油煤浆流变特性研究
摘 要：为了避免油煤浆输送时发生沉降和无法成浆问题，研究了煤直接液化过程中，煤种、溶胀时间、煤粉加量、粒径和温度等因素对油煤浆性能的影响。结果表明，油煤浆具有假塑性，呈现出优良的“剪切稀化”特性。选用DG41Ti转子进行实验，随着溶胀时间的延长，黏度呈上升趋势，由最初2 h的60 mPa·s上升为24 h的100 mPa·s；随着温度的升高，黏度下降，浆体黏度由1 200 mPa·s下降为130 mPa·s，降低89.17%；在含油量不变的情况下，煤粉用量最大增至45%。
关键词：油煤浆；黏度；溶胀；流变特性
0 引 言
我国是世界上典型的富煤贫油国之一，煤炭总储量在我国化石能源中居首位，约占90%。我国石油资源非常有限，预计在21世纪内将逐步枯竭。油煤浆COM(Coal Oil Mixture)或COS(Coal Oil Slurry)是以重油、渣油、煤焦油等燃料油为连续相，以煤粉为分散相，与少量化学添加剂经一系列加工制备成的具有一定粒度分布和流动性的稳定浆体，是煤炭深加工领域的新产品，是一种新型清洁混合液态燃料。煤液化过程中，煤粒和溶剂混合制成的油煤浆应具有良好的流动性和触变性。因此，对油煤浆抗剪切、黏度与温度的关系以及流变行为进行深入研究，是设计油煤浆输送系统的一个重要问题，对我国即将投入产业化运行的煤液化项目来说，更是迫在眉睫。近年来，国内学者开展有关油煤浆浆体的研究。张磊等[1]研究了化学添加剂对油煤水浆黏度的影响，得出乳化剂对油煤水浆黏度的改变与其自身性质有关，0.8%的乳化剂与0.05%的硫酸钠油煤水浆黏度最低。游静等[2]采用胶体磨对煤样进一步粉碎，并采用超声波对煤浆进行处理，不仅可以提高煤浆产油率，而且油煤浆体系更加稳定。高夫燕等[3]在研究褐煤与石油焦的共成浆特性及机理时，以阴离子表面活性剂作为分散剂将褐煤与石油焦制成浆体，使其由胀流性流体转变为假塑性流体。熊楚安[4]研究煤浆浓度对油煤浆流变特性和表观黏度的影响，油煤浆体系表观黏度随煤浆质量分数的增大而增大。笔者采用德国Haake RS6000旋转流变仪研究不同转子、煤粉加量、粒度、温度等对油煤浆黏度的影响，以期确保油煤浆的安全输送。
1 实验部分
1.1 实验用原料煤
实验用原料油取自延长吴起采油厂罐底部油泥，含油量37.08%；实验原料煤为郭家湾煤粉、标准煤粉2种煤样，被粉粹碾磨至0.075、0.15 mm，在50 ℃下真空干燥24 h后备用。
表1 油泥与煤粉基本物性
Table 1 The basic physical propertities of oily sludge and coal %
1.2 实验试剂及仪器
试剂：Span-80，Tween-60；
仪器：Haake RS6000旋转流变仪，HJ-5型多功能搅拌器，气流干燥箱，电子分析天平。
1.3 油煤浆的制备
按比例将渣油、煤粉称量好后加入搅拌机中，打开电加热调速搅拌器，缓慢加入分散剂，然后在1 200 r/min下连续搅拌30 min溶解均匀，油煤浆静置24 h备用[5]。
2 结果与讨论
2.1 不同转子对油煤浆黏度的影响
将渣油、0.075 mm标准煤粉、分散剂按质量比54∶45∶1称量好后加入搅拌机中，然后在1 200 r/min电加热调速搅拌器下连续搅拌30 min溶解均匀，油煤浆静置24 h备用。实验考察了温度120 ℃，剪切速率100～300 r/s，剪切10 min下，不同转子对油煤浆黏度的影响，结果如图1所示。
图1 不同转子对油煤浆黏度的影响
Fig.1 Influence of different rotors on oil slurry apparent viscosity
