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随着矿产资源开发利用、化工冶炼的快速发展，全球范围内各类矿产资源的生产和消费需求也在不断增加。管道输送介质亦由石油、天然气等常规流体逐渐拓展到水煤浆（CWS）、铁矿浆等非常规流体。中国煤炭资源总量较大，但空间分布不均匀[1]。水煤浆因其良好的流动性与稳定性，适宜采用管道输送，与传统煤炭运输方式相比，运费低、运距长、稳定性好、自动化程度高及对环境污染小[2]。因此发展水煤浆管道输送技术，不仅可以提高企业的经济效益，还能带来巨大的社会效益。流变特性作为水煤浆最主要也是最重要的性质，对水煤浆的储存、输送及雾化起着决定性作用。研究发现：多数水煤浆在低浓度时呈现低黏度型牛顿流体特性，而在高浓度时呈现高黏度型假塑性流体特性；在中低剪切速率时呈现假塑性流体特性，而在高剪切速率时又呈现牛顿流体特性[3-5]。Moreira等[6]的研究表明除水煤浆外，常见的矿浆、悬浮液、高分子溶液、水凝胶等也具有剪切稀释性。触变性作为悬浮液流变学研究的重要内容，随着近代科学显微技术的发展，其机制逐渐被学者们所挖掘。水煤浆具有触变性，且其触变性与浆体内部细颗粒的絮凝作用密切相关[7-11]。传统流变测试方法大致可分为两类，一类为拖曳流法，另一类为压力流驱动法。拖曳流法最常见的如同轴圆筒，压力流驱动法一般指毛细管黏度计。针对同一物料，选用的流变测试方法不同，测量所得流变参数有所差别[12-14]。目前，水煤浆最常用的流变测试方法为基于同轴圆筒的剪切速率阶跃法，且测试剪切速率较大[15]。通过比对不同粒径矿物浆体在不同流变测试方法下的测试结果，发现同轴圆筒仅适合测试细颗粒料浆或者体系分散性较好物料的流变特性[16-18]。对于体系分散性较差或者含粗颗粒较多的水煤浆，在流变测试过程中颗粒因重力作用可能会发生沉降，进而对流变测试结果产生影响。为探究这一问题，笔者借助HAAKE Mars 60控制应力型流变仪的同轴圆筒测量系统，测量水煤浆在低剪切速率下的流变特性，分析发现同轴圆筒测量方法不能准确测量水煤浆在低剪切速率下的流变特性；为了探究水煤浆在低剪切速率下的流变特性，使用桨式双弧型转子基于“搅拌测黏”原理，测量并计算不同工况下水煤浆的黏度，进而探究低剪切速率下水煤浆质量分数、粒径、添加剂等因素对其黏度的影响规律。
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1 试验
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1.1 试验原料
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本文中使用煤样取自山西某矿山产出的优质无烟煤，平均密度为 1580 kg/m3。煤经破碎、研磨、筛分后，得到58~80、80~106、106~120、120~180 μm 4个粒径区间的煤粉颗粒。试验过程中使用的试验试剂见表1。
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1.2 试验装置
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试验所用仪器为HAAKE Mars 60控制应力型流变仪（图1），测量外筒为CUP Z43，测量转子用到了同轴圆筒CC41、同轴圆筒CC38 SE和桨式双弧型FL26 2B/SS（图1）。流变仪装配AC200-A40水浴，控温精度为0.01℃。
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1.3 试验方案
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（1）测试水煤浆不同粒径、不同质量分数下的流变特性。使用4种粒径的煤粉：58~80、80~106、106~120、120~180 μm，在添加质量分数1%分散剂的情况下，分别制成质量分数40%、45%、50%、55%的水煤浆，开展流变测试并探究质量分数、粒径对水煤浆流变特性的影响规律。
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（2）测试水煤浆在不同分散剂、稳定剂添加量下的流变特性。向粒径58~80 μm、质量分数55%的水煤浆中分别添加质量分数0、1%、3%、5%的分散剂（萘磺酸盐甲醛缩合物），向粒径58~80 μm、质量分数40%的水煤浆中分别添加质量分数0、3%、4%、5%的稳定剂（聚乙烯醇），开展流变测试。表2为添加剂对水煤浆流变特性影响试验方案。
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图1 试验装置
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Fig.1 Experimental setup
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1.4 测试方法
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1.4.1 同轴圆筒CC41
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采用HAAKE Mars 60控制应力型流变仪配合测量筒CUP Z43和同轴圆筒测量转子CC41，对粒径58~80 μm、质量分数50%的水煤浆开展剪切速率1~64 s-1下阶跃测试，测试曲线如图2所示。由图2可知，在1~16 s-1恒定剪切速率测试区间内，水煤浆的切应力和黏度均随剪切时间而增大，呈现出反触变性的特征，且剪切速率越低其反触变性越显著，这与当前关于水煤浆触变性的认知[8-11，19]不符。
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图2 粒径58~80 μm、质量分数50%水煤浆剪切速率阶跃测试曲线（同轴圆筒CC41）
