液化油渣萃余物大規(guī)模氣化行為

陳茂山，李 君，孫凱蒂，鮑永杰，劉 臻

(1.中國神華煤制油化工有限公司 鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 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程的非目標產物，伴隨著國家能源投資集團百萬噸級煤直接液化第1條生產線的穩(wěn)定運行，每年液化油渣的產量超過50萬t，液化殘渣的利用方式有氣化、燃燒、焦化、溶劑萃取等，神華煤制油鄂爾多斯分公司2020年投產的35萬t/a油渣萃取裝置在一定程度上實現了液化油渣的高值化利用，但仍有超過17萬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。因此對液化油渣萃余物氣化可以實現液化油渣的資源化利用,達到循環(huán)經濟的效果。

美國最早在20世紀70年代進行煤液化油渣的相關實驗室研究，具體包括液化油渣的物理和化學性質、用作原料生產合成氣或制氫的適用性，進料方式和操作方法等。日本也對NEDOL工藝(1 t/d)產生的液化油渣開展了系列研究，包括化學結構、殘渣中的液化重質產物的性質、塔底產物的化學結構對其2次加氫的影響、液化油渣的流動性、油渣的熱解特性、氣化行為、和操作條件等對液化油渣性質的影響等。而針對液化油渣萃余物的氣化應用研究尚屬空白。

國內對這一領域的研究起步較晚，目前基本停留在實驗室研究階段，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，開展相關研究。LIU等以石油焦與煤液化油渣的混合物為原料，開展CO氣化反應動力學研究。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、濕磨時間等操作條件對水煤漿濃度、表觀黏度、穩(wěn)定性等因素的影響。羅進成等對煤液化油渣濕法成漿性進行試驗研究，認為煤液化油渣自身孔隙率較高且含有利于氣化反應的催化劑，其成漿時的粒度分布可以適當放寬。

氣化反應活性是判斷原料氣化適應性的重要依據，氣化原料與CO的反應決定了碳轉化率、合成氣組分等重要指標，而萃余物的氣化反應活性無法估計，前人也無系統研究，因此有必要對萃余物的氣化反應活性加以驗證；其次，原料的穩(wěn)定輸送是保證大規(guī)模氣化穩(wěn)定運行的基礎，萃余物是煤直接液化油渣經過萃取工藝剩余的物質，其中仍含有少量油質，有一定的黏度，其流動性、粒度分布、密度等特性與純煤存在差異。在磨粉、輸送過程中可能會在管道壁面上發(fā)生黏附、在燒嘴或其他換熱部分發(fā)生結焦等現象，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氣化過程有重要影響，若灰渣的渣型為結晶渣或黏度區(qū)間(2.5～25.0 Pa·s)，其對應的溫度窗口過窄，則可能會導致排渣過程中的堵渣問題，并且灰渣中的一些成分在高溫下可能會對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題。即便上述關鍵技術均可滿足要求，直接將新原料應用于工業(yè)規(guī)模氣化過程仍可能帶來風險，需要通過中試試驗加以驗證并規(guī)避風險；最后，開展CFD模擬能夠評估萃余物的摻入對氣化裝置所產生的直接影響，可直觀展示及量化分析氣化爐內溫度分布、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)模應用提供理論數據指導。

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

1 液化油渣萃余物大規(guī)模氣化摻混應用的幾個關鍵問題

1.1 煤液化油渣萃余物的氣化反應活性

氣化反應活性研究是判斷該原料是否適用于氣化技術的重要依據，同時也可為氣化爐模擬和設計提供重要參數。通過考察萃余物焦、萃余物與煤的混合物焦與CO的氣化反應活性差別，可以反映萃余物、萃余物與煤的混合物作為氣化原料時的氣化反應活性。

試驗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，混合物中萃余物質量分別占總質量的10%，20%和30%。本試驗中，采用高溫管式爐對樣品進行制焦，以N作為保護氣，制焦溫度為1 000 ℃，恒溫2 h，其工業(yè)分析見表1。