由图1可知，不同转子对油煤浆黏度影响很大。随着剪切速率的增加，Z38转子制备的油煤浆黏度平稳，呈现出牛顿流体特征。低黏转子DG41Ti转子制备的油煤浆黏度呈下降趋势，虽符合油煤浆“剪切稀释”特性，但黏度波动较大。造成2种测定结果的原因，初步认为一方面由于本次制样过程中溶胀时间不够所致；另一方面由于油煤浆黏度较大，应使用面积小的转子[6-7]。因此，最终选定DG41Ti转子进行后续实验。
2.2 不同煤种对油煤浆黏度的影响
将渣油、0.075 mm郭家湾煤粉和标准煤粉、分散剂按质量比54∶45∶1称量好后加入搅拌机中，然后在1 200 r/min电加热调速搅拌器下连续搅拌30 min溶解均匀，油煤浆静置24 h备用。在温度120 ℃，剪切速率100～300 r/s，剪切10 min条件下使用DG41Ti转子测定油煤浆黏度，考察不同煤种对油煤浆黏度影响，结果如图2所示。
图2 不同煤种对油煤浆黏度的影响
Fig.2 Influence of different coals on oil slurry apparent viscosity
由图2可知，在相同实验条件下，不同煤种黏度变化趋势基本一致。由于标准煤颗粒中含有的微孔略高于郭家湾煤，这些微孔可吸附大量溶剂分子，使液相在煤颗粒间的“自由”相对减少[8-9]，导致标准煤油煤浆黏度略高于郭家湾煤油煤浆，但总体来说标准煤与郭家湾煤基本属于同一变质程度的煤。最终选定郭家湾煤粉进行后续实验。
2.3 溶胀时间对油煤浆黏度的影响
将渣油、0.075 mm郭家湾煤粉、分散剂按质量比54∶45∶1称量好后加入搅拌机中，然后在1 200 r/min电加热调速搅拌器下连续搅拌30 min溶解均匀，油煤浆静置24 h备用。在温度120 ℃，剪切速率100～300 r/s，剪切10 min条件下使用DG41Ti转子测定油煤浆黏度，考察不同溶胀时间对油煤浆黏度的影响，结果如图3所示。
图3 溶胀时间对油煤浆黏度的影响
Fig.3 Influence of swelling time on oil slurry apparent viscosity
由图3可知，随溶胀时间的延长，油煤浆黏度由最初2 h的60 mPa·s上升为24 h的100 mPa·s。由于油煤浆中渣油吸附于煤粒表面时形成较厚的吸附膜，产生较大的空间位阻效应，使得浆体黏度较高，稳定性好。因此，在制备油煤浆过程中需要溶胀24 h，确保油煤浆在输送和储存过程中的安全。
2.4 剪切应力对油煤浆黏度的影响
在油煤浆流变参数中，表观黏度尤为重要，直接关系到油煤浆在管道中流动运输，一般采用表观黏度来表征油煤浆的流变性(流体剪切应力随剪切速率变化的特征)[10-11]。将渣油、0.075 mm郭家湾煤粉、分散剂按质量比54∶45∶1称量好后加入搅拌机中，然后在1 200 r/min电加热调速搅拌器下连续搅拌30 min溶解均匀，油煤浆静置24 h备用。在温度120 ℃，剪切速率100～300 r/s，剪切10 min条件下使用DG41Ti转子测定油煤浆黏度，考察不同剪切应力对油煤浆黏度的影响，结果如图4所示。
图4 剪切应力对油煤浆黏度的影响
Fig.4 Influence of shear force on oil slurry apparent viscosity
由图4可知，油煤浆黏度随着剪切应力的增大而减小，表现出“剪切稀释”的现象。因为油煤浆在高剪切应力时分子链间通过氢键、静电引力等作用形成无规则体系，彼此之间相互纠结，因而对流动产生很大的黏性阻力；剪切应力的增大，破坏了分子间的相互作用，缠结点逐渐解开，分子链间的作用力减弱，阻力降低，导致黏度降低[12-13]。为便于管道运输，制备的油煤浆应具有假塑性特征。
2.5 煤粉加量对油煤浆黏度的影响
将渣油、0.075 mm郭家湾煤粉、分散剂按质量比54∶(30～45)∶1称量好后加入搅拌机中，然后在1 200 r/min电加热调速搅拌器下连续搅拌30 min溶解均匀，油煤浆静置24 h备用。在温度120 ℃，剪切速率100～300 r/s，剪切10 min条件下使用DG41Ti转子测定油煤浆黏度，考察不同煤粉加量对油煤浆黏度的影响，结果如图5所示。
