陳茂山，李 君，孫凱蒂，鮑永杰，劉 臻

(1.中國(guó)神華煤制油化工有限公司 鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.北京低碳清潔能源研究院，北京 102211)

煤液化油渣是煤直接液化過(guò)程的非目標(biāo)產(chǎn)物，伴隨著國(guó)家能源投資集團(tuán)百萬(wàn)噸級(jí)煤直接液化第1條生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行，每年液化油渣的產(chǎn)量超過(guò)50萬(wàn)t，液化殘?jiān)睦梅绞接袣饣?、燃燒、焦化、溶劑萃取等，神華煤制油鄂爾多斯分公司2020年投產(chǎn)的35萬(wàn)t/a油渣萃取裝置在一定程度上實(shí)現(xiàn)了液化油渣的高值化利用，但仍有超過(guò)17萬(wàn)t/a的油渣萃余物需要處理。分析表明，油渣萃余物作為氣化原料可以為煤制油生產(chǎn)裝置提供所需的原料氫氣，可替代一部分氣化原料煤。因此對(duì)液化油渣萃余物氣化可以實(shí)現(xiàn)液化油渣的資源化利用,達(dá)到循環(huán)經(jīng)濟(jì)的效果。

美國(guó)最早在20世紀(jì)70年代進(jìn)行煤液化油渣的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室研究，具體包括液化油渣的物理和化學(xué)性質(zhì)、用作原料生產(chǎn)合成氣或制氫的適用性，進(jìn)料方式和操作方法等。日本也對(duì)NEDOL工藝(1 t/d)產(chǎn)生的液化油渣開展了系列研究，包括化學(xué)結(jié)構(gòu)、殘?jiān)械囊夯刭|(zhì)產(chǎn)物的性質(zhì)、塔底產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)其2次加氫的影響、液化油渣的流動(dòng)性、油渣的熱解特性、氣化行為、和操作條件等對(duì)液化油渣性質(zhì)的影響等。而針對(duì)液化油渣萃余物的氣化應(yīng)用研究尚屬空白。

國(guó)內(nèi)對(duì)這一領(lǐng)域的研究起步較晚，目前基本停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，主要包括直接液化油渣氣化特性和成漿性研究等。YAN等將云南褐煤制成煤液化油渣，與CO反應(yīng)，開展相關(guān)研究。LIU等以石油焦與煤液化油渣的混合物為原料，開展CO氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。龔凱峰將神華煤直接液化油渣制成水煤漿，考察不同的分散劑、濕磨時(shí)間等操作條件對(duì)水煤漿濃度、表觀黏度、穩(wěn)定性等因素的影響。羅進(jìn)成等對(duì)煤液化油渣濕法成漿性進(jìn)行試驗(yàn)研究，認(rèn)為煤液化油渣自身孔隙率較高且含有利于氣化反應(yīng)的催化劑，其成漿時(shí)的粒度分布可以適當(dāng)放寬。

氣化反應(yīng)活性是判斷原料氣化適應(yīng)性的重要依據(jù)，氣化原料與CO的反應(yīng)決定了碳轉(zhuǎn)化率、合成氣組分等重要指標(biāo)，而萃余物的氣化反應(yīng)活性無(wú)法估計(jì)，前人也無(wú)系統(tǒng)研究，因此有必要對(duì)萃余物的氣化反應(yīng)活性加以驗(yàn)證；其次，原料的穩(wěn)定輸送是保證大規(guī)模氣化穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，萃余物是煤直接液化油渣經(jīng)過(guò)萃取工藝剩余的物質(zhì)，其中仍含有少量油質(zhì)，有一定的黏度，其流動(dòng)性、粒度分布、密度等特性與純煤存在差異。在磨粉、輸送過(guò)程中可能會(huì)在管道壁面上發(fā)生黏附、在燒嘴或其他換熱部分發(fā)生結(jié)焦等現(xiàn)象，因此需要研究萃余物的輸送特性；此外，原料的灰渣特性也對(duì)氣化過(guò)程有重要影響，若灰渣的渣型為結(jié)晶渣或黏度區(qū)間(2.5～25.0 Pa·s)，其對(duì)應(yīng)的溫度窗口過(guò)窄，則可能會(huì)導(dǎo)致排渣過(guò)程中的堵渣問(wèn)題，并且灰渣中的一些成分在高溫下可能會(huì)對(duì)氣化爐耐火材料造成侵蝕，研究原料的灰渣特性有助于避免以上問(wèn)題。即便上述關(guān)鍵技術(shù)均可滿足要求，直接將新原料應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模氣化過(guò)程仍可能帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，需要通過(guò)中試試驗(yàn)加以驗(yàn)證并規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；最后，開展CFD模擬能夠評(píng)估萃余物的摻入對(duì)氣化裝置所產(chǎn)生的直接影響，可直觀展示及量化分析氣化爐內(nèi)溫度分布、合成氣組分分布等信息，為萃余物在工業(yè)裝置中的大規(guī)模應(yīng)用提供理論數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

