關(guān)于攪拌剪切對水煤漿性能影響的探討

宮 勛， 王俊濤

(中鹽安徽紅四方股份有限公司， 合肥 231607)

根據(jù)水煤漿氣化生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，要求原料煤具有較好的反應(yīng)活性和較高的發(fā)熱值，故水煤漿氣化一般宜選用煤化程度僅高于褐煤的煙煤作為原料，即長焰煤、氣煤。水煤漿氣化，除了對原料煤煤質(zhì)有一定要求外，對其研磨制備成的水煤漿性能也有一定要求。

水煤漿性能的主要指標(biāo)有濃度、黏度、流動(dòng)性、穩(wěn)定性[1]，各項(xiàng)指標(biāo)之間存在一定的關(guān)聯(lián)性和制約性。提高水煤漿濃度，會(huì)導(dǎo)致其黏度升高、流動(dòng)性變差；降低水煤漿黏度，會(huì)導(dǎo)致其流動(dòng)性增強(qiáng)、穩(wěn)定性變差[2]。性能好的水煤漿應(yīng)具有高濃度、低黏度以及合適的流動(dòng)性及穩(wěn)定性特點(diǎn)。

水煤漿是一種固液兩相混合物，不受外力的作用時(shí)，容易發(fā)生固液分離現(xiàn)象。一旦固體顆粒沉淀，隨之而來的便是其周圍水煤漿的濃度、黏度及屈服應(yīng)力降低，可能導(dǎo)致更多的顆粒沉淀。這種沉淀不但不利于水煤漿的輸送，而且容易堵塞輸送管道。同時(shí)，作為水煤漿氣化用漿，還影響水煤漿的霧化及氣化反應(yīng)。為了使?jié){體分散、混合、懸浮，或使之與添加劑充分接觸以加速其熟化，攪拌是水煤漿制備過程中不可缺少的工藝環(huán)節(jié)[3]。

1 攪拌剪切對水煤漿的影響

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：有些水煤漿受攪拌剪切作用后,其黏度下降，屈服應(yīng)力增加，觸變性增強(qiáng)，從而穩(wěn)定性得到提高；有些水煤漿受攪拌剪切作用后，其黏度顯著增加。這說明在不同的攪拌剪切作用下，性質(zhì)不同的水煤漿其耐攪拌性能是不同的，原因如下：

(1) 適當(dāng)攪拌，可促進(jìn)添加劑與煤顆粒間的接觸，有利于兩者之間的相互作用。這種剪切作用有利于改善水煤漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。

(2) 攪拌可促進(jìn)添加劑與水煤漿中其它物質(zhì)的接觸，發(fā)生相互作用或反應(yīng)。另外，少量的添加劑可能會(huì)被吸附到煤顆粒空隙中去，導(dǎo)致這部分添加劑未起到應(yīng)有的作用。

(3) 攪拌會(huì)破壞部分添加劑與煤顆粒之間的吸附作用，但這些添加劑還存在水中，并沒有被消耗。經(jīng)適當(dāng)攪拌剪切后,水煤漿可重新發(fā)揮作用。

(4) 過度的攪拌，會(huì)增加水煤漿中顆粒碰撞的幾率,碰撞強(qiáng)度大大增強(qiáng)[4]，形成空間結(jié)構(gòu)物，導(dǎo)致水煤漿的流動(dòng)性顯著變差甚至完全不能流動(dòng)。由于離心泵的剪切強(qiáng)度很大，所以，一般不建議用離心泵輸送高濃度水煤漿。

圖1和圖2分別為中鹽安徽紅四方股份有限公司(簡稱紅四方)一期和二期氣化裝置中小煤漿槽、大煤漿槽的水煤漿黏度分析數(shù)據(jù)圖。

圖1 一期氣化裝置煤漿黏度

圖2 二期氣化裝置煤漿黏度

總體來看，大煤漿槽的水煤漿黏度均低于相對應(yīng)的小煤漿槽的水煤漿黏度，說明水煤漿受到攪拌剪切作用后有利于改善其流動(dòng)性和穩(wěn)定性。

2 槳葉及擋板的安裝要求

適當(dāng)?shù)臄嚢杩梢愿纳扑簼{槽內(nèi)的水煤漿性能，但過度的攪拌剪切會(huì)導(dǎo)致水煤漿性能變差。為了達(dá)到預(yù)期的攪拌效果，水煤漿槽內(nèi)的槳葉、擋板安裝有一定技術(shù)要求。

2.1 槳葉

通常，水煤漿槽攪拌器采用螺旋槳葉，即槳葉葉片安裝與水平方向呈一定傾斜夾角。攪拌器工作時(shí)，在槳葉的推動(dòng)下，水煤漿除了水平方向做圓周運(yùn)動(dòng)外，還做垂直方向的上揚(yáng)或下沉運(yùn)動(dòng)，使水煤漿得到充分?jǐn)嚢琛?/p>

