煤漿槽攪拌器異?；蝿?dòng)分析處理與優(yōu)化

李 剛

（國能新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400）

引 言

國能新疆化工有限公司（簡稱國能新疆化工）68 萬t/a 煤基新材料項(xiàng)目以煤為原料生產(chǎn)180 萬t/a 甲醇，甲醇經(jīng)MTO 技術(shù)轉(zhuǎn)化為烯烴并進(jìn)一步生產(chǎn)聚乙烯、聚丙烯等終端產(chǎn)品。其中氣化裝置設(shè)置8 套煤氣化爐系統(tǒng)，采用GE 水煤漿加壓氣化工藝技術(shù)，包括煤漿制備、煤氣化、渣水處理等工藝單元，5 開3 備，生產(chǎn)合成氣規(guī)模為53 萬m3/h ，2017 年投入商業(yè)運(yùn)行。

煤漿制備是煤氣化工藝中的首要環(huán)節(jié)，將原料煤、水和添加劑加入磨機(jī)進(jìn)行研磨，從磨機(jī)出來的煤漿先緩存在磨機(jī)出料槽（簡稱小槽）中，由低壓煤漿泵送至給料煤漿槽（簡稱大槽），然后再由煤漿給料泵送給氣化爐。為使煤漿槽內(nèi)存儲(chǔ)的煤漿維持固液完全懸浮、煤漿濃度和粒度相對穩(wěn)定，在煤漿槽頂部設(shè)置有攪拌器。煤漿大槽攪拌器于2017 年正常投入運(yùn)行，從2017 年年底至2019 年年初，3 臺(tái)大槽攪拌器均發(fā)生多次異常晃動(dòng)，若大槽攪拌器發(fā)生故障停運(yùn)，會(huì)導(dǎo)致大槽內(nèi)水煤漿發(fā)生分層沉降，影響煤漿的特性，進(jìn)而影響氣化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。針對大槽攪拌器異?；蝿?dòng)的問題，國能新疆化工進(jìn)行了原因分析，并采取了相應(yīng)的應(yīng)急措施，同時(shí)提出了攪拌器的優(yōu)化升級方案，可為同類裝置問題的解決提供一定的借鑒意義。

1 煤漿槽攪拌器結(jié)構(gòu)

煤漿大槽攪拌器配置90 kW 電機(jī)，轉(zhuǎn)速25 r/min，設(shè)置有 2 層直徑 dj大均為 3 937 mm 的大槳葉和 1 層直徑為1 143 mm 的小槳葉，中層槳葉離地距離C大為3 000 mm，大槽直徑 D大為 11 m，全容積 V大為 1 372 m3，橢圓底，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 煤漿槽及攪拌器的結(jié)構(gòu)示意圖

2 攪拌器異常晃動(dòng)描述

攪拌器異?；蝿?dòng)示意圖見圖2。正常情況下，攪拌軸的位置與A-O 旋轉(zhuǎn)中心重合。異?；蝿?dòng)時(shí)，攪拌軸在槽體內(nèi)的位置由 A-O 偏移到 A-O1、A-O2進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)強(qiáng)烈的晃動(dòng)引起攪拌器機(jī)架晃動(dòng)，持續(xù)劇烈晃動(dòng)后，導(dǎo)致攪拌器減速機(jī)輸出軸齒輪、輸出軸軸承和兩端油封、減速機(jī)頂蓋緊固螺栓全部損壞，電機(jī)、減速機(jī)地腳螺栓全部松動(dòng)，造成攪拌器減速機(jī)損壞并停運(yùn)。

圖2 攪拌器異?；蝿?dòng)示意圖

為了保護(hù)攪拌器減速機(jī)在異?；蝿?dòng)時(shí)不受損壞，設(shè)置了電機(jī)的電流跳車保護(hù)連鎖，在后續(xù)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的多次異?；蝿?dòng)中，因有跳車保護(hù)，減速機(jī)損壞的現(xiàn)象基本消除。但跳車后再次啟動(dòng)攪拌器時(shí)，需要連續(xù)多次啟停，才能使攪拌器持續(xù)運(yùn)行。

3 攪拌器異?；蝿?dòng)原因分析

3.1 攪拌器運(yùn)行工況分析

在攪拌器運(yùn)行過程中，電機(jī)和減速機(jī)等傳動(dòng)部件自身軸承位置的振動(dòng)沒有發(fā)生異常，所以攪拌軸位置偏移不是由傳動(dòng)系統(tǒng)故障所致，最有可能是由于槳葉組件的異常受力或受力不均導(dǎo)致。

3.1.1 煤漿液位對攪拌器的影響

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在2018 年1 月發(fā)生的多次異常晃動(dòng)中，其中有幾次晃動(dòng)幾下后恢復(fù)正常，有4 次異?；蝿?dòng)導(dǎo)致攪拌器停車，發(fā)現(xiàn)當(dāng)大槽的液位在65%左右時(shí)發(fā)生的次數(shù)較多，而且此時(shí)的煤漿液面剛好位于攪拌器上層槳葉處，初步認(rèn)為是液面處的流體不穩(wěn)定導(dǎo)致了攪拌器槳葉的受力不均，最終引起了攪拌軸的偏移晃動(dòng)。該結(jié)論也得到了制造廠商的認(rèn)可，因此在后期的生產(chǎn)操作中，盡量避免攪拌器在大槽液位65%左右時(shí)運(yùn)行。但是經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)煤漿液位無論是在大幅高于65%還是大幅低于65%，攪拌器均發(fā)生了異?；蝿?dòng)，但是相比之前晃動(dòng)的次數(shù)有了下降。

