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水煤浆管道输送摩阻损失研究 ① 王铁力 （中煤科工集团武汉设计研究院有限公司 管道工程院，湖北 武汉 ４３００６４） 摘 要 以十二醇醚为分散剂，进行了水煤浆管道输送实验研究，分析了分散剂浓度和煤浆浓度变化对煤浆摩阻损失的影响。 煤 浆管道输送数据分析及理论计算结果表明分散剂浓度越大，煤浆摩阻损失值越小；水煤浆浓度越大，摩阻损失值越大。 实验数据 拟合结果表明有效黏度与平均切变率成线性关系，从理论上给出了煤浆摩阻损失的计算公式，计算值与实测值偏差不大于 １８％。 关键词 管道输送； 分散剂； 十二醇醚； 水煤浆； 黏度； 摩阻损失 中图分类号 ＴＤ５２２文献标识码 Ａｄｏi１０．３９６９／ ｊ．iｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２０．０６．００２ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０２０）０６－０００５－０３ Ｆｒｉｃｔｉoｎ Ｌoｓｓ ｉｎ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｔｒａｎｓｐoｒｔａｔｉoｎ oｆ Coａｌ-Ｗａｔｅｒ Ｓｌｕｒｒｙ ＷＡＮＧ Ｔiｅ-ｌi （Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｗｕｈａｎ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ， Ｗｕｈａｎ ４３００６４， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗiｔｈ ｄｏｄｅｃｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｅｔｈｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｄiｓｐｅｒｓａｎｔ， ａｎ ｅｘｐｅｒiｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｗａｓ ｃａｒｒiｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐiｐｅｌiｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔiｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ-ｗａｔｅｒ ｓｌｕｒｒｙ， ａｎｄ ｔｈｅ iｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒiａｔiｏｎ iｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔiｏｎ ｏｆ ｄiｓｐｅｒｓａｎｔ ａｎｄ ｃｏａｌ ｓｌｕｒｒｙ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒiｃｔiｏｎ ｌｏｓｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｄａｔａ ａｎａｌｙｓiｓ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔiｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔiｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐiｐｅｌiｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔiｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｌｕｒｒｙ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔiｏｎ ｏｆ ｄiｓｐｅｒｓａｎｔ， ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈｅ ｆｒiｃｔiｏｎ ｌｏｓｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｌｕｒｒｙ； ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔiｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ-ｗａｔｅｒ ｓｌｕｒｒｙ， ｔｈｅ ｂiｇｇｅｒ ｔｈｅ ｆｒiｃｔiｏｎ ｌｏｓｓ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒiｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｆiｔｔiｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔiｖｅ ｖiｓｃｏｓiｔｙ ｈａｓ ａ ｌiｎｅａｒ ｒｅｌａｔiｏｎｓｈiｐ ｗiｔｈ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｓｈｅａｒ ｒａｔｅ． Ａ ｔｈｅｏｒｅｔiｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔiｏｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｒiｃｔiｏｎ ｌｏｓｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｌｕｒｒｙ iｓ ｐｒｏｖiｄｅｄ， ｓｈｏｗiｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖiａｔiｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅ iｓ ｎｏ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ １８％． Ｋｅｙ ｗoｒｄｓ ｐiｐｅｌiｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔiｏｎ； ｄiｓｐｅｒｓａｎｔ； ｄｏｄｅｃｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ ｅｔｈｅｒ； ｃｏａｌ-ｗａｔｅｒ ｓｌｕｒｒｙ； ｖiｓｃｏｓiｔｙ； ｆｒiｃｔiｏｎ ｌｏｓｓ 近年来，非离子表面分散剂发展极为迅速，应用越 来越广泛。 非离子分散剂效率高，不受水质和煤中可 溶物的影响，具有优良的分散降黏作用。 非离子型分 散剂虽然价格稍贵， 但用量少，可降低对煤质和水质 的要求， 明显提高水煤浆质量［１］。 此外，通过对非离 子型分散剂的结构、生成方式、反应原料的研究，有助 于研制性价比更好的分散剂。 十二醇醚是一种重要的 脂肪醇聚氧乙烯醚，是非离子表面分散剂中发展最快、 用量最大的品种之一。 十二醇醚作为一种主要的非离 子分散剂，对改变水煤浆黏度、制取高浓度水煤浆具有 重要作用［２－４］。 但水煤浆中十二醇醚的最佳浓度及其 对煤浆管道输送摩阻损失的影响研究还未见到，而摩 擦阻力对于管道输送尤为重要［５］。 因此，有必要开展 这方面的研究。 １ 水煤浆实验研究 １．１ 固体颗粒特性 实验所用煤颗粒取自辽北某矿，其特性如表 １ 所 示。 该煤粒收到基低位发热量为 ２１．８７ ＭＪ／ ｋｇ，空气干 燥基高位发热量为 ２３．１２ ＭＪ／ ｋｇ，可磨性为 ７０。 表 １ 实验用煤工业分析和元素分析结果 工业分析（空气干燥基） ／ ％元素含量（干燥无灰基） ／ ％ 水分灰分固定碳挥发分碳氢氧氮硫 ６．３５２１．６２２８．７１４３．３２７７．８６．１１１４．００１．０３０．５２ 从表 １ 可以看出，氧／ 碳比为 ０．１８，介于 ０．１～０．２ ①收稿日期 ２０２０－０６－１３ 基金项目 中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项项目（２０１９-ＺＤ００３） 作者简介 王铁力（１９８２－），男，黑龙江佳木斯人，高级工程师，硕士，长期从事浆体管道输送工程技术的设计和研究工作。 第 ４０ 卷第 ６ 期 ２０２０ 年 １２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩCＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０２０ 之间，有利于形成高浓度煤浆。 煤中内在水分含量较 低，有利于形成高浓度煤浆。 