第2章 水煤浆的制备与应用—中国矿大—北京，徐志强-4万字-20080(5)

100C （4-29） ?S?C(??1)式中 C — 煤浆中固体重量浓度，％； ρS — 煤炭的相对密度。 若球磨机的轴功率为 N （kW），则磨机按固体计算的处理能力QT为：

??N，t/h （2-30）

E?W按煤浆量计算的处理能力QS为：

QT?QS?100?QT，t/h （2-31） C三、 搅拌设备

制浆过程的搅拌是使浆体分散、混合（混匀，调和）、悬浮(防止沉淀分层)、剪切，并使添加剂与颗粒充分接触，以加速水煤浆的熟化。不同环节搅拌操作目的不同，对搅拌有不同的要求，因此水煤浆制备中各处所用的搅拌设备不可能是一种通用结构产品。

搅拌装置给流体传递能量，使捅内流体产生涡旋、湍流与对流循环。依靠流体的这些运动，使物料得以分散、混匀和经受剪切。湍流中速度分布不均会引起剪切，不均匀的流体在剪切作用下，一次又一次地受到拉碎、撕裂而成为更小的微团，使物料得以分散和混匀。对流循环的扩散作用不断地将流体带入高剪切区和湍流区，使捅内整个流体得以均匀混合。

(一) 搅拌方式

按搅拌方式有射流搅拌（图2-19 A ），气流搅拌（图2-19B ）及机械搅拌（图2-19 C ）等多种。

压缩空气CB

图2-19 搅拌方式

射流搅拌是通过泵的外部循环将储罐内的煤浆逐渐调匀。气流搅拌是依靠压缩空气的动力鼓动周围的煤浆，压缩空气进入浆体后，空气膨胀产生鼓泡，随着鼓泡的运动带动煤浆翻滚，从而达到清除沉淀和使煤浆调匀的目的。这两种搅拌方式的结构简单、有很强的适应性，即使遇到浓厚难以分散的沉淀物，也可以逐渐将它们冲散，但效率不高、作用范围很局限、能耗也大，可作为一种清理管道连接处及罐底沉淀物的手段，并兼起搅拌作用。

机械搅拌方式在制浆工艺中使用最广。搅拌机构的叶轮类型也很多，最为常用的是图2-20中涡轮式（A），螺旋桨式（B）及叶桨式（C）。叶桨式和涡轮式上的叶片还可以做成有一定角度的斜片，或某种形状的弯曲叶片，以增大轴向流，并相应减小离心方向的径向流。径向流的剪切作用较强，轴向流的对流循环扩散混匀的能力较强。

A

（A） （B） （C）

图 2-20 机械搅拌机构常用的叶轮类型

(二) 搅拌桶结构

为了改善浆体的流态，提高搅拌效果，搅拌桶的内周边往往增设一些挡板，常用的是垂直挡板。挡板的作用是抑制切向流，将切向流转换为径向和轴向流，增大湍流和对流循环强度，从而提高搅

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拌效果。增加挡板的宽度会使叶片与浆体接触面积增加，随着挡板宽度增加，功率增加很快，最后达到一最大值，挡板宽度再增加，功率几乎不变。根据永田研究，达到最大功率的挡板条件为：

(B1.2)?nb?0.35 （2－32） D式中 D — 搅拌桶的半径与直径，m； B — 挡板的宽度，m； nb — 挡板数目。

此关系式称“全挡板条件”。凡安装有挡板的搅拌桶，大多是在全挡板条件下工作。 表 （2－16）是有挡板与无挡板时搅拌桶性能的比较。

表 2－16 无挡板对有挡板时搅拌桶性能的比较 同一搅拌速度 同一搅拌功率 搅拌动力比 循环量比 循环量比 剪切强度比 1 ：10 1 ：4 5 ：9 4 ：3 叶轮与搅拌桶的直径比 d/D 通常取为0.35～0.5 。比值过大，叶轮与桶壁间的空间很窄，会削弱轴向循环流，对搅拌也不利，并增大了流体与桶壁间的冲击损失；过小，则搅拌作用可能扩及不到桶的周边，外层流体受到的搅拌作用不足。叶轮插入液面的深度或离桶底的高度对搅拌功率的影响并不大，但如果涡旋深度达到叶轮位置将引起空气吸入，则搅拌功率下降。叶轮离桶底的高度 C 与桶内液面深度 H 的比值对桶内循环流的分布有影响。当 C / H ≥ 1 / 5 时，在叶轮上、下形成两股循环流，但桶底易产生物料的堆积。当 C / H ≤1 / 7 时，在叶轮下部的循环流可扫过桶底，防止桶底堆积。通常选用C / H = 1 / 7 。各类机械搅拌机构的结构与主要尺寸均可从有关参考书中查到。