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Fig.2 Stepwise shear rate test data of CWS with mass fraction of 50% and particle size of 58~80 μm (coaxial cylinder CC41)
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1.4.2 同轴圆筒CC38 SE
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考虑到水煤浆流变测试时光面的CC41表面可能存在壁面滑移效应，所以测量转子改用表面带刻槽的CC38 SE，并对同等条件下的水煤浆进行1~64 s-1剪切速率阶跃测试，测试曲线如图3所示。由图3可知，在1~16 s-1恒定剪切速率测试区间内，水煤浆的反触变性现象依旧存在，且规律与图2基本一致，这表明使用同轴圆筒对水煤浆进行流变测试，即使消除了壁面滑移效应，测试结果仍然异常。此外，测试结束后发现，在测量筒的底部总会存在淤积煤层，这说明在流变测试过程中，水煤浆发生了颗粒沉降。而现行标准GB/T18856.4《水煤浆试验方法第 4 部分：表观黏度测定》规定了试验条件中的剪切速率为100 s-1。综合上述分析可知，同轴圆筒流变测试方法不能准确测量水煤浆在低剪切速率下的流变特性。
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图3 粒径58~80 μm、质量分数50%水煤浆剪切速率阶跃测试曲线（同轴圆筒CC38 SE）
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Fig.3 Stepwise shear rate test data of CWS with mass fraction of 50% and particle size of 58~80 μm (coaxial cylinder CC38 SE)
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1.4.3 桨式双弧型FL26 2B/SS
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为降低水煤浆流变测试过程中颗粒沉降作用的影响，测量转子改用桨式双弧型FL26 2B/SS，对同等条件下的水煤浆进行1~16 s-1剪切速率阶跃测试，测试结果如图4所示。对比图4和图3、2可知，桨式双弧形转子的测试结果中未呈现出反触变性现象。桨式双弧形转子可为测量筒内的浆体同时提供轴向、径向剪切，提高搅拌测试时浆体内部的分散度，维持固液两相相对均匀的混合状态。需要说明的是，FL26 2B/SS型转子不是标准的流变测量系统，流变仪仅提供原始测试的数据：扭矩、转速和温度，流变仪厂家未提供黏度等流变参数的计算方法。
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1.4.4 搅拌测黏
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郁辰阳等[20-21]为了测试易分层油水混合液的流变特性，分别使用平桨、斜桨根据搅拌测黏法，测量得到了油水混合液的黏度，证明了搅拌测黏法的可行性。此后，该方法已成功地应用于测量原油-水混合体系[22]、CO2溶解稠油[23]的有效黏度。因此，本文采用桨式双弧型转子FL26 2B/SS，基于“搅拌测黏”原理，进行流变测试。
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图4 粒径58~80 μm、质量分数50%水煤浆剪切速率阶跃测试曲线（桨式双弧型FL26 2B/SS）
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Fig.4 Stepwise shear rate test data of CWS with mass fraction of 50% and particle size of 58~80 μm (paddle type double arc rotor FL26 2B/SS)
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（1）搅拌测黏原理。与管流雷诺数类似，搅拌流场中同样存在搅拌雷诺数[24]。且在搅拌流场中，当搅拌转速一定时，流体黏度与搅拌扭矩之间存在一定函数关系[20]：
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式中，μ为液体黏度，Pa·s；M为作用在搅拌轴上的扭矩，N·m；a、b为待定系数。
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搅拌体系中，定义搅拌雷诺数小于10时为层流，雷诺数在10~104之间为过渡流，雷诺数大于104为湍流。层流时，系数b=1，代入式（1）可得[21]
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式中，A为待定系数。
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为表征搅拌流体黏度随剪切速率的变化情况，还需要确定不同搅拌转速下对应的平均剪切速率。搅拌槽内的平均剪切速率[25-26]为
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式中，
为搅拌槽内流体受到的平均剪切速率，s-1；n为搅拌转速，r/s；V为搅拌槽内流体体积，m3。 -
对于特定的搅拌系统（给定搅拌槽、搅拌桨尺寸以及槽内流体体积），使用若干种黏度已知的流体，在一定转速下测出搅拌轴受到的扭矩，计算搅拌雷诺数并判断流态，根据流态选择相应的关系式，拟合出待定系数，便可确定对应转速下的μ-M关系式。同理，测量待测水煤浆在相同转速下的搅拌扭矩，计算搅拌雷诺数并判断流态，再将扭矩代入对应流态下已完成标定的μ-M关系式中，便可计算出水煤浆黏度。将所有参数的测量、计算值代入式（3）便可得到对应工况下的平均剪切速率