图5 煤粉加量对油煤浆黏度的影响
Fig.5 Influence of coal powder quantity on oil slurry apparent viscosity
由图5可知，煤粉加量对油煤浆黏度有很大影响。在含油量不变的情况下，随着煤粉用量的增加，油煤浆黏度逐渐增大。对于煤液化反应来说，在油煤浆性能符合液化工业要求的前提下，油煤浆中煤粉含量越高，浆体热值越高，造成浆体黏度越大、流动性差，油煤浆在输送管道内流动的阻力增大，不利于液化反应的顺利进行；反之，煤粉含量低，浆体热值越低，浆体黏度越小、流动性好[14]。实验中煤粉加量最大为45%，超过45%时煤粉发生沉降，不利于输送。
2.6 煤粉粒径对油煤浆黏度的影响
分别将渣油，0.15、0.075 mm郭家湾煤粉、分散剂按质量比54∶45∶1称量好后加入搅拌机中，然后在1 200 r/min电加热调速搅拌器下连续搅拌30 min溶解均匀，油煤浆静置24 h备用。在温度120 ℃，剪切速率100～300 r/s，剪切10 min条件下使用DG41Ti转子测定油煤浆黏度，考察不同煤粉粒径对油煤浆黏度的影响，结果如图6所示。
图6 煤粉粒径对油煤浆黏度的影响
Fig.6 Influence of coal particles on oil slurry apparent viscosity
由图6可知，油煤浆内存在双电层结构、空间位阻效应和渣油自身的网络结构，阻止了浆体内粒子间的相互碰撞和凝聚。煤粉粒度较小时，减少重力作用下的沉淀，由于比表面能增大，使得颗粒与液体间作用力增强，料浆的表观黏度增大；煤粉粒度较大时，增加重力作用下的沉淀，油煤浆稳定性变差[15]。因此，在配制油煤浆时应选择适宜粒径及分布的煤粉，以制备出性能优良的油煤浆，正确指导油煤浆实验室研究及工业生产应用。
2.7 温度对油煤浆黏度的影响
将渣油、0.075 mm郭家湾煤粉、分散剂按质量比54∶(30～45)∶1称量好后加入搅拌机中，然后在1 200 r/min电加热调速搅拌器下连续搅拌30 min溶解均匀，油煤浆静置24 h备用。在剪切速率250 r/s，剪切30 min，温度90～150℃条件下使用DG41Ti转子油煤浆黏度，考察温度对油煤浆黏度的影响，结果如图7所示。
图7 温度对油煤浆黏度的影响
Fig.7 Influence of temperature on oil slurry apparent viscosity
由图7可知，随着温度的升高，油煤浆浆体的黏度逐渐下降。混合体系黏度随温度的变化主要是由于煤粒和含油污泥中固体颗粒之间的相互作用决定的[16]。温度升高时，煤粉固体颗粒和油颗粒的布朗运动增强，油煤浆浆体的体积膨大，固体颗粒间距增加，体系间的力平衡关系破坏，有利于颗粒滑动，导致混合体系表观黏度下降[17-18]。因此根据油煤浆浆体黏度与温度的关系，油煤浆可采用较低温度储存，用较高温度改善流变性以达到安全输送和高效燃烧的目的。
3 结 语
油煤浆流变性的研究在其输送中起着至关重要的作用。本文主要考察了不同转子、溶胀时间、煤粉加量、粒径和温度对油煤浆黏度的影响。溶胀时间为2～24 h时，黏度为60～110 mPa·s；剪切速率为100～300 r/s时，黏度为65～50 mPa·s，说明油煤浆具有良好的抗剪切性能；为了确保油煤浆浆体稳定性和输送过程中的安全性，最终确定煤粉加量为45%；温度对油煤浆的黏度有很大影响，温度为90～150 ℃时，浆体黏度为1 200～130 mPa·s，黏度下降89.17%，可通过增加温度来提高输送效率。
参考文献:
[1] 张 磊,唐志坚,储 俊.化学添加剂对油煤水浆粘度影响的试验[J].能源技术与管理,2007(6)：113-115.