因此筆者主要從煤與萃余物摻混后混合物的氣化反應(yīng)活性、氣化灰渣特性、輸送特性等方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并在國(guó)家能源投資集團(tuán)低碳研究院自主搭建的3 t/d中試試驗(yàn)裝置上進(jìn)行中試驗(yàn)證，最后運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了神華鄂爾多斯煤氣化制氫裝置進(jìn)行萃余物摻燒對(duì)其氣化性能的影響，從而為煤液化油渣萃余物的大規(guī)模氣化提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)依據(jù)及基礎(chǔ)。

1 液化油渣萃余物大規(guī)模氣化摻混應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 煤液化油渣萃余物的氣化反應(yīng)活性

氣化反應(yīng)活性研究是判斷該原料是否適用于氣化技術(shù)的重要依據(jù)，同時(shí)也可為氣化爐模擬和設(shè)計(jì)提供重要參數(shù)。通過(guò)考察萃余物焦、萃余物與煤的混合物焦與CO的氣化反應(yīng)活性差別，可以反映萃余物、萃余物與煤的混合物作為氣化原料時(shí)的氣化反應(yīng)活性。

試驗(yàn)采用的煤為原煤和高硫煤的混合物，混合比例為原煤∶高硫煤(質(zhì)量比)=10∶1，此煤種與工業(yè)氣化爐使用的煤種一致。煤種及萃余物的混合物共3種，混合物中萃余物質(zhì)量分別占總質(zhì)量的10%，20%和30%。本試驗(yàn)中，采用高溫管式爐對(duì)樣品進(jìn)行制焦，以N作為保護(hù)氣，制焦溫度為1 000 ℃，恒溫2 h，其工業(yè)分析見表1。

表1 試驗(yàn)焦樣的工業(yè)分析

采用TGA進(jìn)行試驗(yàn)研究，選取900～1 050 ℃為氣化反應(yīng)溫度，每隔50 ℃為一個(gè)恒溫反應(yīng)溫度，選取含有50% CO的氣體為氣化劑(其余為N)，壓力為0.1 MPa，考察相同反應(yīng)溫度、相同氣化劑體積分?jǐn)?shù)條件下，不同樣品隨反應(yīng)時(shí)間變化的碳轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，如圖1所示。在CO氛圍下，萃余物焦的氣化反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于煤焦的氣化反應(yīng)速率，試驗(yàn)中混合物焦的反應(yīng)速率介于純煤焦與純萃余物焦，在相同反應(yīng)溫度和時(shí)間條件下，隨著混合物中萃余物比例的升高，混合物與CO反應(yīng)所達(dá)到的碳轉(zhuǎn)化率，即添加萃余物有助于提高煤焦與CO的氣化反應(yīng)活性。

圖1 不同混合比例時(shí)碳轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，相同試驗(yàn)溫度時(shí)，萃余物焦的氣化反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于混合物焦和煤焦；萃余物焦氣化反應(yīng)的最高反應(yīng)速率為同條件下煤焦最高反應(yīng)速率的7～10倍?；旌衔锝怪?，隨著所含萃余物比例的升高，混合物焦最高氣化反應(yīng)速率也升高，即添加萃余物后，混合物的氣化反應(yīng)活性高于純煤。煤焦、混合物焦-2和萃余物焦的比表面試驗(yàn)結(jié)果見表2，可以看出，萃余物焦的BET、孔表面積和孔容積均大于煤焦，結(jié)合隨機(jī)孔動(dòng)力學(xué)反應(yīng)理論可知，萃余物焦與氣化劑的反應(yīng)接觸面積遠(yuǎn)大于煤焦，因此，萃余物焦與CO的反應(yīng)活性也高于煤焦與CO的反應(yīng)活性。