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（2）测试系统标定。测量筒内不添加样品，安装FL26 2B/SS型转子，根据需求设置不同转速，测量不同转速下的空转扭矩。重复3次，计算不同转速下空转扭矩的平均值，获得空转扭矩与搅拌转速之间的关系如下：转速分别为12、15、18、21和24 r/min时其扭矩分别为0.00104447、0.00059277、0.00044897、 0.00081252和0.00093692 N·mm。
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采用GBW系列7种标准黏度液来标定测试系统。标准黏度液的编号为 GBW 13606 至 GBW 13612，其在20℃ 时的黏度为 87.73~9884.4 mPa·s。经计算，在试验转速范围内，搅拌槽内的雷诺数范围为0.013~2.585，均为层流流动，测试结果也表明，黏度与扭矩基本呈线性关系，因此选择式（2）进行 μ-M拟合。不同转速下μ-M测试曲线和拟合式如图5和表3所示。
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图5 不同转速下μ-M测试曲线
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Fig.5 μ-M test curve in different rotational speeds
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2 试验结果与讨论
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2.1 质量分数对水煤浆黏度影响
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图6为水煤浆不同粒径、不同质量分数下黏度随剪切速率变化。由图6可知，在低剪切速率测试区间内，粒径小于80 μm的水煤浆在测试质量分数范围内均呈现出明显的剪切稀释性；且随着剪切速率增大，黏度逐渐趋于一稳定值；此外，同一粒径下，水煤浆黏度随其质量分数增大而增大。该结论与文献[19，27]中的结论一致。剪切速率越大，水煤浆内部絮网结构的破坏程度越大，宏观上即表现为其黏度随剪切速率增大而降低；当外界施加的剪切速率大到足以将水煤浆内部的絮网结构完全破坏时，继续增大剪切速率对水煤浆黏度的影响将变得十分有限，宏观上即表现为黏度逐渐趋于稳定。水煤浆作为一种悬浮液，其颗粒质量分数升高，颗粒间的平均间距减小，颗粒间相互碰撞的几率增大，此时颗粒运动不仅要克服与流体间的固液摩擦，还要克服颗粒间强烈的碰撞作用，同时，质量分数增大，用于浸润颗粒表面的水分变多，在颗粒间起“润滑”作用的自由水含量减少，也会导致水煤浆黏度增大。
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图6 不同质量分数水煤浆μ-γ变化曲线
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Fig.6 μ-γ variation curves of CWS under different mass fraction
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2.2 粒径对水煤浆黏度影响
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图7为水煤浆不同质量分数、不同粒径下黏度随剪切速率的变化曲线。从图7可看出，在低剪切速率测试区间，水煤浆表现出较强的剪切稀释性；且水煤浆粒径越粗，剪切稀释性越显著。此外，相同质量分数下，煤粉的颗粒越粗，水煤浆的黏度越大。该发现与文献[28]-[29]测试过程中，颗粒越粗，越容易发生沉降，导致大颗粒沉积在测量筒的底部，转子实际测量的是测量筒上部因固相沉降而“稀释”的浆体，从而造成测试结果偏小。而本文中采用的搅拌测黏法，使用桨式双弧型转子，在测试过程中能够有效维持固液两相之间的相对均匀混合状态，最大程度地削弱颗粒沉降对测试结果的影响。为验证本文中该结论的正确性，设计建造了室内浆体综合试验环道，用DN50管径开展水煤浆水力特性试验，试验结果与本文中结论相符。
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2.3 添加剂对水煤浆黏度影响
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2.3.1 分散剂（萘磺酸盐甲醛缩合物）
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使用粒径58~80 μm的煤粉，配制成质量分数55%的浆体，分别添加1%、3%、5%质量分数的分散剂，流变测试结果如图8所示。由图8可知，相比于没有添加分散剂的水煤浆，添加分散剂后其黏度几乎降低了一个数量级；且剪切速率越低，降黏效果越显著[30]。此外，还可发现分散剂质量分数为1%、3%、5%时的水煤浆黏度并无太大差异，这说明分散剂的确可以改善水煤浆的流动性，但其添加量存在一个阈值。当添加量低于该阈值时，分散剂质量分数越高，颗粒的分散效果越好，水煤浆的黏度越低；当添加量高于该阈值时，增大分散剂质量分数对水煤浆流动性的改善效果将变得十分有限。
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2.3.2 稳定剂（聚乙烯醇）
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使用粒径58~80 μm的煤粉，配制成质量分数40%的水煤浆，分别添加3%、4%、5%质量分数的稳定剂，流变测试结果如图9所示。由图9可知，相比于没有添加稳定剂，添加3%质量分数稳定剂后的水煤浆，其黏度在低剪切测试区间的前期基本没有变化，但在后期增大了近一倍；稳定剂质量分数增大至4%时，水煤浆的黏度相比质量分数3%又增大了近一倍；当稳定剂的添加量增大到5%时，水煤浆的黏度大约是质量分数4%时的2.5倍。由此可知，稳定剂对水煤浆的黏度影响显著；稳定剂添加量越大，水煤浆的黏度越高，其流动性越差，且稳定剂的添加量对水煤浆的黏度呈现出近乎指数型的增长趋势。
