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大规模高效气流床煤气化技术的发展,要求其达到更高的日处理能力和碳转化率。这就决定了所使用的水煤浆要具有较高的浓度、较好的可泵性和雾化特性,而这些特性又直接取决于水煤浆的流变性。因此,开展高浓度、大容量浆态非牛顿流体的流变特性、滑移机理和流动规律等领域的基础研究具有重要的理论意义和实用价值。本文通过理论分析和试验研究相结合的方法,系统地研究了高浓度水煤浆的流变特性及其在管道输送过程中出现的滑移现象和机理。
在理论分析的基础上,通过多管径管流试验,研究了高浓度水煤浆管道流动的流变特性和滑移的影响,分析了滑移现象产生的机理,提出了一种新的滑移速度修正模型,成功地对水煤浆流动过程中滑移的影响进行了修正,并得到了水煤浆的真实流变特性。结果表明,在低浓度时水煤浆具有牛顿流体的性质,随着浓度的增加浆体呈现出非牛顿流体的性质(剪切变稀或剪切增稠)。水煤浆的管内流动存在一个屈服应力,且浓度越高,屈服应力越大,浆体流动都需要克服一定的剪切应力。流变模型可用有屈服幂率或Herschel-Bulkey方程描述,低浓度时符合宾汉体模型。
滑移现象是水煤浆类悬浮液固有的特殊流动现象,表现为流动过程中在固体壁面处出现一层只有连续相而无分散相的薄层。本文提出了滑移现象产生的条件,即只有壁面剪切应力超过一临界壁面切应力以后才会产生滑移速度并出现滑移现象;并首次获得了浓度为67.1%和68.2%的兖州煤水煤浆的临界剪切应力值分别是6.31Pa和20.35Pa。在壁面切应力一定的情况下,滑移引起的附加流量随管径的增加而减小。
在分析水煤浆流动过程中的滑移现象和滑移速度的基础上,通过非牛顿流体理论,首次导出了水煤浆流动过程中滑移层厚度的简化公式。试验结果表明,滑移层厚度和煤颗粒的平均粒径大致在相同数量级内,且水煤浆流动过程中,滑移层厚度从产生到最终稳定有一个随剪切速率的增加先增加后减小并逐步稳定的过程。
文章的最后通过理论分析和试验研究相结合的方法,借助旋转粘度计,分析了不同煤种水煤浆的流变特性,指出温度、浓度、剪切速率、煤种和添加剂等因素是影响水煤浆流变特性的主要因素。