王文飛 常宇舜 米 淵 梁長濤 耿高峰 馬 靜

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

油煤共煉技術(shù)是將渣油與煤粉按照一定比例混合后制成混合均勻的油煤漿，油煤漿再經(jīng)過后續(xù)工藝生產(chǎn)出高品質(zhì)的柴油、汽油調(diào)和組分、液化氣以及石腦油等高附加值產(chǎn)品[1]。延長石油(集團(tuán))油煤新技術(shù)開發(fā)公司的45萬噸/年實(shí)驗(yàn)示范項(xiàng)目采用渣油與煤粉1:1的比例進(jìn)行混合。渣油具有粘度大，流動(dòng)性差的特點(diǎn)，干燥的煤粉為微米級(jí)的固體顆粒，兩者在混合時(shí)具有難混合，易結(jié)塊，易分層的特點(diǎn)。渣油與煤粉的混合效果，直接影響后續(xù)工藝參數(shù)及裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

本文結(jié)合該項(xiàng)目中的渣油及煤粉工藝參數(shù)，從分散混合能力、分布混合能力方面出發(fā)對(duì)混合機(jī)的進(jìn)料結(jié)構(gòu)、犁刀結(jié)構(gòu)及組合進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異的油煤混合性能的混捏機(jī)結(jié)構(gòu)。

1 基本參數(shù)及混合分析

1.1 基本參數(shù)

(1)渣油:操作溫度為185℃;操作壓力為0.3 MPa;密度為956 kg/m3;膠質(zhì)含量(%(wt))為26.4%;渣油粘度隨著溫度升高而減小，隨溫度降低而增大。

(2)煤粉:粒度R90為36.8%;操作溫度為70℃;操作壓力為常壓;堆積密度為700 kg/m3;含水率為2%。

(3)混捏機(jī):轉(zhuǎn)速為75 r/min。

(4)油煤漿:操作溫度為156℃;操作壓力為常壓。

1.2 混合過程分析

渣油與煤粉的混合，既是煤粉與渣油混合均一化的過程，也是一個(gè)混流換熱的過程。高溫的渣油傳熱給煤粉，溫度降低；低溫的煤粉吸收熱量，溫度升高，最后到達(dá)一個(gè)平衡溫度。

渣油與煤粉混合的均一化，就是經(jīng)過充分混合后，使煤粉均勻的分布于渣油中，形成溫度、粘度、密度等參數(shù)穩(wěn)定的油煤漿。混合的過程可分為分散混合和分布混合。分散混合是使材料的粒度減小，并且使不同組成的原料分布均一化。分散混合既有粒子粒度的減小，也有位置的變化；分布混合使材料中不同組成的原料分布均一化，但不改變?cè)项w粒大小，只是增進(jìn)空間排列的無規(guī)程度，并沒有減小其結(jié)構(gòu)單元尺寸。分散混合需要具有較強(qiáng)的剪切能力的混合結(jié)構(gòu)；分布混合需要充分的攪拌及停留時(shí)間[2]。

渣油與煤粉的混流換熱，是185℃渣油與70℃煤粉在互相混合過程中，通過熱量傳遞，最后達(dá)到熱平衡，形成156℃油煤漿的過程。在混流換熱過程中，隨著渣油的溫度降低，粘度變大，流動(dòng)性變差，使得渣油與煤粉的混合過程變得更加復(fù)雜。

當(dāng)渣油與煤粉開始混合時(shí)，在渣油與煤粉的接觸界面處，185℃渣油與70℃煤粉相遇，接觸面處渣油溫度急劇降低，粘度變大，流動(dòng)性變差，在接觸界面處發(fā)生邊界效應(yīng)，形成邊界層，阻礙渣油與煤粉的進(jìn)一步接觸與混合，見圖1所示。

圖1 渣油與煤粉初混示意圖

渣油與煤粉接觸時(shí)，很容易出現(xiàn)渣油沿著邊界層與煤粉分層流動(dòng)的現(xiàn)象，因此在混合的初始階段，要設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)破壞渣油與煤粉形成的邊界層，使煤粉與渣油充分接觸，提高混合效率及效果。

在渣油與煤粉的混合過程中，由于渣油和煤粉的邊界效應(yīng)，極易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，即渣油包裹著大小不一的煤粉球分布于渣油中，煤粉球周邊的邊界層嚴(yán)重阻礙了渣油與煤粉混合的均一化過程，見圖2所示。

圖2 渣油與煤粉混合示意圖

在這個(gè)混合過程中，渣油攜帶著煤粉球具有一定的流動(dòng)性，一般的結(jié)構(gòu)很難達(dá)到破壞煤粉球外壁邊界層，使煤粉球中的煤粉與渣油進(jìn)一步混合的作用。這就需要提供具有高效的分散混合能力和充足的混合時(shí)間結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)混合的目的。