(1) 槳葉轉(zhuǎn)速及作用方向

過度的攪拌剪切，不但增加攪拌無用能耗，而且會(huì)導(dǎo)致水煤漿性能下降。攪拌器的轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在20～40 r/min 。水煤漿做上揚(yáng)或下沉運(yùn)動(dòng)取決于槳葉的徑向旋轉(zhuǎn)方向。相對來說，上揚(yáng)運(yùn)動(dòng)有利于水煤漿的攪拌剪切，但需克服其自身重力，故導(dǎo)致攪拌器扭矩和能耗增加。在水煤漿槽攪拌器的推動(dòng)下，通常水煤漿呈水平圓周、垂直下沉運(yùn)動(dòng)。

通過觀察水煤漿的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以判斷水煤漿槽攪拌器對水煤漿垂直方向的作用方式是上揚(yáng)或下沉。透過水煤漿槽頂觀察孔觀察水煤漿槽液面，水煤漿在做圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還做徑向運(yùn)動(dòng)。若水煤漿由液面中心區(qū)域流向水煤漿槽壁，則可判斷水煤漿做垂直方向的上揚(yáng)運(yùn)動(dòng)；若水煤漿由水煤漿槽壁流向液面中心區(qū)域，則可判斷水煤漿做垂直方向的下沉運(yùn)動(dòng)。

(2) 槳葉與水煤漿槽間的直徑比

若槳葉與水煤漿槽間的直徑比過小，則攪拌作用達(dá)不到水煤漿槽壁的周邊區(qū)域，導(dǎo)致此區(qū)域水煤漿受到的攪拌作用不足；若槳葉與水煤漿槽間的直徑比過大，則槳葉與水煤漿槽壁間的空間窄小，會(huì)削弱軸向循環(huán)流，不利于攪拌，并增加水煤漿對水煤漿槽壁的沖擊力。通常控制槳葉與水煤漿槽間直徑比為0.35～0.50。紅四方一期和二期大煤漿槽的直徑比分別為0.38、0.37/0.25(一期大煤漿槽雙層槳葉直徑均為320 mm，二期大煤漿槽上下層槳葉直徑分別為4 115 mm、4 675 mm)。

(3) 槳葉的安裝位置

為了確保攪拌達(dá)到預(yù)期效果，通常水煤漿槽攪拌器采用雙層螺旋槳葉。水煤漿在攪拌器槳葉的推動(dòng)下，會(huì)在槳葉的上下形成兩股循環(huán)流。既要確保上層槳葉的上循環(huán)流能夠達(dá)到水煤漿的液面，又要確保下層槳葉的下循環(huán)流能夠達(dá)到水煤漿槽底，同時(shí)還要確保上層槳葉的下循環(huán)流與下層槳葉的上循環(huán)流能夠產(chǎn)生交集，故對槳葉的安裝位置也應(yīng)有一定的要求。

2.2 擋板

水煤漿在槳葉推動(dòng)下做圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，容易產(chǎn)生渦流。為了消除渦流，往往在水煤漿槽內(nèi)設(shè)置垂直擋板，其作用是抑制水煤漿的切向流，增加湍流和對流循環(huán)強(qiáng)度，從而增強(qiáng)攪拌效果。

(1) 擋板寬度

增加擋板寬度，可加大槳葉與水煤漿的接觸面積，提高攪拌效率。隨著擋板寬度進(jìn)一步增加，勢必降低攪拌器對水煤漿槽邊緣水煤漿的攪拌效果，故擋板的寬度應(yīng)在合適范圍內(nèi)。紅四方一期和二期大煤漿槽擋板設(shè)計(jì)寬度均為300 mm。

(2) 擋板空隙

水煤漿槽內(nèi)壁設(shè)置垂直擋板，目的為了增強(qiáng)攪拌效果。若擋板貼合水煤漿槽內(nèi)壁安裝，在擋板與水煤漿內(nèi)壁交接處，容易產(chǎn)生死角，抑制該區(qū)域的水煤漿運(yùn)動(dòng)，甚至抑制了水煤漿槽邊緣水煤漿的運(yùn)動(dòng)，故擋板與水煤漿槽內(nèi)壁之間應(yīng)預(yù)留一定距離的空隙。紅四方一期和二期大煤漿槽擋板空隙設(shè)計(jì)距離均為100 mm。

3 結(jié)語

選擇合適的攪拌器和擋板，有利于水煤漿顆粒與添加劑之間的相互作用，改善水煤漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。