搅拌桶内流体的流态与流体运动的雷诺准数有关。当 NRe = 1～10 时，流体仅在叶轮附近呈层流作旋转运动，桶内其余部分为停滞区；当NRe≈10时，自叶轮有泵出流产生，并引起整个桶内形成上下循环流； NRe = 100～1000 为过度区，在叶轮周围流体为湍流，而上下循环流仍为层流。随着雷诺准数增大，湍流程度增强，当 NRe > 1000 后，整个桶内都呈湍流状态，但当叶轮与搅拌桶的直径比小于 0.1 时，虽然桶内仍为湍流状态，但上下循环流不会遍及整个桶内，易出现停滞区（死角）。

(三) 搅拌过程的相似与功率计算

搅拌是一个复杂的流体动力过程，目前很难用解析方法求解，多采用相似准数的形式总结经验规律。涉及的准数有：

（1） 映粘滞力影响的雷诺准数

?nd2 （2—33） NRe??（2） 反映重力影响的弗鲁德准数

n2d （2—34） NFr?g（3） 与功率有关的欧拉数，称功率准数。

P（2—35）

NP?35

?nd式中 d － 叶轮直径，表征搅拌桶的尺寸，m；

ρ－ 流体的密度，kg/m3； μ－ 流体的粘度，Pa·s； ｎ － 搅拌轮的转速, r/min； P － 搅拌轴的功率，W； ｇ － 重力加速度，m/s2。

其中NRe与NFr 为决定性准数，NP为非决定性准数。由于重力加速度只是在液面出现下凹时才有影响，所以在雷诺准数较低，或在有挡板的搅拌桶中，可以忽略弗鲁德准数。在这种情况下，决定性准数只单一地为雷诺准数。NP 与 NRe 关系曲线称功率曲线。

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搅拌过程的功率计算多采用经验方法，因为尺寸不同但满足几何相似的搅拌桶，功率准数与雷诺准数间存在着单值关系已为许多学者的试验结果所证实，而且累积了许多结构不同搅拌桶的这类关系曲线或关系方程。所以可以根据搅拌的雷诺准数确定功率准数，进而求出搅拌所需的功率。不同几何结构的搅拌桶，NP = f (NRe )关系曲线是不同的，图2－22是其中的一个示例。各类型搅拌机构的结构多半都已定型，对牛顿流体，各种结构的这类关系曲线在许多参考书中都可以查到，可供计算搅拌桶功率时使用。

水煤浆虽然是非牛顿流体，但由于水煤浆搅拌通常都是在雷诺准数较高的区域中操作，剪切速率也比较高，在这种情况下，由屈服应力产生的表观粘度所占的份额不大，忽略准数 NHe 也不至产生多大的影响。在雷诺准数较高的区域中，由于粘性力可以忽略，叶轮搅拌所消耗的功率主要用于克服叶片在流体中运动的阻力，因此，无论是搅拌牛顿与非牛顿流体，在湍流情况下功率准数是没有区别的。据此我们可以将牛顿流体的功率准数曲线用于水煤浆这类非牛顿流体的功率计算。

图 2-21 几种叶轮的 NP 与 NRe 关系曲线示例

对非牛顿流体，在计算雷诺准数时，其中的粘度应改用表观粘度值。如果按这种方法计算雷诺准数，据 Metzner 等人的研究，在雷诺准数小于 10 和大于 300 的区域，假塑性流体的功率准数曲线与牛顿流体是完全吻合的。在 10～300 的过渡区，假塑性流体的功率消耗反而比牛顿流体低。所以在这个过渡区也可按牛顿流体的功率准数曲线计算，虽然计算功率会比实际偏高，但对工程应用则更为安全可靠。

(四) 搅拌内浆体遭受的剪切与叶轮的临界转速

对水煤浆这样一些非牛顿流体，它的流变特性与经受的剪切经历有很大的关系。对水煤浆，适度的剪切是有利的，但过度剪切也有害。所以在使用搅拌器时，有必要估计它对浆体施加的剪切强度。剪切强度可用搅拌桶内浆体遭受的平均剪切速率SM来衡量。据 Metzner—Otto 研究，SM 大至与搅拌叶轮的转速成正比，即：

SM?ks?n， 1/s （2－36） 式中 n － 搅拌轴每秒的转数，1/s。

对给定的搅拌桶，ks 基本上是常数。对 ks 影响最大的是 d/D 值。在 d/D ≤ 2/3 后，无论搅拌桶为何种几何类型，ks 值均在 10～13 之间，一般取 11 为其平均值。对于 d/D ＞ 2/3 的大直径叶轮，则需要通过实验来测定。