而高挥发的长焰煤变质 程度低，不利于成浆。 煤可磨性介于中等可磨和易磨 之间。 由烟煤成浆性指标［１］计算可知，该煤粒成浆较 难，最高制浆浓度为 ６８．４８％。 为了制取最佳浓度煤浆，参考 Ｄiｎｇｅｒ 模型理想分 布［１］，再结合多峰级配成浆实验，通过多次实验，确定 最佳颗粒级配曲线如图 １ 所示。 从图 １ 可看出，煤颗 粒范围为 ７～２００ μｍ，ｄ５０为 ２５ μｍ。 颗粒粒径／μm 100 80 60 40 20 01 101001000 小于某粒径的累计百分数／ 图 １ 煤颗粒级配曲线 实验用十二醇醚是一种白色蜡状颗粒，水溶性较 好，耐酸、耐碱、耐硬水、稳定性良好。 十二醇醚作为一 种非离子型分散剂，其分散效果与溶液 ｐＨ 值无关，受 盐和电解质的影响小。 １．２ 实验设备设施 煤浆管道输送实验管路见图 ２。 管道输送时，煤 浆流量调节范围为（０．５～４．０）１０ －３ ｍ３／ ｓ，煤浆质量浓 度变化值为 ６２％、６４％ 和 ６６％，对应的密度分别为 １ ２５９、１ ２６８ 和 １ ２７７ ｋｇ／ ｍ３。             7 7 8 6 9 10 5 4 3 2 1 图 ２ 实验装置 １ 浆体泵； ２ 电机； ３ 变频器； ４ 取样及排空阀； ５ 电 磁流量计； ６ 浆体罐； ７ 压缩空气阀； ８ 热交换器； ９ 双 法兰压差变送器； １０ 测试管路 图 ２ 中管路材质为无缝钢管，内径分别为 ３５ ｍｍ 和 ５０ ｍｍ。 变频器可以连续改变浆体泵的电机工作电 源频率，从而达到输送系统流量无极调速。 泄流阀是 为了管道的安全而设置的，也可以根据需要人为操作 排空管道中的水煤浆。 热交换器的作用是在水煤浆流 动中维持浆体温度恒定在 ２０ ℃。 通过电磁流量计可 以得到水煤浆流量数据。 通过双法兰压差变送器可以 获得一定流量下水煤浆摩阻损失值。 １．３ 实验步骤 首先测定 ０～４００ ｓ －１ 剪切率范围内剪切速率对应 的切应力值，绘制流变图线。 其次进行分散剂浓度分别 为 ０．４％、０．８％和 １．１％时浓度 ６２％的煤浆在直径 ３５ ｍｍ 管道中流动的输送实验，测试每一流量 Ｑ 值对应的摩 阻损失 ｉｍ值；然后进行分散剂浓度为 １．１％，浓度分别 为 ６２％、６４％和 ６６％的煤浆在直径 ５０ ｍｍ 管道中流动 的输送实验，测试每一流量 Ｑ 值对应的摩阻损失 ｉｍ值。 ２ 实验结果分析 本文中煤浆剪切速率和切应力等流变参数分析结 果表明，煤浆流动特性符合 Ｈｅｒｓｃｈｅｌ Ｂｕｌｋｌｅｙ 流体特 征，即 τ ＝ τ０＋ Ｋγｎ（１） 式中 τ 为切应力，Ｐａ；τ０为屈服应力，Ｐａ；γ 为切变率， ｓ －１ ；Ｋ 为稠度系数，Ｐａｓｎ；ｎ 为流动指数。 数据分析及拟合结果表明煤浆屈服应力 τ０变化 范围为 ４．２４～６．３７ Ｐａ，流动指数 ｎ 变化范围为 ０．８７～ １．１３，稠度指数 Ｋ 变化范围为 ０．３５～１．４５ Ｐａｓｎ。 实验过程中测定了 ４８ 组流量与摩阻损失数据，测 试结果如图 ３ 和图 ４ 所示。 从图 ３ 和图 ４ 可以看出， 随着煤浆流量增大，摩阻损失也增大。 从图 ３ 可以看 出，浆体中分散剂浓度越大（煤浆浓度为 ６２％），则管 径 ３５ ｍｍ 管道中煤浆摩阻损失值越小。 这说明十二 醇醚作为煤浆分散剂，具有明显的减阻作用。 其原因 在于十二醇醚会与水分子形成氢键，在煤颗粒表面形 煤浆流量／10-3 m3 s-1 50 40 30 20 10 0 0.01.53.04.5 摩阻损失／kPa m-1         分散剂浓度0.4 分散剂浓度0.8 分散剂浓度1.1  图 ３ 分散剂浓度对摩阻损失的影响 ６矿 冶 工 程第 ４０ 卷 煤浆流量／10-3 m3 s-1 70 60 50 40 30 20 10 0 0.01.53.04.5 摩阻损失／kPa m-1         煤浆浓度62 煤浆浓度64 煤浆浓度66  图 ４ 煤浆浓度对摩阻损失的影响 成一层水化膜，使原疏水表面转换为亲水表面，表现为 煤浆黏度降低，从而造成摩阻损失增大。 图 ４ 显示，煤浆浓度越大（分散剂浓度 １．１％），管 径 ５０ ｍｍ 管道中煤浆摩阻损失越大。 这是因为浓度 越大，煤浆单位体积内固体颗粒含量就会增加，导致煤 浆黏度增加，从而增大了阻力。 煤浆阻力与煤浆的流动状态存在密切关系。 本研 究中，流体雷诺数最大值为 ７７２．２６，最小值为 １３．５５，又 因为煤浆流动指数 ｎ 接近 １。 根据有关研究，非牛顿 流体流动指数 ｎ 接近 １ 时，可采用与牛顿流体相同的 方法确定其层流还是紊流流动而不会造成较大偏 差［６］，因此，确定本文中管道输送时煤浆流态为层流。 