CC BY
66
УДК 621.311.22:622.7.002.68:662.654
В.И. Мурко, Г.Д. Вахрушева, В.И. Федяев,В.И. Карпенок,
В.П. Мастихина, Д.А. Дзюба
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУСПЕНЗИОННОГО УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
Введение*
Для водоугольного топлива важнейшими характеристиками, определяющими его свойства как жидкого топлива, являются реологические параметры и показатели стабильности. Реология выясняет закон, которому подчиняется жидкость при действии на нее деформирующего усилия, а реологические параметры - это коэффициенты, входящие в аналитическую форму закона деформации. В зависимости от значений реологических параметров водоугольные суспензии проявляют как свойства ньютоновских, так и свойства неньютоновских жидкостей [1].
Значение реологических характеристик угольных суспензий дает возможность прогнозировать и регулировать технологические свойства ВУТ, необходимые для хранения, транспортирования и его успешного сжигания в топках.
Хорошо известно, что температура оказывает значительное влияние на реологические характеристики жидкостей. Поведение ньютоновских жидкостей при течении зависит от единственной характеристики - вязкости, которая является только функцией температуры. Предложено большое количество теоретических и экспериментальных уравнений, описывающих температурные зависимости вязкости. Наиболее употребительно уравнение Аррениуса [2]:
ц = Аа-Е 1 кг, (1)
где Я - газовая постоянная;
Е - энергия активации вязкого течения;
A - коэффициент, зависящий от природы жидкости.
Экспериментальная часть
Реологические характеристики ВУТ являются основным показателем, характеризующим их технологическую пригодность. Они определяются физико-химическими процессами, происходящими между твердой и жидкой фазами системы и, следовательно, должны рассматриваться применительно к конкретным условиям их использования.
Материалы статьи подготовлены в процессе реализации проекта в рамках частно-государственного партнерства в сфере реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства при финансовой поддержке правительства Российской Федерации (шифр 2010-218-02-174 «Разработка технологии и создание пилотного образца автоматизированного энергогенерирующего комплекса, работающего на отходах углеобогащения»).
Получение водоугольной суспензии, необходимой для исследований, производилось методом мокрого перемешивания в смесителе принудительного действия. Количество воды, угля и реагента-пластификатора, подаваемое в смеситель, определялось расчетным путем по массе сухого угля, таким образом, чтобы массовая доля твердой фазы ВУТ соответствовала заданному значению.
Продолжительность перемешивания определялась достижением однородной консистенции суспензии (отсутствием комочков, водоотделения и осадка). Для исследования в качестве твердой фазы ВУТ использовали тонкодисперсные углесодержащие отходы (фильтр-кеки), полученные от переработки углей различных стадий метаморфизма (марки угля) и зольностей Кузнецкого угольного бассейна:
«КО+К» - ОФ «Северная (г. Березовский);
«ГЖ» - ЦОФ «Абашевская» (г. Новокузнецк);
«Г» - ОФ «Щедрухинская» (г. Новокузнецк);
«КС», - ОФ «Междуреченская» (г. Междуре-
«Т» ченск);
«КЖ+Ж» - ЦОФ «Кузбасская» (г. Междуреченск);
«Т» - ОФ «Красногорская» (г. Междуреченск);
«Г» - ОФ «Спутник» (г. Полысаево).
В ходе проведения эксперимента определялись реологические характеристики приготовленных в смесителе угольных суспензий их зольность, содержание твердой фазы и гранулометрический состав.
Контроль содержания твердой фазы ВУТ осуществлялся до и после измерений реологических параметров, путем отбора представительных проб и их высушивания при температуре 105 0С по ГОСТ 27314. Фиксировалось изменение концентрации угля в ВУТ за счет испарения воды в процессе проведения эксперимента.
Гранулометрическое распределение частиц угля в ВУТ определялось по ГОСТ 2093-82.
Реологические характеристики, оцениваемые по эффективной вязкости при скорости сдвига 81 с-1, измеряли на ротационном вискозиметре “RHEOTEST-2” в диапазоне скоростей сдвига от
1,0 до 437,4 с-1 со стандартной системой цилиндров S2 [2].
В соответствии с инструкцией на вискозиметр проба ВУТ предварительно тщательно перемешивалась, помещалась в цилиндрическую измерительную систему и вместе с ней термостатирова-лась на термостате HAAKE F3 в течение 30 минут.