表1 試驗焦樣的工業(yè)分析

采用TGA進行試驗研究，選取900～1 050 ℃為氣化反應溫度，每隔50 ℃為一個恒溫反應溫度，選取含有50% CO的氣體為氣化劑(其余為N)，壓力為0.1 MPa，考察相同反應溫度、相同氣化劑體積分數條件下，不同樣品隨反應時間變化的碳轉化率的關系，如圖1所示。在CO氛圍下，萃余物焦的氣化反應速率遠高于煤焦的氣化反應速率，試驗中混合物焦的反應速率介于純煤焦與純萃余物焦，在相同反應溫度和時間條件下，隨著混合物中萃余物比例的升高，混合物與CO反應所達到的碳轉化率，即添加萃余物有助于提高煤焦與CO的氣化反應活性。

圖1 不同混合比例時碳轉化率與反應時間的關系

在試驗溫度范圍內，相同試驗溫度時，萃余物焦的氣化反應速率遠大于混合物焦和煤焦；萃余物焦氣化反應的最高反應速率為同條件下煤焦最高反應速率的7～10倍。混合物焦中，隨著所含萃余物比例的升高，混合物焦最高氣化反應速率也升高，即添加萃余物后，混合物的氣化反應活性高于純煤。煤焦、混合物焦-2和萃余物焦的比表面試驗結果見表2，可以看出，萃余物焦的BET、孔表面積和孔容積均大于煤焦，結合隨機孔動力學反應理論可知，萃余物焦與氣化劑的反應接觸面積遠大于煤焦，因此，萃余物焦與CO的反應活性也高于煤焦與CO的反應活性。

表2 樣品的比表面積試驗結果

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/煤粉混合物的流動函數、輸送穩(wěn)定性等有助于判斷原料是否能夠穩(wěn)定輸入氣化爐進行氣化反應。因此，先分別使用PFT和FT4粉體流動測試儀對試驗樣品進行測試分析，研究萃余物與煤混合物在不同混合比例下的流動特性，并進一步基于此結果在中試裝置上進行密相輸送的試驗研究及驗證。流動特性由流動函數(FF)表征，流動函數為粉體材料從零剪切下保持到一個指定的應力水平下發(fā)生固結的強度。流動函數=固結應力/破壞強度，其值越大，粉末的流動性就越好。

混合物的流動函數如圖2所示。隨著固結應力的升高，混合物的無側限破壞強度也升高，純萃余物、萃余物占比10%,20%,30%,40%,50%,60%的流動函數均大于2且小于4，且隨著萃余物比例的增加，FF值降低，說明其流動性均位于黏結區(qū)域，且隨著萃余物比例的增加，更靠近很黏結區(qū)域。

注：實線為流動函數，虛線為對應的時間固結流動函數

FT4的測試結果見表3，結果表明：在每個固結應力點上，隨著萃余物含量的增加，均顯示流動函數更小，內聚性大，說明隨萃余物含量增加，粉體的流動性變差。

表3 不同固結應力下粉體流動函數

由FT4測定時間固結流動函數，結果如圖3所示，由圖3可見：在不同萃余物比例條件下的混合物，不同時間測量的流動函數結果相差不大。說明經過一段時間的堆積，混合物的流動特性變化不大。

注：實線為流動函數，虛線為對應的時間固結流動函數

基于國家能源投資集團自建的粉體密相輸送裝置進行中試試驗研究，進一步開展煤樣、煤與萃余物混合物(含20%萃余物)的高壓密相輸送試驗，研究不同背壓、總壓差、輸送氣量對輸送穩(wěn)定性的影響。試驗裝置由發(fā)料罐、接收罐、氮氣儲罐和輸送管路組成，系統中布置多種傳感器，用于系統穩(wěn)定控制、數據采集和分析使用。

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，均呈現先增加后減小的趨勢，具有臨界氣速，其兩側分別為高質量濃度區(qū)和低質量濃度區(qū)。在高質量濃度區(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系(管徑25 mm)

由圖4(a)，(c)可看出，當背壓為4 MPa時，隨著表觀氣速的增大，輸送M1和M2時的質量流量非常接近。當背壓降低至2 MPa，輸送M2的質量流量有下降的趨勢，臨界氣速會增大向右偏移，這主要是因為氣體的動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，導致需要更高的表觀氣速才能使得輸送過程達到最大粉體質量流量。圖4(b)，(d)則說明在低氣速區(qū)，輸送M2的質量濃度低于M1的質量濃度，隨著表觀氣速增大至臨界氣速后，輸送M1和M2的質量濃度幾乎相近，這說明萃余物的摻混對粉體質量濃度影響主要體現在低表觀氣速區(qū)。在氣速較低時，輸送氣體所具有的動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，輸送過程中部分萃余物會在管道底部沉積，造成混合粉體在通過質量流量計的密度測量段時質量流量偏小，而使得粉體濃度偏低。由于萃余物真密度遠大于純煤，導致摻混萃余物后M2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組成決定的，萃余物中含有鐵等金屬元素，其來源為直接液化過程中鐵系催化劑。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，進而導致了輸送時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