Zhang Lei,Tang Zhijian,Chu Jun.The experimental study about influence of chemical additives to COWS on viscosity[J].Energy Technology and Management,2007(6)：113-115.
[2] 游 静，刘月娥，马凤云,等.胶体磨制备煤浆及粒径对直接液化性能的影响[J].煤炭转化，2014,37(2)：28-32.
You Jing，Liu Yuee，Ma Fengyun,et al.Preparation of slurry with colloid mill and effect on direct liquefaction properties of the particle size of coal[J].Coal Conversion，2014,37(2)：28-32.
[3] 高夫燕，刘建忠，岑可法.褐煤与石油焦的共成浆特性及机理[J].热力发电，2014,43(6):45-50.
Gao Fuyan，Liu Jianzhong，Cen Kefa.Characteristics and mechanism of co-slurry of lignite and petroleum coke[J].Thermal Power Generation，2014,43(6):45-50.
[4] 熊楚安.煤浆浓度对油煤浆流变特性和表观粘度的影响[J].黑龙江科技学院学报，2012,22(3)：81-83
Xiong Chu'an.Influencing factors for rheological properties and viscosity of oil-coal slurry[J].Journal of Heilongjiang Institute of Science and Technology，2012,22(3)：81-83.
[5] 吴 艳.油煤浆表观粘度测定方法研究[J].洁净煤技术，2014,27(3):25-28.
Wu Yan.Determination of coal-oil slurry apparent viscosity[J].Clean Coal Technology，2014,27(3):25-28.
[6] 张 勋，蔡会武，杨正虎,等.新疆煤制备油水煤浆[J].煤炭转化，2012,35(4):41-43.
Zhang Xun，Cai Huiwu，Yang Zhenghu,et al.Study on the preparation of oil-coal slurry with Xinjiang coal[J].Coal Conversion，2012,35(4):41-43.
[7] 李 艺,薛云鹏，朱伟平，等.煤浆性能及其稳定性影响因素研究述评[J].化学工业，2009,27(5):25-28.
Li Yi，Xue Yunpeng，Zhu Weiping,et al.A review of the influencing factors for the property and stability of coal slurry[J].Chemical Industry，2009,27(5):25-28.
[8] 李伟东,李 明,李伟锋,等.污泥对水煤浆静态稳定性的影响研究[J].环境工程，2008,26(S1):267-271.
Li Weidong,Li Ming,Li Weifeng,et al.The effect of sewage sludge on the static stability of coal-water slurries[J].Environmental Engineering，2008,26(S1):267-271.
[9] 尉迟唯,李保庆，李 文，等.煤质因素对水煤浆性质影响[J].燃料化学学报，2007,35(2):146-154.
