混捏机在油-煤混合中的应用

王文飞 常宇舜 米 渊 梁长涛 耿高峰 马 静

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

油煤共炼技术是将渣油与煤粉按照一定比例混合后制成混合均匀的油煤浆，油煤浆再经过后续工艺生产出高品质的柴油、汽油调和组分、液化气以及石脑油等高附加值产品[1]。延长石油(集团)油煤新技术开发公司的45万吨/年实验示范项目采用渣油与煤粉1:1的比例进行混合。渣油具有粘度大，流动性差的特点，干燥的煤粉为微米级的固体颗粒，两者在混合时具有难混合，易结块，易分层的特点。渣油与煤粉的混合效果，直接影响后续工艺参数及装置的稳定运行。

本文结合该项目中的渣油及煤粉工艺参数，从分散混合能力、分布混合能力方面出发对混合机的进料结构、犁刀结构及组合进行分析，设计出具有优异的油煤混合性能的混捏机结构。

1 基本参数及混合分析

1.1 基本参数

(1)渣油:操作温度为185℃;操作压力为0.3 MPa;密度为956 kg/m3;胶质含量(%(wt))为26.4%;渣油粘度随着温度升高而减小，随温度降低而增大。

(2)煤粉:粒度R90为36.8%;操作温度为70℃;操作压力为常压;堆积密度为700 kg/m3;含水率为2%。

(3)混捏机:转速为75 r/min。

(4)油煤浆:操作温度为156℃;操作压力为常压。

1.2 混合过程分析

渣油与煤粉的混合，既是煤粉与渣油混合均一化的过程，也是一个混流换热的过程。高温的渣油传热给煤粉，温度降低；低温的煤粉吸收热量，温度升高，最后到达一个平衡温度。

渣油与煤粉混合的均一化，就是经过充分混合后，使煤粉均匀的分布于渣油中，形成温度、粘度、密度等参数稳定的油煤浆。混合的过程可分为分散混合和分布混合。分散混合是使材料的粒度减小，并且使不同组成的原料分布均一化。分散混合既有粒子粒度的减小，也有位置的变化；分布混合使材料中不同组成的原料分布均一化，但不改变原料颗粒大小，只是增进空间排列的无规程度，并没有减小其结构单元尺寸。分散混合需要具有较强的剪切能力的混合结构；分布混合需要充分的搅拌及停留时间[2]。

渣油与煤粉的混流换热，是185℃渣油与70℃煤粉在互相混合过程中，通过热量传递，最后达到热平衡，形成156℃油煤浆的过程。在混流换热过程中，随着渣油的温度降低，粘度变大，流动性变差，使得渣油与煤粉的混合过程变得更加复杂。

当渣油与煤粉开始混合时，在渣油与煤粉的接触界面处，185℃渣油与70℃煤粉相遇，接触面处渣油温度急剧降低，粘度变大，流动性变差，在接触界面处发生边界效应，形成边界层，阻碍渣油与煤粉的进一步接触与混合，见图1所示。

图1 渣油与煤粉初混示意图

渣油与煤粉接触时，很容易出现渣油沿着边界层与煤粉分层流动的现象，因此在混合的初始阶段，要设计合理的结构破坏渣油与煤粉形成的边界层，使煤粉与渣油充分接触，提高混合效率及效果。

在渣油与煤粉的混合过程中，由于渣油和煤粉的边界效应，极易发生团聚现象，即渣油包裹着大小不一的煤粉球分布于渣油中，煤粉球周边的边界层严重阻碍了渣油与煤粉混合的均一化过程，见图2所示。

图2 渣油与煤粉混合示意图

在这个混合过程中，渣油携带着煤粉球具有一定的流动性，一般的结构很难达到破坏煤粉球外壁边界层，使煤粉球中的煤粉与渣油进一步混合的作用。这就需要提供具有高效的分散混合能力和充足的混合时间结构来实现混合的目的。

2 混捏机结构分析及设计

2.1 混捏机混合结构分析及设计

基于煤粉和渣油的混合过程的分析，可将整个混捏机划分为煤粉区、初混区及混合区；为了得到更好的混合效果，在不同的区域，针对性地设计不同的犁刀形式、组合方式以及其它混合结构，如图3所示(见下页)。

根据混合理论，在不同黏度的物料混合时，低粘度流体混入高粘度流体的混合要比高粘度混入低粘度流体的混合更加容易[3]。依据这个规律，在油煤混合的混捏机设计时，采用先进煤粉，再进渣油的加料顺序，即将渣油混入煤粉的方式进行混捏机结构设计，以期达到更好的混合效果。

2.1.1 煤粉区结构分析及设计

在混捏机的结构设计中，煤粉区具有以下特点：① 煤粉从煤粉口进入煤粉区后，无法自发的流入初混区；② 煤粉区要防止初混区的渣油与煤粉混合物倒流至煤粉区；③ 煤粉区只有煤粉一种物料，不需要承担混合功能。针对以上需求，在煤粉区设计了犁刀1，犁刀1采用轴向前小后大，周向成圆滑弧面，与混捏机内壁成一定角度安装，在混合机旋转时，能产生较强轴向输送能力。这种轴向输送能力，既能有效的将从煤粉口加入的煤粉输送至初混区，同时也能防止初混区的渣油与煤粉混合物倒流。