2 混捏機(jī)結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

2.1 混捏機(jī)混合結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

基于煤粉和渣油的混合過程的分析，可將整個(gè)混捏機(jī)劃分為煤粉區(qū)、初混區(qū)及混合區(qū)；為了得到更好的混合效果，在不同的區(qū)域，針對(duì)性地設(shè)計(jì)不同的犁刀形式、組合方式以及其它混合結(jié)構(gòu)，如圖3所示(見下頁)。

根據(jù)混合理論，在不同黏度的物料混合時(shí)，低粘度流體混入高粘度流體的混合要比高粘度混入低粘度流體的混合更加容易[3]。依據(jù)這個(gè)規(guī)律，在油煤混合的混捏機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，采用先進(jìn)煤粉，再進(jìn)渣油的加料順序，即將渣油混入煤粉的方式進(jìn)行混捏機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以期達(dá)到更好的混合效果。

2.1.1 煤粉區(qū)結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

在混捏機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，煤粉區(qū)具有以下特點(diǎn)：① 煤粉從煤粉口進(jìn)入煤粉區(qū)后，無法自發(fā)的流入初混區(qū)；② 煤粉區(qū)要防止初混區(qū)的渣油與煤粉混合物倒流至煤粉區(qū)；③ 煤粉區(qū)只有煤粉一種物料，不需要承擔(dān)混合功能。針對(duì)以上需求，在煤粉區(qū)設(shè)計(jì)了犁刀1，犁刀1采用軸向前小后大，周向成圓滑弧面，與混捏機(jī)內(nèi)壁成一定角度安裝，在混合機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，能產(chǎn)生較強(qiáng)軸向輸送能力。這種軸向輸送能力，既能有效的將從煤粉口加入的煤粉輸送至初混區(qū)，同時(shí)也能防止初混區(qū)的渣油與煤粉混合物倒流。

2.1.2 初混區(qū)結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

高溫渣油從初混區(qū)上部加入，與煤粉區(qū)輸送至初混區(qū)的煤粉在初混區(qū)內(nèi)進(jìn)行初步混合。185℃的高溫渣油與70℃煤粉接觸后,由于混流換熱在接觸面處發(fā)生邊界效應(yīng)，形成邊界層，阻礙了渣油與煤粉的進(jìn)一步接觸；同時(shí)，煤粉的流動(dòng)性較差，容易在混捏機(jī)底部積聚，造成煤粉和渣油的分層，渣油直接從上部直接流入混合區(qū)。犁刀2呈弧面三角形狀，在隨著混捏機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，犁刀2的弧面具有很強(qiáng)的周向輸送能力，能將混捏機(jī)內(nèi)腔底部的煤粉輸送至混捏機(jī)內(nèi)腔上部，同時(shí)引流上部的渣油沿犁刀2的運(yùn)行軌跡流入底部煤粉中，使煤粉與渣油充分混合。除此之外，犁刀2的弧面與混捏機(jī)軸具有一定的角度，保證在旋轉(zhuǎn)時(shí)還具有一定的軸向輸送能力，將初步混合的煤粉和渣油輸送至混合區(qū)。最后，犁刀2的設(shè)計(jì)還增加了一些有利于混合細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)：① 犁刀2兩側(cè)的側(cè)邊，從刀尖至兩側(cè)尾翼都是流線型設(shè)計(jì)，可以在破壞煤粉與渣油邊界層的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自清潔，不會(huì)有煤粉在犁刀上積聚；② 犁刀2與混捏機(jī)軸連接桿的后方設(shè)置凹槽，即圖3中犁刀2底邊的凹槽，此凹槽防止了混合過程中煤粉在犁刀2與混捏機(jī)軸連接桿后方的積聚。

2.1.3 混合區(qū)結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

煤粉與渣油從初混區(qū)輸送至混合區(qū)時(shí)，大小不一的煤粉球分布在渣油中, 其混合狀態(tài)見圖2。這種初混的油煤漿具有以下三個(gè)特點(diǎn)：① 煤粉球的邊界層阻止渣油與煤粉球內(nèi)煤粉的接觸；② 初混的油煤漿一定的流動(dòng)性，煤粉球的邊界層很難被破壞；③ 煤粉在混合過程中由于重力的作用，很容易向下沉積在混捏機(jī)內(nèi)腔底部。