张荣曾提出的另一种更科学的计算方法，他是根据测得搅拌桶内流体的容积 V 及搅拌轴的功率 P 推导出下列计算公式。

SM?P/V?a， 1/s （2－37）

式中 V － 搅拌桶中浆体的容积，m3；

μa－ 浆体表观粘度，Pa·s； P － 搅拌轴功率，J/s。

搅拌桶内流体的剪切速率的分布很不均匀，中心与叶轮附近的剪切速率高，边沿及离叶轮轴向距离较远处的剪切速率低。所以在叶轮的转速较低时，只有叶轮周围的流体受到搅拌，而其他地方

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则停滞为死区，不起搅拌作用。Wichterle 和 Wein 研究结果表明，在发生这种情况时，叶轮所能搅动的中心区域的最大直径与区域高度大体相等，这个最大直径 dc 与叶轮的直径 d 有如下关系：

dc ?a?(NRe)1/2 （2－38） d?d2n2?n' （2－39） NRe为修正的雷诺准数， NRe?K/3 a?0.375(NP)1T （2－40）

其中的指数 n 为流变模型中的流动特性指数，K 为其中的系数。式（2－38）中的另外一个经验系数 a ，在桶内液面高度与桶径相等、叶轮在中心位置离桶底高度大于 1/3 液面高度的条件下，对涡轮型叶轮为 0.3 ，对螺旋桨叶轮为 0.6 。对其他类型的叶轮可用式（2－40）估计。

( NP )T 为湍流条件( NRe ≥ 10,000 )下的功率准数。前面已经指出，在湍流条件下非牛顿流体的功率准数曲线和牛顿流体基本是重合的，所以可以从牛顿流体的曲线上查得。

对于圆形搅拌桶，为了防止出现停滞的死区，应使 dc 与搅拌桶的直径 D 相等。代入式（2－38）可求得水煤浆搅拌时的临界雷诺准数，进而可求出搅拌叶轮的临界转速。

NRe?( D2) （2－41） ad四、 泵送设备

原则上，适合泵送含固体颗粒浆体的隔膜泵、柱塞泵、曲杆泵、离心式泥浆泵、渣浆泵等，都可以用于水煤浆输送。但对高浓度水煤浆，因它的流变特性对剪切作用很敏感，应尽量避免使用离

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心式泵。作者根据实测数据计算，制浆厂使用的搅拌桶，浆体遭受的平均剪切速率仅为 30 S1左右，

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而离心式渣浆泵，低转速时约要350 S1，高转速时甚至可高达将近1000 S1。水煤浆的浓度越高，使用离心泵的危害性越大。在制浆过程中有时也需要对水煤浆短期施加一定强度的剪切，所以并不排除在制浆过程中可以局部使用转速较低的离心泵。但不应用于输送成品浆。

隔膜泵与柱塞泵都属于间歇作用泵，流量不稳定。输送水煤浆最理想的是曲杆泵，它是靠安放在圆筒形定子套筒内的一根金属耐磨曲杆的转动来输送物料的，定子由有一定弹性的耐磨材料制成，与转动的曲杆紧密配合，曲杆转动时，可连续输出浆体。它属于容积泵，与离心泵相比，剪切作用弱，节电30％左右，为国内、外的制浆厂普遍采用。其结构示意图如图（2-22）。

图 4－22 曲杆泵结构示意图

中国有数个厂家生产，也有从国外引进的产品。其中以中航第一集团远东（西安海兴）曲杆泵业工程有限公司生产的QGB系列曲杆泵最受用户好评，由于采用了高饱和氰化丁晴橡胶，定子耐磨寿命可达5000小时，在水煤浆制备厂中，市场占有率高达70％以上。表（2-17）为QGB系列曲杆泵部分产品型号与性能。

表 2-17 QGB系列曲杆泵的产品型号与性能 型 号 QGB25.1(2) QGB50.1(2) QGB100.1(2) QGB100.4 QGB200.1(2) QGB200.4 QGB380.1(2) QGB380.3D QGB750.1F QGB750.2E

许可最大 许可浆体 吸入 固体颗粒 最高粘度真空度 /mm /MPa /Pa·s 4 50 5 80 7 100 7 100 9 120 9 120 11 150 11 150 11 200 0.074 14 200 出 口 压 力 /MPa 0~0.6(1.2) 0~0.6(1.2) 0~0.6(1.2) 0~2.4 0~0.6(1.2) 0~2.4 0~0.6(1.2) 0~1.8 0~0.6 0~1.2 24