表2 樣品的比表面積試驗(yàn)結(jié)果

1.2 煤液化油渣萃余物的輸送特性

萃余物具有一定的黏度，研究萃余物/煤粉混合物的流動(dòng)函數(shù)、輸送穩(wěn)定性等有助于判斷原料是否能夠穩(wěn)定輸入氣化爐進(jìn)行氣化反應(yīng)。因此，先分別使用PFT和FT4粉體流動(dòng)測(cè)試儀對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)試分析，研究萃余物與煤混合物在不同混合比例下的流動(dòng)特性，并進(jìn)一步基于此結(jié)果在中試裝置上進(jìn)行密相輸送的試驗(yàn)研究及驗(yàn)證。流動(dòng)特性由流動(dòng)函數(shù)(FF)表征，流動(dòng)函數(shù)為粉體材料從零剪切下保持到一個(gè)指定的應(yīng)力水平下發(fā)生固結(jié)的強(qiáng)度。流動(dòng)函數(shù)=固結(jié)應(yīng)力/破壞強(qiáng)度，其值越大，粉末的流動(dòng)性就越好。

混合物的流動(dòng)函數(shù)如圖2所示。隨著固結(jié)應(yīng)力的升高，混合物的無(wú)側(cè)限破壞強(qiáng)度也升高，純萃余物、萃余物占比10%,20%,30%,40%,50%,60%的流動(dòng)函數(shù)均大于2且小于4，且隨著萃余物比例的增加，F(xiàn)F值降低，說(shuō)明其流動(dòng)性均位于黏結(jié)區(qū)域，且隨著萃余物比例的增加，更靠近很黏結(jié)區(qū)域。

注：實(shí)線為流動(dòng)函數(shù)，虛線為對(duì)應(yīng)的時(shí)間固結(jié)流動(dòng)函數(shù)

FT4的測(cè)試結(jié)果見表3，結(jié)果表明：在每個(gè)固結(jié)應(yīng)力點(diǎn)上，隨著萃余物含量的增加，均顯示流動(dòng)函數(shù)更小，內(nèi)聚性大，說(shuō)明隨萃余物含量增加，粉體的流動(dòng)性變差。

表3 不同固結(jié)應(yīng)力下粉體流動(dòng)函數(shù)

由FT4測(cè)定時(shí)間固結(jié)流動(dòng)函數(shù)，結(jié)果如圖3所示，由圖3可見：在不同萃余物比例條件下的混合物，不同時(shí)間測(cè)量的流動(dòng)函數(shù)結(jié)果相差不大。說(shuō)明經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的堆積，混合物的流動(dòng)特性變化不大。

注：實(shí)線為流動(dòng)函數(shù)，虛線為對(duì)應(yīng)的時(shí)間固結(jié)流動(dòng)函數(shù)

基于國(guó)家能源投資集團(tuán)自建的粉體密相輸送裝置進(jìn)行中試試驗(yàn)研究，進(jìn)一步開展煤樣、煤與萃余物混合物(含20%萃余物)的高壓密相輸送試驗(yàn)，研究不同背壓、總壓差、輸送氣量對(duì)輸送穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)裝置由發(fā)料罐、接收罐、氮?dú)鈨?chǔ)罐和輸送管路組成，系統(tǒng)中布置多種傳感器，用于系統(tǒng)穩(wěn)定控制、數(shù)據(jù)采集和分析使用。