Таблица 1. Характеристика суспензионного угольного топлива на основе фильтр-кеков ОФ Кузбасса
№ п/п Зольность, Л*,% Наименование добавки Количество добавки от твердой фазы, % Массовая доля твердой фазы, Ст, % Г ранулометрический состав, классы, мм Низшая теплота сгорания, я:, МДж/кг (ккал/кг)
+0,355 0,250- 0,355 0,071- 0,250 0,071
ОФ «Северная»
1 34,3 Тип С 0,3 60,5 1,0 2,8 13,4 82,8 12,5 (2980)
ЦОФ «Абашевская»
2 27,4 Вариант В2 1,0 64,3 1,5 3,4 26,0 69,1 12,7 (3026)
ОФ «Щедрухинская»
3 30,2 Вариант В2 1,0 59,7 0,4 0,2 8,6 90,8 12,9 (3085)
ОФ «Между] реченская», марка «Т»
4 45,6 Вариант М1 0,31 60,0 0,9 2,1 21,9 75,1 10,1 (2410)
ОФ «Междуреченская», марка «КС»
5 61,8 Вариант М1 0,31 59,5 0,7 0,6 10,6 88,1 7,0 (1661)
ЦОФ «Кузбасская»
6 26,9 Вариант В1 1,0 60,1 0,5 0,8 10,0 88,7 13,4 (3200)
ОФ «Красногорская»
7 24,9 Вариант В1 1,0 60,1 2,5 2,0 10,9 84,0 14,5 (3463)
ОФ «Спутник»
8 27,2 Вариант В2 1,0 60,4 - 0,1 17,2 82,7 12,9 (3093)
Рис. 1. Зависимость эффективной вязкости при скорости сдвига 81 с1 от температуры водоугольной суспензии на основе фильтр-кеков ОФ «Междуреченская», марка «КС».
После термостатирования образца ВУТ проводилось измерение крутящего момента при 12 различных фиксированных скоростях вращения ротора в диапазоне 0,278-243 об/мин, что соответствует изменению скорости сдвига от 1,0 до 437,4 с-1. Измерения начинались с минимальной скоро-
сти. При всех скоростях вращения ротора регистрировалась величина крутящего момента (напряжения сдвига), соответствующая равновесному значению, т.е. такому, когда момент перестанет изменяться во времени. Следует иметь в виду, что время достижения равновесия могло
Рис. 2. Зависимость эффективной вязкости при скорости сдвига 81 с1 от температуры водоугольной суспензии на основе фильтр-кеков ОФ «Междуреченская», марка «Т».
СТ = 60,5 % (ОФ "Северная")
СТ = 60,4 % (ОФ "Спутник")
СТ = 60,1 % (ОФ "Красногорская")
СТ = 60,1 % (ЦОФ "Кузбасская")
СТ = 59,7 % (ОФ "Щедрухинская") _
СТ = 59,5 % (ОФ "Междуреченская" марка "КС") СТ = 60,0 % (ОФ "Междуреченская" марка "Т")
СТ = 60,5 % (ЦОФ "Абашевская")
40
Температура, ОС
1800
1600
1400
1200
■= 1000
800
600
400
200
0
10
20
30
50
60
70
80
Рис. S. Зависимость эффективной вязкости при скорости сдвига 81 с1 от температуры водоугольной суспензии на основе фильтр-кеков обогатительных фабрик Кузбасса.
составлять несколько минут.
Вискозиметрические измерения для каждой из температур проводили с новой порцией суспензионного угольного топлива, предварительно ее перемешав.
Температурные режимы задавались произвольно, но так чтобы перекрыть рабочий диапазон, причем шаг замеров был неравномерным -более плотным в области ожидаемого снижения вязкости ВУТ.
Результаты и их обсуждения
Реологические свойства водоугольных суспензий определяются главным образом свойствами дисперсной твердой фазы (химическим соста-
вом и количеством минеральной части угля, массовой долей твердой фазы и гранулометрическим составом частиц и др.), дисперсионной среды и типом применяемой пластифицирующей добавки [І].
B табл. І представлена характеристика суспензионного угольного топлива, приготовленного на основе фильтр-кеков углеперерабатывающих предприятий Кузбасса.
Для того чтобы исключить влияние количества фракций твердой фазы на реологические характеристики угольных суспензий, гранулометрический состав всех полученных BYr соответствовал значениям:
Рис. 4. Зависимость коэффициента консистентности от температуры водоугольной суспензии на основе фильтр-кеков ОФ «Междуреченская».
го
о
I-
о
с
о
о
ч
X
Температура, оС
Рис. 5. Зависимость индекса потока от температуры водоугольной суспензии на основе фильтр-
кеков ОФ «Междуреченская».
- класс 0-250 мкм - 95-100%;
- класс 0-71 мкм - 70-90%;
- более 250 мкм - 0-5%.
Зольность суспензионного угольного топлива, приготовленного на основе фильтр-кеков обогатительных фабрик, лежала в интервале значений от
25,0 до 35,0%. Исключение составил фильтр-кек с
ОФ «Междуреченская» с зольностью Ad = 45,б%
для марки «Т» и Ad = 61,8% для марки «КС», где отбор менее низкозольного продукта на данный момент был невозможен по технологическим причинам.
После проведения экспериментов в диапазоне
изменения температур от 3,0 до 70,0 0С определились коэффициенты, входящие в аналитическую форму реологического уравнения: степенного (к, п) и линейного (Г0, 1Л~дд ) с использованием численного метода аппроксимации (программы на языке МаїИСАБ) для каждого образца пробы ВУТ [1]. Результаты этих определений сводились в таблицы, по каждой ОФ раздельно. Графическое отображение зависимости эффективной вязкости при скорости сдвига 81 с-1 от температуры ВУТ с различным содержанием массы твердой фазы представлено на примере ОФ «Междуреченская» на рис. 1, 2.