Wei Chiwei,Li Baoqing,Li Wen,et al.Analysis of coal characteristics on the properties of coal water slurry preparation with different coal ranks[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology，2007,35(2):146-154.
[10] 王永刚,郝丽芳,熊楚安,等.常压低温条件下油煤浆粘度变化的研究[J].燃料化学学报，2007,35(5):513-517.
Wang Yonggang，Hao Lifang,Xiong Chu'an，et al.Apparent viscosity changes of oil-coal slurry during heating at atmosphere[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology，2007,35(5):513-517.
[11] 刘明华.水煤浆添加剂的制备及应用[M].北京：化学工业出版社，2006:12.
Liu Minghua.Preparation and application of coal-water slurry additives[M].Beijing：Chemical Industry Press，2006:12.
[12] 韩文煜,常鸿雁，张德祥,等.油煤浆粘温特性的初步研究[J].煤炭转化，2003,26(4):51-54.
Han Wenyu，Chang Hongyan,Zhang Dexiang,et al.Principium research on temperature properties of oil-coal slurry direct liquefaction[J].Coal Conversion，2003,26(4):51-54.
[13] Mishra S K,Senapati P K,Panda D.Rheological behavior of coal-water slurry[J].Energy Sources，2002,24(2):159-167.
[14] 郝临山.水煤浆制备与应用技术[M].北京：煤炭工业出版社，2003.
Hao Linshan.Coal-water slurry preparation and application technology[M].Beijing：Coal Industry Publishing House，2003.
[15] Dincer H,Boylu F,Sirkeci A A,et al.The effect of chemicals on the viscosity and stability of coal water slurries[J].International Journal of Mineral Processing,2003,70(1):41-51.
[16] 朱 红，赵 伟，闫学海，等.油水煤浆三元混合体系的制备及特征研究[J].中国矿业大学学报，2002,31(6):579-582.
Zhu Hong，Zhao Wei，Yan Xuehai，et al.Preparation and properties of triplex mixture system of oil-water-coal[J].Journal of China University of Mining and Technology，2002,31(6):579-582.
[17] 陈业泉,朱 红，孙正贵，等.油基油水煤浆的流变性质研究[J].中国矿业大学学报，2001,30(6):608-612.
Chen Yequan,Zhu Hong，Sun Zhenggui，et al.Study on rheological properties of oil-based water coal slurry[J].Journal of China University of Mining and Technology，2001,30(6):608-612.
[18] 张荣曾.水煤浆制浆技术[M].北京：科学技术出版社，1996.
Zhang Rongzeng.Coal-water slurry pulping technology[M].Beijing：Science and Technology Press,1996.
Rheological properties of coal oil mixture
Abstract:The coal oil mixture was easy to settle in transportation and it also was unable to pulp.In order to resolve those problems,the influence of coal,swelling time,additive amount of pulverized coal,particle size and temperature on the performance of coal oil mixture during direct coal liquefaction were studied.The results showed that,the coal oil mixture was pseudoplastic fluid and exhibited excellent shear thinning properties.A DG41Ti was adopted in the experiment.With the extension of swelling time,the viscosity increased from 60 mPa·s at 2 hours to 100 mPa·s at 24 hours.With the rise of temperature,the viscosity which decreased from 1 200 mPa·s to 130 mPa·s presented a 89.17% decline.Keeping the oil content unchanged,the maximum consumption of pulverized coal increased by 45%.
Key words:coal oil mixture;viscosity;swelling;rheological behavior
中图分类号：TQ517；TQ54
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)02-0059-05
收稿日期：2015-08-31；责任编辑白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.02.013
引用格式：何 静，王永炜，王满学,等.油煤浆流变特性研究[J].洁净煤技术，2016，22(2)：59-63.
HE Jing,WANG Yongwei,WANG Manxue,et al.Rheological properties of coal oil mixture[J].Clean Coal Technology，2016，22(2)：59-63.