灰渣特性對氣化運行的穩(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引起高溫下灰渣的不穩(wěn)定以及排渣過程的堵渣問題。

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氣化爐內襯耐材的影響，試驗結果如圖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：當萃余物添加量為21%,24%,25%時，其分別在1 150，1 260和1 240 ℃出現黏度突增，熔融灰分表現為結晶渣，這可能是由于CaO的含量升高，鈣離子游離于硅鋁酸鹽的網狀結構中，降溫過程中促進了熔渣結晶；當萃余物添加量≤20%下時，熔融灰分表現為玻璃渣狀態(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應的灰渣黏度不會出現急劇上升。如當萃余物添加量為21%時，灰渣黏度在5～25 Pa·s，其對應的溫度為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，但也可能實現正常排渣，氣化過程也是有可能實現穩(wěn)定運行的，但由于氣化爐運行過程中存在一些不可預見的突發(fā)事件，因此確保裝置穩(wěn)定運行的可靠性，萃余物的摻混量建議設置在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構。選取混煤(比例同1.1節(jié))后摻混5%,10%,20%的萃余物為測試原料，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目后進行XRD分析，結果如圖6所示。

圖6 摻混不同萃余物后的高溫激冷渣XRD分析結果

由圖6可知，當溫度為1 200 ℃時，激冷渣中含有SiO、鈣長石等晶體，主要礦物質為鈣長石，但當溫度上升為1 300 ℃時，萃余物添加量為5%和10%的熔渣中仍有鈣長石存在，而添加量為20%時的熔渣中均為無定型物質；當溫度為1 400 ℃時，均為無定型物質。由此可見，萃余物添加量越高，鈣長石越少；溫度越高，鈣長石也越少。隨著萃余物含量及溫度的升高，鈣長石含量減少，從而導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致渣型由玻璃渣向結晶渣轉變的主要原因。

進一步提高摻混比例為21%，22%，23%，在1 200 ℃下制得激冷渣，進行XRD表征。由圖7可知，在萃余物添加量為21%～23%時，主要礦物質均為鈣長石。為進一步確認晶體影響方式，采用顯微鏡對激冷渣形貌進行觀察，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，鈣長石含量逐漸減少(圖8中長條狀)，該結果與上述XRD分析結果相一致，表明鈣長石的減少可能是引起其熔渣黏度變化的關鍵因素之一。

1.4 煤液化油渣萃余物在3 t/d中試裝置上的試驗驗證

為了考察原料的氣化性能指標、液態(tài)排渣能力、氣化適應性等，基于前述氣化活性研究、密相輸送特性研究、灰渣特性研究，設定國家能源投資集團3 t/d中試氣化裝置的運行參數，進一步通過該中試試驗研究驗證含萃余物混煤的氣化情況。在該中試平臺上共計進行3次干粉氣化試驗，試驗過程的運行情況見表5。所有試驗中除摻混20%萃余物工況下由于渣口快速堵渣導致被動停車外，其余試驗均為物料耗盡導致的主動停車，其中最短穩(wěn)定運行時間3 h，最長穩(wěn)定運行時間7 h。

表5 試驗過程摘要

由運行數據得到的關鍵氣化結果(有效氣含量、碳轉化率和冷煤氣效率)見表6，與混合物料試驗結果相比，原煤氣化的各項指標更高，如碳轉化率、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，維持相同氣化反應溫度所需的物料更多。

表6 干粉試驗煤氣化指標數據

3次干粉試驗的合成氣組分結果如圖9所示，過程中各組分波動很小。3次試驗的穩(wěn)定合成氣組分結果均表明在萃余物摻混在20%以下時的干粉試驗過程中，氣化爐出口合成氣組分與有效氣含量均穩(wěn)定。但是在20%萃余物干粉試驗過程中流化風與補充風都有調節(jié)波動，氮氣組分含量有所改變，這導致合成氣各組含量在氣化穩(wěn)定階段存在一些波動。

