。但是，管输煤浆黏度值测定没有相关的规范规程，导致不同条件下测定的黏度值存在偏差。本文结合中煤科工集团武汉设计研究院有限公司管道实验室多年的管输煤浆试验研究，探索黏度测定方法[7-8]、粒度级配[9-11]、质量浓度[12]以及温度[13]4个因素对黏度测定值影响规律，并分析管输煤浆黏度值测定试验方法[14]。

1 黏度测定方法与黏度测定值关系

1.1 黏度测定原理与步骤

1.1.1 黏度测定原理

常用浆体黏度测定试验方法为毛细管黏度计测定法与旋转黏度计测定法[4]。

毛细管黏度计是根据浆体在毛细管中做层流运动，所消耗的能力是克服流体的剪切变形的原理制成的。其原理是，离管壁r处任一点的剪切力τ=，Δp为管长L两端的压力差，则管壁处r=R的最大剪切力τW=。

通过全管的流量计算，对于属于牛顿流体的低浓度浆体有：τW=μ，该式是牛顿流体的剪切应力与平均切变速率的关系，式中μ为黏度值，D为管径，V为体积；对于高浓度浆体属于非牛顿体，可用宾汉模型来描述，即：τW=τ0+η，式中，τ0为初始切应力，η为刚度系数，由该式可知，对宾汉流体，只需要τ0、η两个参数，就可描述浆体的流变特性。毛细管黏度计试验的主要特点就是在已知尺寸的垂直管(D、L)中，通过不同的及相应的τW测量，来求出浆体τ0和η这2个流变参数。

旋转黏度计是同步电机做驱动，采用2个同轴圆筒的旋转结构。其工作原理是：被测浆体充满2个圆筒的环形空间中，设环形空间中任一点半径为d，当同步电动机带动内筒旋转时，内筒表面就要受到浆体的摩擦作用力，同时带动流体做层流运动，旋转轴上存在一个扭矩M，且式中，Rc为外筒半径，Rb为内筒半径，ω为旋转速度，h为内筒高度。通过该式，只要测得ω和M就可求出τ0和η。

1.1.2 黏度测定步骤

毛细管黏度计测定步骤简述如下：① 按照试验要求，将适量管道输送煤浆加入毛细管测量装置中，开启搅拌器搅拌均匀；② 开启空压机，通过压力表和比压计来控制储浆桶内压力为试验要求值；③ 关闭搅拌器，准备好秒表、量筒，短时间(不超过10 s)开启取样开关阀，用量筒接住溢出浆体，记录浆体体积；同时记录实际取样时间值以及读取压降值；④ 测量记录毛细管直径和长度；⑤ 根据浆体体积与取样时间，换算出浆体在毛细管内流动速度；⑥ 最后根据原理公式计算出流变参数。

旋转黏度计测定步骤可详见(GB/T 1886.4—2008)《水煤浆试验方法 第4部分：表观黏度测定》。

1.2 2种方法测定值比较

上述2种黏度值测定方法由于工作原理的不同，同一种煤浆在相同的条件下进行黏度测量，2种方法测定值也不相同。以陕西神南矿区煤样为样本，配制同一粒度级配质量分数为45%、48%、50%、53%四组煤浆，在27 ℃条件下采用旋转黏度计和毛细管黏度计进行黏度测定，试验结果见表1。

表1 旋转黏度计与毛细管黏度计测量值比较
Table 1 Comparison of rotary viscometer and capillary viscometer

对4组煤浆样品黏度值测量结果表明：旋转黏度计比毛细管黏度计黏度测定值高约30.75%。在实际应用中，毛细管黏度计较旋转黏度计对两相流沉淀性浆体黏度值的测定更为准确[3]。鉴于煤浆属于沉降性浆体，故推荐使用毛细管黏度计进行煤浆黏度值测定；若使用旋转黏度计，则需进行比较性试验研究，将测定值换算成毛细管黏度计测定值进行煤浆黏度值数据描述。

2 粒度级配与黏度测定值关系

需要进行管道输送的煤浆是由多种粒径颗粒组成的，每一种粒径级别的粒料在全部粒料中所占的质量即为粒料粒级分布，又称煤浆粒度级配[4]。制备流变特性较好的管道输送煤浆，既需要煤浆的稳定性较好，又需要其黏度值不宜过大，这就需要探索粒度级配与黏度测定值之间的关系，使煤浆稳定且黏度测定值符合管道输送要求。

以陕西神南矿区煤样为样本，制备管输煤浆样品，保持煤浆配置浓度(50%)、测量温度(25 ℃)不变，采用毛细管黏度计测量其黏度值，考察Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个粒度区间占比变化对管输煤浆黏度测定值的影响，试验结果见表2。从表2可以看出，粒度区间的变化对黏度测定值具有较大的影响，第1组与第7组在相同浓度与测量温度条件下，由于粒度级配的不同，黏度测定值相差近6倍。同时，在4个煤浆粒度区间中，Ⅳ粒度区间占比的变化对黏度测定值影响最大，随着占比的增加，黏度测定值呈增加趋势，如图1所示。