流 量 3/m/h 1.25~1.06 2.56~2.17 5.73~3.96 5.60~2.34 11.2~9.04 11.2~9.04 21.14~15.06 20.6~16.1 41.7~33 42~32.6 电 机 功 率 /kW 1.1(1.5)~1.5(2.2) 1.5(2.2)~2.2(3.0) 2.2(3.0)~3.0(4.0) 5.5~7.5 3(5.5)~ 4(7.5) 11.0~15.0 5.5(11)~7.5(15) 15~22 11~15 15~22 总效率 ％ 50~80

QGB750.3E QGB750.4 QGB750.4T QGB1450.1A QGB1450.2 QGB1450.4 QGB1450.4A QGB2700.1A QGB2700. 2 QGB2700.3A(4) QGB3500.1(2) QGB6500.1 14 14 14 18 18 18 18 23 23 23 30 36 200 200 200 260 260 260 260 320 320 320 400 480 0~1.8 0~2.4 0~4 0~0.6 0~1.2 0~2.4 0~4 0~0.6 0~0.6(1.2) 0~1.8(2.4) 0~0.6(1.2) 0~0.6 42.7~33.9 42.1~33.6 40~35 94.4~78.2 92~80 79.2~64 77~67 192~161 195~165 127~96 232~183 416~355 18.5~30 18.5~37 30~45 11~18.5 18.5~37 37~55 75~90 18.5~37 37~ 55 55(75)~90(110) 37(75)~55(110) 75~110 70~85 50~80 70~85 50~80 五、 滤浆设备 高浓度水煤浆的粘度高，要求滤去的颗粒粒度，即分离粒度又细，要兼顾控制好分离粒度和通过能力，并防止堵塞有一定困难。中国水煤浆研究单位与厂家，曾经开发过多种滤浆设备，其中效果最好的是YL系列滤浆器，如图（2－23）。这种滤浆器的特点是，分离元件不采用传统的筛筒结构，而是一种新型的盘式结构。机内有静、动两个分离盘，浆体依靠给料泵的压力，透过静分离盘与动分离盘间的间隙排出；大颗粒及异物被挡在机内，定期或连续从排渣管排出。盘转动时能自动将夹塞在盘缝中的杂物清除，粘附在分离盘上的浆体，由内置刮刀及时扫除，从而有效地解决了堵塞问题。YL系列滤浆设备的型号与技术性能参数如表（2－18）。 图4-23 YL滤浆器原理图

表2-18 YL滤浆器型号规格与技术性能 过滤间隙 工作压力 处理能力，t/h mm MPa （粘度<1200mPa·s） 0.8～1.2 0.8～1.2 10～20 0.8～1.2 0.8～1.2 20～40 0.8～1.2 0.8～1.2 8～15 规 型 格 号 YL1 YL2 YL3 进料管径 mm DN 100 DN 150 DN 100 功率 kW 4 5.5 7.5 制 厂 造 家 江阴亚特 江阴亚特 江阴亚特 第六节 水煤浆厂实例 胜利油田是我国第二大油田，年产原油27Mt。由于生活和生产需要每年要消耗原油(或重油)近百万吨。石油作为重要的战略资源，在我国国民经济中占有举足轻重的地位。在我国石油储量并不丰富的情况下，为了有效利用宝贵的石油资源，减少工业生产和生活对石油资源的不合理消耗。加之国际市场上油价总体呈上扬趋势，使企业燃油成本激增，寻找适当的代油燃料已成为企业提高经济效益的迫切需要。胜利石油管理局在广泛深入调研和充分论证的基础上，拟对油田范围内的部分燃油锅炉进行改烧水煤浆的改造，并配套建设一座0.5Mt/a的水煤浆厂做为浆源。2000年6月委托煤炭工业部选煤设计院和中国矿业大学(北京)联合编制0.5Mt／a水煤浆厂的可行性报告。2001年元月中石化批准立项。浆厂于2001年11月18日建成投产。

胜利油田水煤浆厂建在山东省东营市西城区东南约7km的胜利发电厂铁路货场南侧，北靠淮河路，东北距沙营l0km，南距广蒲河2km，交通运输条件较为便利。来煤利用胜利发电厂现有铁路专用线，方便可靠。厂区原为未开垦荒地，地形开阔平坦。制浆厂年制浆能力0.50Mt／a，设计考虑留有扩建至1.Omt/a规模的余地。制成的水煤浆产品主要供胜利油田生产及采暖燃用，部分供应周边用户，运距较短。图2-24为胜利制浆厂厂区和制浆车间示意图。

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