由圖4可見：在4 MPa輸送背壓、25 mm管徑條件下，M1(純煤)和M2(煤含萃余物20%)輸送規(guī)律曲線基本相同，隨著輸送平均氣速的增加，均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，具有臨界氣速，其兩側(cè)分別為高質(zhì)量濃度區(qū)和低質(zhì)量濃度區(qū)。在高質(zhì)量濃度區(qū)，管道壓降以顆粒相壓降為主，隨著氣速的增加，顆粒與壁面之間的摩擦阻力減小，輸送的粉體流量增加；而在低質(zhì)量濃度區(qū)，管道壓降以氣相壓降為主，隨著氣速的增加，氣相的壓降增大，使得顆粒相壓降不斷降低，輸送的粉體流量降低。且隨著輸送壓差的增大，輸煤量也不斷增加。說(shuō)明在此工況條件下，M1與M2的輸送規(guī)律和輸送量基本一致。

圖4 不同背壓2種物料輸送中氣速與輸送量的關(guān)系(管徑25 mm)

由圖4(a)，(c)可看出，當(dāng)背壓為4 MPa時(shí)，隨著表觀氣速的增大，輸送M1和M2時(shí)的質(zhì)量流量非常接近。當(dāng)背壓降低至2 MPa，輸送M2的質(zhì)量流量有下降的趨勢(shì)，臨界氣速會(huì)增大向右偏移，這主要是因?yàn)闅怏w的動(dòng)力黏度受到壓力的影響，低壓下氣體黏度降低，氣體攜帶粉體的能力下降，導(dǎo)致需要更高的表觀氣速才能使得輸送過(guò)程達(dá)到最大粉體質(zhì)量流量。圖4(b)，(d)則說(shuō)明在低氣速區(qū)，輸送M2的質(zhì)量濃度低于M1的質(zhì)量濃度，隨著表觀氣速增大至臨界氣速后，輸送M1和M2的質(zhì)量濃度幾乎相近，這說(shuō)明萃余物的摻混對(duì)粉體質(zhì)量濃度影響主要體現(xiàn)在低表觀氣速區(qū)。在氣速較低時(shí)，輸送氣體所具有的動(dòng)能不足以使煤粉和萃余物顆粒充分懸浮在管道中，由于萃余物真密度大于煤粉，輸送過(guò)程中部分萃余物會(huì)在管道底部沉積，造成混合粉體在通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)的密度測(cè)量段時(shí)質(zhì)量流量偏小，而使得粉體濃度偏低。由于萃余物真密度遠(yuǎn)大于純煤，導(dǎo)致?lián)交燧陀辔锖驧2的真密度(1 489 kg/m)大于M1(1 449 kg/m)，而真密度的差異是由于化學(xué)組成決定的，萃余物中含有鐵等金屬元素，其來(lái)源為直接液化過(guò)程中鐵系催化劑。隨著萃余物的添加量增大(表4)，鐵鈣等元素含量增大。這些比重較大的金屬元素在萃余物中的富集造成了萃余物的真密度大于純煤粉，進(jìn)而導(dǎo)致了輸送時(shí)部分萃余物在管道中沉積。

1.3 煤液化油渣萃余物的灰渣特性

灰渣特性對(duì)氣化運(yùn)行的穩(wěn)定性有著重要的影響，萃余物中的鐵含量較高，這就使混煤的含鐵量隨著萃余物摻混量的增大而升高(表4)，較高的鐵含量可能會(huì)引起高溫下灰渣的不穩(wěn)定以及排渣過(guò)程的堵渣問(wèn)題。

本節(jié)采用1.1節(jié)煤種中摻混不同比例煤萃余物后采用高溫黏度計(jì)研究灰渣黏溫曲線，確定萃余物的最佳摻混比例及氣化操作窗口，并研究在高還原氣氛下萃余物混煤灰渣對(duì)氣化爐內(nèi)襯耐材的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，其灰渣組成見表4。