根据有关研究［７］，任何与时间无关的非牛顿体层 流时，平均切变率 ８Ｕ／ Ｄ 只是剪切应力的函数，可用下 式表示 τｗ＝ ΔＰＤ ４Ｌ ＝ η ∗８Ｕ／ Ｄ （２） 式中 τｗ为管壁切应力，Ｐａ；Ｌ 为管道长度，ｍ；ΔＰ 为长 度 Ｌ 段的压降，Ｐａ；η ∗为综合有效黏度，Ｐａｓ；Ｕ 为管 道内煤浆平均速度，ｍ／ ｓ；Ｄ 为管道直径，ｍ。 式（２）可变为 η ∗ ＝ τｗ ８Ｕ／ Ｄ （３） 根据实测数据，绘制 η ∗与平均切变率 ８Ｕ／ Ｄ 的关 系如图 ５～６ 所示。 通过煤浆流量 Ｑ＝（０．５～２．５）１０ －３ ｍ３／ ｓ 范围内的 ３０ 组 ８Ｕ／ Ｄ-η ∗数据拟合，发现综合有 效黏度 η ∗与切变率 ８Ｕ／ Ｄ 近似成线性关系，两者关系 可用下式表示 η ∗ ＝ Ａ（８Ｕ／ Ｄ） ＋ Ｂ（４） 从图５ 可以发现，煤浆浓度６２％时，分散剂浓度越 大，则综合有效黏度越小。 随着平均切变率 ８Ｕ／ Ｄ 增 加，综合有效黏度有增加的趋势，不过增加趋势不明 显。 分散剂浓度增加，有利于降低煤浆黏度，这在一定 程度上减少了综合有效黏度。 从图 ６ 可看出，随着煤 浆浓度增大，综合有效黏度呈现增大趋势。 8U / D 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.00 200300400100500600700 η * 分散剂浓度0.4 分散剂浓度0.8 分散剂浓度1.1      y 410-5x0.3838 R2 0.9121 y 610-5x0.0188 R2 0.9023 y 710-5x0.1109 R2 0.9744 图 ５ 不同分散剂浓度下综合有效黏度与切变率的关系 8U / D 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.00 10015050200250 η * 煤浆浓度62 煤浆浓度64 煤浆浓度66       y 0.003x1.4018 R2 0.9841 y 0.0011x0.2392 R2 0.9532 y 0.002x0.5618 R2 0.9966 图 ６ 不同煤浆浓度下综合有效黏度与切变率的关系 从上面分析可知，本文所研究的 Ｈｅｒｓｃｈｅｌ Ｂｕｌｋｌｅｙ 流体摩阻损失可用下式计算 ｉｍ＝ ３２η ∗Ｕ Ｄ２ （５） 图 ７ 为基于流量（３．０～４．０）１０ －３ ｍ３／ ｓ 范围内 １８ 组数据的摩阻损失计算值（式（５））与实测值对比情 况。 可以看出，摩阻损失计算值与实测值的偏差为 １７．１２％，不超过 １８％。 偏差产生的原因主要为实验测 量偏差以及数据拟合存在偏差。 这说明，式（５）可以 对水煤浆管道输送的摩阻损失进行一定程度的预测。 摩阻损失实测值／kPa m-1 70 60 50 40 30 20 10 00 20304010506070 摩阻损失计算值／kPa m-1         D 35 mm D 50 mm  18 -18 图 ７ 摩阻损失计算值与实测值对比 （下转第 １２ 页） ７第 ６ 期王铁力 水煤浆管道输送摩阻损失研究 轴抗压强度与体积膨胀率的关系，研究结果可为静态 破碎剂-水泥复合材料浆体节理面注浆技术的工程应 用奠定基础。 参考文献 ［１］ 刘泉声，雷广峰，卢超波，等． 注浆加固对岩体裂隙力学性质影响的 试验研究［Ｊ］． 岩石力学与工程学报， ２０１７，３６（Ｓ１）３１４０－３１４７． ［２］ 李衡锋，罗周全，张旭阳，等． 金属矿垮塌区内注浆加固效果检测 与评价［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１９，３９（５）２２－２６． ［３］ 崔 凯，冯 飞，谌文武，等． 生石灰为掺料的土遗址裂隙注浆浆 液结石体力学兼容性研究［Ｊ］． 岩土力学， ２０１９（１２）１－１０． ［４］ 王 刚，袁 康，蒋宇静，等． 剪切荷载下岩体结构面-浆体-锚杆 相互作用机理宏细观研究［Ｊ］． 中南大学学报（自然科学版）， 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�������������������������������������������������������������������������������������������������� （上接第 ４ 页） 参考文献 ［１］ 李夕兵． 凿岩爆破工程［Ｍ］． 