為了得到混合均勻的油煤漿，在研究混合理論[2]的基礎(chǔ)上，結(jié)合上述初混油煤漿的三個(gè)特點(diǎn)，混合區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮了以下幾個(gè)方面：① 混合區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)要具有較強(qiáng)的剪切能力，也就是較強(qiáng)的分散能力，在混合過程中能夠有效地將煤粉球進(jìn)行破碎，使煤粉能夠與渣油更加充分地接觸、混合；② 混合區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)要具有防止煤粉沉積的能力；③ 混合區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)要具有較強(qiáng)的分布混合能力，即煤粉均勻地分布于渣油中的能力；④ 為了保證混合效果，需要煤粉與渣油在混合區(qū)內(nèi)具有足夠的混合時(shí)間進(jìn)行混合，即要保證油煤漿在混合區(qū)內(nèi)要有足夠的停留時(shí)間。

綜合以上分析，在混合區(qū)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了四組犁刀3，三組犁刀2，兩組犁刀4以及溢流擋板5。犁刀3沿垂直混捏機(jī)軸方向由寬變窄，在混捏機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)具有較高的線速度，能夠有效地對(duì)通過混捏機(jī)軸垂直截面的油煤漿進(jìn)行分散混合。犁刀2既能推動(dòng)油煤漿向出口方向流動(dòng)，又能使煤粉有渣油在周向劇烈混合，防止了煤粉的沉積。犁刀4能夠推動(dòng)油煤漿的周向流動(dòng)，能使煤粉在渣油中混合得更均勻。溢流擋板阻止了油煤漿直接從混捏機(jī)出口流出，高出溢流擋板的油煤漿從混捏機(jī)出口流出，低于溢流擋板的油煤漿在溢流擋板的阻擋作用下回流?；亓鬟^程中，回流的油煤漿與向前流動(dòng)的油煤漿形成對(duì)流混合，提高了混合效果。同時(shí)，油煤漿的回流使油煤漿重復(fù)地在犁刀3、犁刀2及犁刀4的作用下混合，增加了停留時(shí)間，使混合更加充分。溢流擋板在設(shè)計(jì)時(shí)，底部與混捏機(jī)筒體內(nèi)壁留有一弧形缺口，有效地防止了煤粉在溢流擋板底部的積聚。

2.2 混捏機(jī)其它結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

2.2.1 脫氣除塵口

煤粉在加入混捏機(jī)時(shí)是依靠重力流加入混捏機(jī)；渣油是通過加壓加入混捏機(jī)。在煤粉與渣油混合的過程中，渣油會(huì)揮發(fā)出大量的油氣，這些油氣攜帶著微小的煤粉塵會(huì)反串至煤粉管道，在煤粉管道中與煤粉接觸后溫度急劇降低，粘度增大，粘黏在煤粉管道壁上造成堵管。為了防止油氣向煤粉管道的反串，設(shè)置抽真空系統(tǒng)從脫氣除塵口抽將油氣抽出。

2.2.2 渣油口

渣油在加入混捏機(jī)時(shí)與煤粉會(huì)形成邊界層，如果渣油從一個(gè)管道直接加入，會(huì)造成渣油入口處形成一個(gè)很大的邊界層，如果這個(gè)邊界層沒有及時(shí)被破壞，后續(xù)的渣油就會(huì)沿邊界層向兩側(cè)流動(dòng)，不利于煤粉與渣油充分的混合。為解決上述問題，渣油從八個(gè)對(duì)稱的小加油口加入，極大減小了渣油加入口邊界層的尺寸，同時(shí)也提高了后續(xù)的混合效率。

2.2.3 煤粉口

設(shè)置了脫氣除塵口后解決了煤粉管道堵管的問題，但在煤粉口與混捏機(jī)筒體的連接處，在經(jīng)過一定的運(yùn)行時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)煤粉掛壁積聚的情況。為了解決這一問題，在煤粉口混捏機(jī)筒體的連接處的上方環(huán)繞煤粉口設(shè)置了若干沖洗口，定期對(duì)煤粉口進(jìn)行沖洗，保證煤粉口暢通。

3 結(jié)語

在混合理論的指導(dǎo)下，分析煤粉與渣油混合的特點(diǎn)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了混捏機(jī)的結(jié)構(gòu)及混合方案，解決了煤粉與渣油混合不均的問題，最終得到混合均勻的油煤漿。通過本文的分析及實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1)先加煤粉、后加渣油混合后的油煤漿均勻性要優(yōu)于先加渣油、后加煤粉混合后的油煤漿。

(2)犁刀1對(duì)煤粉具有很好的軸向輸送能力，有效地防止了渣油的回流。

(3)犁刀2對(duì)初混區(qū)煤粉與渣油的初混有很好的效果，能快速地使煤粉與渣油形成初混狀態(tài)的油煤漿。

(4)犁刀3、犁刀2、犁刀4及溢流擋板的組合，很好地實(shí)現(xiàn)了分散混合能力、分布混合能力及停留時(shí)間幾個(gè)因素的整合，有效地解決了初混油煤漿難以混合均勻的問題。

(5)脫氣除塵口、渣油口及煤粉口的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，有效地保障了混捏機(jī)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。