表4 不同萃余物添加量下的灰分組成

由圖5可知：當(dāng)萃余物添加量為21%,24%,25%時(shí)，其分別在1 150，1 260和1 240 ℃出現(xiàn)黏度突增，熔融灰分表現(xiàn)為結(jié)晶渣，這可能是由于CaO的含量升高，鈣離子游離于硅鋁酸鹽的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，降溫過(guò)程中促進(jìn)了熔渣結(jié)晶；當(dāng)萃余物添加量≤20%下時(shí)，熔融灰分表現(xiàn)為玻璃渣狀態(tài)。由于神華鄂爾多斯煤氣化裝置采用的Shell氣化裝置，因此其最理想的氣化操作窗口是將灰渣黏度控制在5～25 Pa·s，且氣化爐渣口溫度對(duì)應(yīng)的灰渣黏度不會(huì)出現(xiàn)急劇上升。如當(dāng)萃余物添加量為21%時(shí)，灰渣黏度在5～25 Pa·s，其對(duì)應(yīng)的溫度為1 246～1 377 ℃，若氣化爐渣口溫度控制高于1 150 ℃，灰渣黏度雖然較大，但也可能實(shí)現(xiàn)正常排渣，氣化過(guò)程也是有可能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的，但由于氣化爐運(yùn)行過(guò)程中存在一些不可預(yù)見的突發(fā)事件，因此確保裝置穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性，萃余物的摻混量建議設(shè)置在20%以下。

圖5 摻混不同含量萃余物的灰渣黏溫曲線

為進(jìn)一步考察添加不同比例萃余物混配物黏度變化的原因，采用XRD和顯微鏡研究高溫熔融灰渣的晶體結(jié)構(gòu)。選取混煤(比例同1.1節(jié))后摻混5%,10%,20%的萃余物為測(cè)試原料，分別在弱還原氣氛(CO∶CO=6∶4，體積比)，溫度為1 200，1 300和1 400 ℃條件下制得激冷渣，破碎研磨至<200目后進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 摻混不同萃余物后的高溫激冷渣XRD分析結(jié)果

由圖6可知，當(dāng)溫度為1 200 ℃時(shí)，激冷渣中含有SiO、鈣長(zhǎng)石等晶體，主要礦物質(zhì)為鈣長(zhǎng)石，但當(dāng)溫度上升為1 300 ℃時(shí)，萃余物添加量為5%和10%的熔渣中仍有鈣長(zhǎng)石存在，而添加量為20%時(shí)的熔渣中均為無(wú)定型物質(zhì)；當(dāng)溫度為1 400 ℃時(shí)，均為無(wú)定型物質(zhì)。由此可見，萃余物添加量越高，鈣長(zhǎng)石越少；溫度越高，鈣長(zhǎng)石也越少。隨著萃余物含量及溫度的升高，鈣長(zhǎng)石含量減少，從而導(dǎo)致灰渣的熔融特征溫度升高，這可能是隨著萃余物含量增加導(dǎo)致渣型由玻璃渣向結(jié)晶渣轉(zhuǎn)變的主要原因。

進(jìn)一步提高摻混比例為21%，22%，23%，在1 200 ℃下制得激冷渣，進(jìn)行XRD表征。由圖7可知，在萃余物添加量為21%～23%時(shí)，主要礦物質(zhì)均為鈣長(zhǎng)石。為進(jìn)一步確認(rèn)晶體影響方式，采用顯微鏡對(duì)激冷渣形貌進(jìn)行觀察，如圖8所示。

圖7 摻混不同萃余物后的高溫激冷渣XRD分析結(jié)果

圖8 摻混不同萃余物后的高溫激冷渣顯微鏡分析

由圖8可以看出，隨著萃余物添加量的增加，鈣長(zhǎng)石含量逐漸減少(圖8中長(zhǎng)條狀)，該結(jié)果與上述XRD分析結(jié)果相一致，表明鈣長(zhǎng)石的減少可能是引起其熔渣黏度變化的關(guān)鍵因素之一。

1.4 煤液化油渣萃余物在3 t/d中試裝置上的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了考察原料的氣化性能指標(biāo)、液態(tài)排渣能力、氣化適應(yīng)性等，基于前述氣化活性研究、密相輸送特性研究、灰渣特性研究，設(shè)定國(guó)家能源投資集團(tuán)3 t/d中試氣化裝置的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步通過(guò)該中試試驗(yàn)研究驗(yàn)證含萃余物混煤的氣化情況。在該中試平臺(tái)上共計(jì)進(jìn)行3次干粉氣化試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程的運(yùn)行情況見表5。所有試驗(yàn)中除摻混20%萃余物工況下由于渣口快速堵渣導(dǎo)致被動(dòng)停車外，其余試驗(yàn)均為物料耗盡導(dǎo)致的主動(dòng)停車，其中最短穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間3 h，最長(zhǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間7 h。