表2 粒度区间与黏度测定值关系
Table 2 Relationship between particle size interval and viscosity measurement

注：煤浆粒度区间是指将煤浆中不同粒径煤粉筛分成4个不同的区间，试验中称取不同粒径区间的煤粉混合后制备待测管输煤浆。

3 质量分数与黏度测定值关系

质量分数值是影响管道煤浆流变特性的重要指标之一，不同的质量分数对应不同的煤浆黏度测定值。以陕西神南矿区煤样为样本，采用同一粒度级配，制备4组质量分数分别为57%、55%、53%、50%的煤浆样品，在15 ℃条件下采用毛细管黏度计测定黏度值，试验结果见表3。从表3可知，随着质量分数增加，黏度值增加幅度较快，在管道输送过程中，探索最佳的煤浆质量分数和黏度测定值关系，对于管道输送经济效益分析和煤浆流变参数的工程优化具有重要意义。为提高经济效益，一般会要求煤浆的质量分数越大越好，在管输煤浆试验中，需要在合理的输送煤浆质量分数范围内测定其黏度值，然后判定该质量分数煤浆是否适合进行管道输送。因而，煤浆质量分数与其黏度测定值的影响作用是相互的。

表3 质量分数与黏度测定值的关系
Table 3 Relationship between mass concentration and viscosity measurement

4 温度与黏度测定值关系

黏度是一个温度的函数，大部分流体黏度的数值随着温度的升高而减小。管输煤浆产品属于两相流，在输送过程中受环境温度变化影响，因此，煤浆黏度值的测定必须明确温度对黏度值变化的影响大小，为管道工艺设计提供参考。以陕西神南矿区煤样为样本，采用相同的质量分数与粒度级配条件，利用毛细管黏度计测定温度分别为10、15、20、25、30、35 ℃的煤浆黏度值，试验结果见表4。从表4可以看出，随着温度的升高，黏度测定值呈现下降趋势；在浆体温度10～35 ℃内，以常温条件下(20 ℃)测定的煤浆黏度值为基准值，黏度值变化幅度在±10%以内，该变化幅度需在各项煤浆黏度测定试验中予以体现，以保证黏度测定数据的准确性。

表4 温度与黏度测定值的关系
Table 4 Relationship between temperature and viscosity measurement

注：变化幅度是以常温条件下(20 ℃)测定的煤浆黏度值为基准，计算黏度测定值变化幅度大小。

5 结 语

1)旋转黏度计黏度测定值比毛细管黏度计黏度测定值高约30%。

2)黏度测定值随着Ⅳ粒度区间占比、质量分数的增加而大幅增加。

3)在浆体温度10～35 ℃以常温条件下(20 ℃)测定的煤浆黏度值为基准值，黏度值变化幅度在±10%以内。因此，在管输煤浆黏度测定试验中，必须考虑黏度测定方法、粒度级配、质量分数以及温度4个影响因子对试验结果的影响，设计上述4个影响因子的试验，最终推荐管输煤浆黏度测定值。

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Influence factors of the viscosity measurement of coal slurry for pipeline transportation

Tu Zhaomei

(CCTEG Wuhan Engineering Co.,Ltd.,Wuhan 430064,China)

Abstract:In order to investigate the effect of measurement method,particle size distribution,mass concentration and temperature on the viscosity of coal slurry for pipeline transportation,coal slurry samples from Shaanxi Shennan mining area were systematically studied.Results show that the viscosity measured using rotary viscometer is 30% higher than that measured by capillary viscometer.The apparent viscosity increases with increase of proportion of Ⅳ-grain size range and mass concentration,while decreases with increase of temperature.The viscosity measurement concerning on the piping transportation of coal slurry should comprehensively consider the impacts from the measurement method,particle size distribution,mass concentration and temperature.

Key words:coal slurry;viscosity;influence factor;particle size distribution

中图分类号：TQ543.1

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2017)02-0065-04

收稿日期：2016-12-04；责任编辑孙淑君

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.02.012

基金项目：中国煤炭科工集团科技创新基金青年基金资助项目(2014QN039)

作者简介：涂照妹(1985—)，男，安徽合肥人，工程师，硕士，从事矿浆制备的试验研究及设计工作。E-mail：305693681@qq.com

引用格式：涂照妹.管输煤浆黏度测定值的影响因素[J].洁净煤技术，2017，23(2)：65-68.

Tu Zhaomei.Influence factors of the viscosity measurement of coal slurry for pipeline transportation[J].Clean Coal Technology，2017，23(2)：65-68.