长沙中南大学出版社， ２０１１． ［２］ 张 璞，唐有根，汪惊奇． 包胶转子泵对乳化炸药敏化气泡的影响 研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１６，３６（５）３４－３６． ［３］ Ｋｏ Ｙ Ｈ， Ｋiｍ Ｓ Ｊ， Ｙａｎｇ Ｈ Ｓ． Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｙｍｐａｔｈｅｔiｃ ｄｅｔｏｎａ- ｔiｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒiｓｔiｃｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｈａｐｅｄ ｃｈａｒｇｅ［Ｊ］． Ｇｅｏｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｇi- ｎｅｅｒiｎｇ， ２０１７，２０（５）２８６－２９３． ［４］ 徐德成，李 广，刘咏竹，等． 高温敏化时间对乳化炸药性能的影 响［Ｊ］． 爆破， ２０１６，３３（３）１１８－１２１． ［５］ 陈庆凯，夏亚伟，刘占富，等． 约束条件对乳化炸药殉爆距离影响 的研究［Ｊ］． 矿业研究与开发， ２０１７，３７（１）４５－４９． ［６］ 耿大新，陶 彪，于 洋，等． 双向聚能光面爆破周边眼参数确定 的新方法［Ｊ］． 铁道科学与工程学报， ２０１９，１６（２）４３５－４４２． ［７］ 何满潮，郭鹏飞，张晓虎，等． 基于双向聚能拉张爆破理论的巷道 顶板定向预裂［Ｊ］． 爆炸与冲击， ２０１８，３８（４）７９５－８０３． ［８］ 薛宪彬． 对称双线型聚能爆破技术数值模拟研究及应用［Ｊ］． 工 程爆破， ２０１７，２３（６）２６－２９． ［９］ 刘海波，白宗河，刘学攀，等． 隧道掘进聚能水压光面爆破新技术 与应用［Ｊ］． 工程爆破， ２０１７，２３（１）８１－８４． 引用本文 李启月，曾海登，赵新浩，等． 炮孔约束下双槽聚能管对乳化 炸药殉爆距离影响的研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（６）１－４． �������������������������������������������������������������������������������������������������� （上接第 ７ 页） ３ 结 语 １） 十二醇醚分散剂浓度与水煤浆摩阻损失值负 相关，水煤浆浓度与摩阻损失值正相关，十二醇醚分散 剂对水煤浆管道输送有明显的减阻作用。 ２） 水煤浆的综合有效黏度与平均切变率近似成 线性关系，煤浆浓度 ６２％时，综合有效黏度与分散剂 浓度负相关，与水煤浆浓度正相关。 ３） 基于理论推导和数据拟合，给出了 Ｈｅｒｓｃｈｅｌ Ｂｕｌｋｌｅｙ 流体的摩阻损失计算公式，公式计算值与实测 值偏差不大于 １８％。 参考文献 ［１］ 刘明华． 水煤浆制备及应用［Ｍ］． 北京化学工业出版社， ２０１５． ［２］ Ｍiｓｈｒａ Ｓ Ｋ， Ｐａｎｄａ Ｄ． Ｓｔｕｄiｅｓ ｏｎ ｔｈｅ Ａｄｓｏｒｐｔiｏｎ ｏｆ Ｂｒiｊ-３５ ａｎｄ ＣＴＡＢ ａｔ ｔｈｅ Ｃｏａｌ-Ｗａｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏiｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃiｅｎｃｅ， ２００５，２８３２９４－２９９． ［３］ 赵 亮． 等离子体裂解煤固体产物制备水煤浆的流变学研究［Ｄ］． 杭州浙江大学化学工程与生物工程学院， ２０１３． ［４］ 张 勋，蔡会武，薛晓宏． 神府煤制备高浓度水煤浆的研究［Ｊ］． 煤炭转化， ２０１２，３５（２）４４－４６． ［５］ 吴 优，秦德庆，夏建新． 浆体长距离管道输送全过程压力变化分 析［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１６（１）１５－１９． ［６］ 刘崇建，刘孝良，柳世杰． 非牛顿流体流态判别方法的研究［Ｊ］． 天然气工业， ２００１，２１（４）４９－５２． ［７］ 费祥俊． 浆体与粒状物料输送水力学［Ｍ］． 北京清华大学出版 社， １９９４． 引用本文 王铁力． 水煤浆管道输送摩阻损失研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（６）５－７． ２１矿 冶 工 程第 ４０ 卷