表5 試驗(yàn)過(guò)程摘要

由運(yùn)行數(shù)據(jù)得到的關(guān)鍵氣化結(jié)果(有效氣含量、碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率)見表6，與混合物料試驗(yàn)結(jié)果相比，原煤氣化的各項(xiàng)指標(biāo)更高，如碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率、有效氣含量等。隨著萃余物的添加，氣化指標(biāo)開始下降，20%摻混萃余物混合物料的氣化效率是最低的，這是由于隨著萃余物的摻混量增加，物料的灰分增加，碳含量降低，熱量降低，維持相同氣化反應(yīng)溫度所需的物料更多。

表6 干粉試驗(yàn)煤氣化指標(biāo)數(shù)據(jù)

3次干粉試驗(yàn)的合成氣組分結(jié)果如圖9所示，過(guò)程中各組分波動(dòng)很小。3次試驗(yàn)的穩(wěn)定合成氣組分結(jié)果均表明在萃余物摻混在20%以下時(shí)的干粉試驗(yàn)過(guò)程中，氣化爐出口合成氣組分與有效氣含量均穩(wěn)定。但是在20%萃余物干粉試驗(yàn)過(guò)程中流化風(fēng)與補(bǔ)充風(fēng)都有調(diào)節(jié)波動(dòng)，氮?dú)饨M分含量有所改變，這導(dǎo)致合成氣各組含量在氣化穩(wěn)定階段存在一些波動(dòng)。

圖9 不同萃余物摻混比例干粉試驗(yàn)穩(wěn)定段合成氣組分

對(duì)中試裝置上的原料和灰渣的灰組分進(jìn)行分析，結(jié)果見表7。

表7 原料及灰渣組分測(cè)量

氣化原料中，原煤、含10%萃余物混合物和含20%萃余物混合物的灰成分見表7，組成中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的為SiO，占比在41%～52%，AlO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在17%～23%。氣化灰渣中，10%萃余物混合物氣化灰渣與20%萃余物混合物氣化灰渣的灰成分差異不大，但相比于對(duì)應(yīng)的氣化原料，灰渣中的AlO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，均在60%以上，是原料中AlO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的4倍左右，原煤氣化灰渣中AlO質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有所升高，但增量低于摻混萃余物后的工況。

中試裝置氣化爐內(nèi)表面渣塊，如圖10所示，該渣塊的外側(cè)白色部分為高鋁耐火磚，黑色部分為壁面掛渣，紅色部分代表深色的熔渣向高鋁磚侵蝕的邊界層。20%萃余物摻混試驗(yàn)后，原本相比向火面后移5 mm的熱電偶已經(jīng)明顯裸露50～80 mm，如圖10所示，這代表耐火磚在經(jīng)過(guò)3次干粉試驗(yàn)后，其高鋁磚(AlO含量超過(guò)90%)為主的內(nèi)表面已經(jīng)被嚴(yán)重侵蝕，磚體變薄。由表7可見：萃余物的添加對(duì)AlO的溶蝕明顯增強(qiáng)，而工業(yè)爐中常用的耐材為高鉻磚或水冷壁的碳化硅，結(jié)合熔渣侵蝕特性研究結(jié)論，添加萃余物對(duì)其的侵蝕影響不大。因此，萃余物的添加對(duì)工業(yè)爐造成影響不大，避免在氣化爐內(nèi)向火面使用AlO含量高的耐材即可。

圖10 氣化爐向火面耐火磚受熔渣侵蝕現(xiàn)象

從中試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)摻混萃余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加會(huì)降低氣化性能指標(biāo)，如冷煤氣效率、有效氣含量和碳轉(zhuǎn)化率，這是萃余物中灰分高、熱值低導(dǎo)致的。萃余物熱值低的同時(shí)具備較高的反應(yīng)活性，所以試驗(yàn)中隨著其質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，燒嘴附近溫度升高，而排渣溫度會(huì)降低。當(dāng)萃余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)20%，熔渣黏溫特性趨于結(jié)晶渣，更低的排渣溫度會(huì)導(dǎo)致渣口快速堵塞。