2.1.2 初混区结构分析及设计

高温渣油从初混区上部加入，与煤粉区输送至初混区的煤粉在初混区内进行初步混合。185℃的高温渣油与70℃煤粉接触后,由于混流换热在接触面处发生边界效应，形成边界层，阻碍了渣油与煤粉的进一步接触；同时，煤粉的流动性较差，容易在混捏机底部积聚，造成煤粉和渣油的分层，渣油直接从上部直接流入混合区。犁刀2呈弧面三角形状，在随着混捏机轴转动时，犁刀2的弧面具有很强的周向输送能力，能将混捏机内腔底部的煤粉输送至混捏机内腔上部，同时引流上部的渣油沿犁刀2的运行轨迹流入底部煤粉中，使煤粉与渣油充分混合。除此之外，犁刀2的弧面与混捏机轴具有一定的角度，保证在旋转时还具有一定的轴向输送能力，将初步混合的煤粉和渣油输送至混合区。最后，犁刀2的设计还增加了一些有利于混合细节设计：① 犁刀2两侧的侧边，从刀尖至两侧尾翼都是流线型设计，可以在破坏煤粉与渣油边界层的同时实现自清洁，不会有煤粉在犁刀上积聚；② 犁刀2与混捏机轴连接杆的后方设置凹槽，即图3中犁刀2底边的凹槽，此凹槽防止了混合过程中煤粉在犁刀2与混捏机轴连接杆后方的积聚。

2.1.3 混合区结构分析及设计

煤粉与渣油从初混区输送至混合区时，大小不一的煤粉球分布在渣油中, 其混合状态见图2。这种初混的油煤浆具有以下三个特点：① 煤粉球的边界层阻止渣油与煤粉球内煤粉的接触；② 初混的油煤浆一定的流动性，煤粉球的边界层很难被破坏；③ 煤粉在混合过程中由于重力的作用，很容易向下沉积在混捏机内腔底部。

为了得到混合均匀的油煤浆，在研究混合理论[2]的基础上，结合上述初混油煤浆的三个特点，混合区的结构设计中重点考虑了以下几个方面：① 混合区内结构要具有较强的剪切能力，也就是较强的分散能力，在混合过程中能够有效地将煤粉球进行破碎，使煤粉能够与渣油更加充分地接触、混合；② 混合区内结构要具有防止煤粉沉积的能力；③ 混合区内结构要具有较强的分布混合能力，即煤粉均匀地分布于渣油中的能力；④ 为了保证混合效果，需要煤粉与渣油在混合区内具有足够的混合时间进行混合，即要保证油煤浆在混合区内要有足够的停留时间。

综合以上分析，在混合区的机构设计中，设计了四组犁刀3，三组犁刀2，两组犁刀4以及溢流挡板5。犁刀3沿垂直混捏机轴方向由宽变窄，在混捏机轴旋转时具有较高的线速度，能够有效地对通过混捏机轴垂直截面的油煤浆进行分散混合。犁刀2既能推动油煤浆向出口方向流动，又能使煤粉有渣油在周向剧烈混合，防止了煤粉的沉积。犁刀4能够推动油煤浆的周向流动，能使煤粉在渣油中混合得更均匀。溢流挡板阻止了油煤浆直接从混捏机出口流出，高出溢流挡板的油煤浆从混捏机出口流出，低于溢流挡板的油煤浆在溢流挡板的阻挡作用下回流。回流过程中，回流的油煤浆与向前流动的油煤浆形成对流混合，提高了混合效果。同时，油煤浆的回流使油煤浆重复地在犁刀3、犁刀2及犁刀4的作用下混合，增加了停留时间，使混合更加充分。溢流挡板在设计时，底部与混捏机筒体内壁留有一弧形缺口，有效地防止了煤粉在溢流挡板底部的积聚。

2.2 混捏机其它结构分析及设计

2.2.1 脱气除尘口

煤粉在加入混捏机时是依靠重力流加入混捏机；渣油是通过加压加入混捏机。在煤粉与渣油混合的过程中，渣油会挥发出大量的油气，这些油气携带着微小的煤粉尘会反串至煤粉管道，在煤粉管道中与煤粉接触后温度急剧降低，粘度增大，粘黏在煤粉管道壁上造成堵管。为了防止油气向煤粉管道的反串，设置抽真空系统从脱气除尘口抽将油气抽出。

2.2.2 渣油口

渣油在加入混捏机时与煤粉会形成边界层，如果渣油从一个管道直接加入，会造成渣油入口处形成一个很大的边界层，如果这个边界层没有及时被破坏，后续的渣油就会沿边界层向两侧流动，不利于煤粉与渣油充分的混合。为解决上述问题，渣油从八个对称的小加油口加入，极大减小了渣油加入口边界层的尺寸，同时也提高了后续的混合效率。

2.2.3 煤粉口

设置了脱气除尘口后解决了煤粉管道堵管的问题，但在煤粉口与混捏机筒体的连接处，在经过一定的运行时间后会出现煤粉挂壁积聚的情况。为了解决这一问题，在煤粉口混捏机筒体的连接处的上方环绕煤粉口设置了若干冲洗口，定期对煤粉口进行冲洗，保证煤粉口畅通。

3 结语

在混合理论的指导下，分析煤粉与渣油混合的特点，针对性地设计了混捏机的结构及混合方案，解决了煤粉与渣油混合不均的问题，最终得到混合均匀的油煤浆。通过本文的分析及实际运行结果，可以得出以下结论：

(1)先加煤粉、后加渣油混合后的油煤浆均匀性要优于先加渣油、后加煤粉混合后的油煤浆。

(2)犁刀1对煤粉具有很好的轴向输送能力，有效地防止了渣油的回流。

(3)犁刀2对初混区煤粉与渣油的初混有很好的效果，能快速地使煤粉与渣油形成初混状态的油煤浆。

(4)犁刀3、犁刀2、犁刀4及溢流挡板的组合，很好地实现了分散混合能力、分布混合能力及停留时间几个因素的整合，有效地解决了初混油煤浆难以混合均匀的问题。

(5)脱气除尘口、渣油口及煤粉口的细节设计，有效地保障了混捏机的连续稳定运行。