На рис.3 сведены кривые зависимости эффек-
Рис. 6. Зависимость начального напряжения сдвига от температуры водоугольной суспензии на основе
фильтр-кеков ОФ «Междуреченская».
Рис. 7. Зависимость структурной вязкости от температуры водоугольной суспензии на основе фильтр-
кеков ОФ «Междуреченская».
тивной вязкости при скорости сдвига 81 с-1 от температуры в исследованных ВУТ, приготовленных на основе восьми образцов фильтр-кеков. Представленные пробы ВУТ имели концентрацию твердой фазы близкую к 60,0% (+0,5%) и отличались между собой не только маркой угля, от переработки которого на ОФ образовался фильтр-кек, но и используемой для их приготовления пластифицирующей добавкой. Влиянием гранулометрического состава анализируемых ВУТ на ее реоло-
гические характеристики можно пренебречь ввиду максимальной их схожести по выходам классов крупности (см. выше).
Несмотря на то, что характер изменения индивидуален для каждого исследованного ВУТ имеются общие тенденции:
- при повышении температуры суспензии эффективная вязкость при скорости сдвига 81 с-1 снижается, причем ее минимум лежит в температурном интервале 42-48 0С для всех образцов
Рис. 8. Зависимость удельного перепада давления для производительности 10 м3/ч и 20 м3/ч при радиусе 0,025 м для бингамовской модели жидкости.
400
350
I
I
I
I
I
I
300 —
250 —
200
150
100
50
0 0
фильтр-кек, марка Т (Ст = 53,8 %, Q=10 м3/ч) фильтр-кек, марка КС (Ст = 51,1 %, Q=10 м3/ч) фильтр-кек, марка Т (Ст = 53,8 %, Q=20 м3/ч) фильтр-кек, марка КС (Ст = 51,1 %, Q=20м3/ч)
10 20 30 40 50
Температура, оС
60
70
80
____/
Рис. 9. Зависимость удельного перепада давления для производительности 10 м3/ч и 20 м3/ч при радиусе 0,05 м для бингамовской модели жидкости
ВУТ, кроме марки «КС» ОФ «Междуреченская»;
- увеличение температуры более 50 0С до 65 0С приводит в основном к росту эффективной вязкости, лишь иногда и к ее стабилизации.
- полученная температурная зависимость вязкости не подчиняется выражению через уравнение Аррениуса для неньтоновских жидкостей, какими являются высококонцентрированные водоугольные суспензии.
Графически зависимости реологических параметров (^, К, п, т0, Цо) от температуры суспензии (на примере ОФ «Междуреченская») показаны на рис. 4-7.
Учитывая, что по результатам реологических
испытаний лучшей моделью является бингамов-ская, в дальнейших расчетах использовалась данная модель для определения удельных потерь давления в трубопроводе. Удельные потери давления в трубопроводе для бингамовских жидкостей определяются по формуле (2):
Г л
АР
I
Я +
8ц
пдд.
л-Я4
пдд. J
где Q - производительность, м3/ч;
К - радиус трубопровода, м; п - индекс потока;
К - коэффициент консистентности, Пасп
X
Зависимость удельных перепадов давления от температуры для производительностей 01=10 м3/ч и 02=20 м3/ч и одном внутреннем радиусе трубопровода (Я1=0,025 м или Я2=0,025 м) представлена графически на рис. 8, 9.
Заключение
Как видно из результатов исследований, повышение температуры суспензии до 43-46 0С приводит к снижению удельных гидравлических сопротивлений в трубопроводе:
- с радиусом Я=0,025 м на 66-68% абсолют-
ных значений (марка «КС») и 42-43% (марка «Т»);
- с радиусом Я=0,05 м - на 43-53% («КС») и 29-35% («Т»).
Таким образом, при проектировании промышленных технологических комплексов следует принимать во внимание полученную зависимость вязкости от температуры и при технической возможности и экономической целесообразности необходимо использовать устройства для подогрева перекачиваемой суспензии до температуры 42,0-43,00 С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Физико-технические основы водоугольного топлива. В.И. Мурко, В.И. Федяев, В.А. Хямяляйнен. Кемерово. Кузбассвузиздат, 2009.
2. Штиллер В... Уравнение Аррениуса и неравновесная кинетика. Изд-во Мир, 2000.
□ Авторы статьи:
Мурко Василий Иванович, докт.техн.наук., профессор каф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ, тел. 89617177514, e-mail: [email protected]
Карпенок Виктор Иванович, старший научный сотрудник (СибГИУ), тел. 89617177459
Bахрyшева Галина Дмитриевна, ведущий инженер СибГИУ, тел. 89617177488
Мастихина Вера Павловна, старший научный сотрудник (СибГИУ), тел. 89617177496
Федяев Владимир Иванович, генеральный директор ЗАО НПП «Сибэкотехника», тел. 89617177459
Дзюба
Дмитрий Анатольевич, старший научный сотрудник, (СибГИУ), тел. 89617177430