2 神華鄂爾多斯煤氣化制氫萃取物摻燒的數(shù)值模擬驗(yàn)證

煤液化殘?jiān)陀辔锵啾仍壕哂休^高的灰分、較低的熱值和較為活躍的反應(yīng)活性。由于這些物性差異的存在，摻混萃余物的氣化過(guò)程可能會(huì)對(duì)于殼牌工業(yè)爐的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定影響。本節(jié)主要基于前期的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)神華鄂爾多斯煤氣化制氫裝置采用數(shù)值模擬的方法研究煤液化殘?jiān)陀辔飺綗笃錃饣癄t內(nèi)的溫度分布，物性參數(shù)與1.1節(jié)一致。將10%萃余物的物性參數(shù)代入CFD的離散相模型入射顆粒屬性中，進(jìn)行氣化過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算。

摻混10%萃余物后，模擬計(jì)算獲得位于合成氣出口處的合成氣溫度及氣體組分分布見表8。

表8 原煤與摻混10%萃余物后合成氣組分與出口溫度對(duì)比

由表8可知，在氣化原料摻混萃余物后合成氣出口溫度略有降低，同時(shí)合成氣組分中CO成分略有增加，CO與H體積分?jǐn)?shù)略有降低。其原因在于氣化原料各元素組成比例在摻混后發(fā)生了變化，相較于原煤氣化過(guò)程，摻混萃余物后原料中碳氧比增高，對(duì)合成氣組分分布造成影響。

氣化爐中合成氣組分在軸向截面上的分布特性如圖11所示，觀察發(fā)現(xiàn)軸向截面上氣化爐內(nèi)部合成氣組分濃度變化主要集中在燒嘴口附近區(qū)域。同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)爐膛中CO和H分布均呈現(xiàn)“下高上低”的趨勢(shì)，這是由于爐膛中的CO和H來(lái)自焦炭氣化反應(yīng)，該反應(yīng)主要集中在氣化爐中下部，其氣相產(chǎn)物在爐膛內(nèi)沿合成氣流動(dòng)方向，逐漸向合成氣出口流動(dòng)。另一方面，通過(guò)對(duì)比摻混萃余物前后的爐內(nèi)組分分布，發(fā)現(xiàn)添加10%萃余物不會(huì)對(duì)氣化爐中的組分分布形態(tài)造成顯著影響。

圖11 CO和H2在氣化爐軸向截面上分布云圖

3 結(jié) 論

(1)氣化反應(yīng)活性研究結(jié)果表明，萃余物焦的氣化反應(yīng)活性遠(yuǎn)優(yōu)于煤焦的氣化反應(yīng)活性，添加萃余物焦后，混合物焦的氣化反應(yīng)活性也優(yōu)于煤焦的氣化反應(yīng)活性。

(2)混合物磨粉試驗(yàn)表明，萃余物摻混量達(dá)到30%時(shí)無(wú)黏結(jié)效應(yīng)產(chǎn)生；在背壓4 MPa、壓差0.5 MPa、管徑25 mm輸送工況下，純煤和混煤(含20%萃余物)的輸送過(guò)程均十分穩(wěn)定，含萃余物混煤在高壓下進(jìn)行密相輸送是可行的。

(3)當(dāng)萃余物添加量超過(guò)20%時(shí)，熔渣由玻璃渣轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶渣，因此建議萃余物的摻混量在20%以下。

(4)中試試驗(yàn)結(jié)果表明，在萃余物的摻混比例為10%的情況下，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控的氣化過(guò)程，碳轉(zhuǎn)化率為94.6%，有效氣體積分?jǐn)?shù)為88.8%；萃余物的摻混比例為20%時(shí)，發(fā)現(xiàn)了氣化爐排渣口較為嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象，建議工業(yè)裝置摻燒萃余物的比例應(yīng)控制在10%以下。

(5)基于開發(fā)的工業(yè)規(guī)模(2 000 t/d)Shell氣化爐的三維CFD數(shù)值模型，對(duì)實(shí)際工況下氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的影響進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，摻混10%萃余物對(duì)氣化爐內(nèi)溫度場(chǎng)及氣化爐中的組分分布無(wú)顯著影響。