圖9 不同萃余物摻混比例干粉試驗穩(wěn)定段合成氣組分

對中試裝置上的原料和灰渣的灰組分進行分析，結果見表7。

表7 原料及灰渣組分測量

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，組成中質量分數最高的為SiO，占比在41%～52%，AlO質量分數均在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，但相比于對應的氣化原料，灰渣中的AlO質量分數較高，均在60%以上，是原料中AlO質量分數的4倍左右，原煤氣化灰渣中AlO質量分數也有所升高，但增量低于摻混萃余物后的工況。

中試裝置氣化爐內表面渣塊，如圖10所示，該渣塊的外側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%萃余物摻混試驗后，原本相比向火面后移5 mm的熱電偶已經明顯裸露50～80 mm，如圖10所示，這代表耐火磚在經過3次干粉試驗后，其高鋁磚(AlO含量超過90%)為主的內表面已經被嚴重侵蝕，磚體變薄。由表7可見：萃余物的添加對AlO的溶蝕明顯增強，而工業(yè)爐中常用的耐材為高鉻磚或水冷壁的碳化硅，結合熔渣侵蝕特性研究結論，添加萃余物對其的侵蝕影響不大。因此，萃余物的添加對工業(yè)爐造成影響不大，避免在氣化爐內向火面使用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象

從中試結果可以發(fā)現摻混萃余物質量分數增加會降低氣化性能指標，如冷煤氣效率、有效氣含量和碳轉化率，這是萃余物中灰分高、熱值低導致的。萃余物熱值低的同時具備較高的反應活性，所以試驗中隨著其質量分數增加，燒嘴附近溫度升高，而排渣溫度會降低。當萃余物質量分數超過20%，熔渣黏溫特性趨于結晶渣，更低的排渣溫度會導致渣口快速堵塞。

2 神華鄂爾多斯煤氣化制氫萃取物摻燒的數值模擬驗證

煤液化殘渣萃余物相比原煤具有較高的灰分、較低的熱值和較為活躍的反應活性。由于這些物性差異的存在，摻混萃余物的氣化過程可能會對于殼牌工業(yè)爐的穩(wěn)定運行帶來一定影響。本節(jié)主要基于前期的試驗結果，對神華鄂爾多斯煤氣化制氫裝置采用數值模擬的方法研究煤液化殘渣萃余物摻燒后其氣化爐內的溫度分布，物性參數與1.1節(jié)一致。將10%萃余物的物性參數代入CFD的離散相模型入射顆粒屬性中，進行氣化過程數值模擬計算。

摻混10%萃余物后，模擬計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，同時合成氣組分中CO成分略有增加，CO與H體積分數略有降低。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，相較于原煤氣化過程，摻混萃余物后原料中碳氧比增高，對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)現軸向截面上氣化爐內部合成氣組分濃度變化主要集中在燒嘴口附近區(qū)域。同時觀察發(fā)現爐膛中CO和H分布均呈現“下高上低”的趨勢，這是由于爐膛中的CO和H來自焦炭氣化反應，該反應主要集中在氣化爐中下部，其氣相產物在爐膛內沿合成氣流動方向，逐漸向合成氣出口流動。另一方面，通過對比摻混萃余物前后的爐內組分分布，發(fā)現添加10%萃余物不會對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 論

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

(2)混合物磨粉試驗表明，萃余物摻混量達到30%時無黏結效應產生；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)的輸送過程均十分穩(wěn)定，含萃余物混煤在高壓下進行密相輸送是可行的。

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

(4)中試試驗結果表明，在萃余物的摻混比例為10%的情況下，可以實現穩(wěn)定可控的氣化過程，碳轉化率為94.6%，有效氣體積分數為88.8%；萃余物的摻混比例為20%時，發(fā)現了氣化爐排渣口較為嚴重的堵塞現象，建議工業(yè)裝置摻燒萃余物的比例應控制在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數值模型，對實際工況下氣化爐穩(wěn)定運行的影響進行了評估。結果表明，摻混10%萃余物對氣化爐內溫度場及氣化爐中的組分分布無顯著影響。