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图7 不同粒径水煤浆μ-
变化曲线 -
Fig.7 Viscosity-shear rate variation curves of coal water slurry under different particle sizes
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图8 分散剂添加不同质量分数下的水煤浆μ-γ变化曲线
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Fig.8 μ-γ variation curves of CWS with addition of dispersants under different mass fraction
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图9 稳定剂添加不同质量分数下的水煤浆μ-γ变化曲线
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Fig.9 μ-γ variation curves of CWS with addition of stabilizers under different mass fraction
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3 结论
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（1）因固相颗粒重力沉降作用的影响，同轴圆筒测量系统不能准确测量水煤浆在低剪切速率下的流变特性，且剪切速率越低测试结果的误差越大。
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（2）使用桨式双弧型测量转子采用搅拌测黏法可以有效测量并计算得到水煤浆在低剪切速率下的黏度和平均剪切速率，得到其流变特性；低剪切速率区间内，颗粒粒径一定，质量分数越大，水煤浆的黏度越大；质量分数一定，颗粒粒径越粗，水煤浆的黏度越大。
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（3）分散剂和稳定剂均能对水煤浆的黏度产生显著影响，添加分散剂后其黏度明显下降，且添加量为1%时，降黏效果的性价比最高；添加稳定剂后其黏度明显上升，且随着添加量增大呈现近乎指数型的增长趋势。
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摘要
水煤浆是一种非均质的固液悬浮体系，使用同轴圆筒进行流变测试，发现在测试过程中水煤浆发生明显的固相颗粒沉降现象，且在低剪切速率区间内尤为明显；基于“搅拌测黏”原理，使用桨式双弧型测量转子维持固液两相相对均匀的混合状态，对低剪切速率下水煤浆的相关流变参数进行测量和表征，研究质量分数、粒径、添加剂等因素对水煤浆黏度的影响效果。结果表明：在低剪切速率区间内，水煤浆颗粒粒径一定，质量分数越大，黏度越大；质量分数一定，颗粒粒径越粗，黏度越大；水煤浆添加分散剂后其黏度明显下降，添加稳定剂后水煤浆黏度明显上升。
Abstract
Coal water slurry (CWS) is a heterogeneous solid-liquid suspension system. Rheological tests were conducted using coaxial cylinders, and it was found that during the testing process, coal water slurry experienced significant solid particle settling, especially in the low shear rate range. Therefore, based on the principle of "stirring viscosity measurement", a paddle type double arc measuring rotor was used to maintain a relatively uniform mixing state of solid and liquid phases. The relevant rheological parameters of coal water slurry at low shear rate were measured and characterized, and the effects of concentration, particle size, additives and other factors on the viscosity of coal water slurry were explored. The results show that within the low shear rate range, when the particle size of coal water slurry remains constant, the higher the mass fraction, the greater the viscosity. When the mass fraction is constant, the coarser the particle size, the greater the viscosity; After adding dispersants, the viscosity of coal water slurry significantly decreases, while the viscosity of coal water slurry significantly increases after adding stabilizers.
为搅拌槽内流体受到的平均剪切速率，s-1；n为搅拌转速，r/s；V为搅拌槽内流体体积，m3。