從上述分析認(rèn)為，攪拌器的異?；蝿?dòng)可能與大槽的液位有一定的關(guān)系，但不是主要原因。

3.1.2 煤漿沉積對攪拌器的影響

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，攪拌器發(fā)生異?；蝿?dòng)時(shí)，均在大槽投用最初2 個(gè)月后，而前2 個(gè)月基本沒有發(fā)生，待攪拌器因故障停運(yùn)后，現(xiàn)場清理大槽，發(fā)現(xiàn)槽底沉積了大量的煤顆粒：在距底部5 m 左右的槽壁上開始有煤顆粒沉積，往下形成了厚度約1.3 m 的堆積層。3 個(gè)煤漿出料口布置于槽底的一側(cè)，煤漿從出料口流出，因此這一側(cè)煤顆粒沉積較少；另一側(cè)由于只受攪拌器的作用，煤漿的流動(dòng)性沒有出料側(cè)好，因此沉積較多，最終槽底形成了不規(guī)則的煤顆粒沉積物，厚度與筒體處一樣，約為1.3 m，煤漿槽底部干煤沉積示意圖見圖3。

圖3 煤漿槽底部干煤沉積示意圖

攪拌器的流體流向?yàn)檩S向流，煤漿軸向流的產(chǎn)生是由于煤漿對旋轉(zhuǎn)槳葉產(chǎn)生的升力的反作用力引起的。槽及攪拌器工作時(shí)煤漿從上部進(jìn)入，受到槳葉的作用向下流動(dòng)，碰到槽底后再折翻向上流動(dòng)，形成上下循環(huán)流。

如圖3 所示，假設(shè)槳葉兩側(cè)受力分別為F0、F1。如在運(yùn)行過程中槽底沒有沉積的煤顆粒，槽底的形狀應(yīng)是規(guī)則對稱的，F(xiàn)0和F1的大小基本相等，且槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中所受的力矩均衡，攪拌軸的旋轉(zhuǎn)中心就不會(huì)發(fā)生偏移。受槽底不規(guī)則沉積物的影響，槳葉兩側(cè)受力F0、F1的方向不一樣，大小可能也不一樣，這樣會(huì)使攪拌器槳葉在運(yùn)行過程中所受的力矩不一樣，從而導(dǎo)致了攪拌軸在旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生偏移，引起了攪拌器的異?；蝿?dòng)。由此可知，槽底沉積大量不規(guī)則的煤顆粒是導(dǎo)致攪拌器異?；蝿?dòng)的直接原因，也充分說明了在大槽運(yùn)行初期攪拌器沒有發(fā)生異常晃動(dòng)是因?yàn)槌跗诠薜壮练e的煤顆粒不多，對攪拌器的運(yùn)行影響不大。

3.2 煤漿槽內(nèi)煤顆粒沉積原因分析

大槽系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了煤顆粒沉積，根源上是攪拌器的工效沒有達(dá)到固液完全懸浮的要求。要使水煤漿中固體煤顆粒在槽內(nèi)不發(fā)生沉積、達(dá)到完全懸浮的狀態(tài)，則攪拌器的轉(zhuǎn)速必須大于攪拌器的臨界懸浮攪拌轉(zhuǎn)速，而槽和攪拌器的結(jié)構(gòu)尺寸、煤漿濃度、煤漿黏度、煤漿中固體顆粒大?。６确植迹?、固液相的密度差是影響臨界懸浮攪拌轉(zhuǎn)速的主要因素[1]。

3.2.1 操作參數(shù)分析

調(diào)查2018 年 1 月—11 月煤漿的特性數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)煤漿的濃度、黏度均能滿足初始設(shè)計(jì)的要求，而粒度分布中40 目的通過率不滿足初始設(shè)計(jì)90%～95%的要求，實(shí)際通過率最小為72.36%、最大為88.91%。根據(jù)設(shè)備制造廠和行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，煤漿槽攪拌器設(shè)計(jì)時(shí)一般選擇40 目粒徑作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。40 目顆粒實(shí)際通過率的降低，表示平均粒徑的增加。取40 目的通過率最高為95%，最低為72.36%，假設(shè)煤粒徑增大的部分介于14 目～40 目，取30 目粒徑為平均值，40 目對應(yīng)的粒徑 dp0為 0.38 mm，30 目對應(yīng)的粒徑為0.55 mm，增大后的平均粒徑dp1計(jì)算見式（1）：

根據(jù)式（2）計(jì)算粒徑的增大率為：

根據(jù)Zwietering 研究提出的固液懸浮攪拌臨界轉(zhuǎn)速NC經(jīng)驗(yàn)公式[2]得知，固液懸浮攪拌臨界轉(zhuǎn)速NC與粒徑dp0.2成正比關(guān)系。根據(jù)式（3）計(jì)算粒徑變化前后對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速比為：

式中：NC1——粒徑增大后對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速，r/min；

NC0——初始粒徑對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速，r/min。

同時(shí)根據(jù)攪拌器功率P 的計(jì)算公式[1]得知，攪拌功率與攪拌轉(zhuǎn)速NC的3 次方成正比關(guān)系，則根據(jù)式（4）計(jì)算粒徑變化前后對應(yīng)的攪拌功率比：

式中：P1——粒徑增大后所需的最小功率，kW；

P0——初始粒徑條件下所需的最小功率，kW。

因此從上述計(jì)算得知，粒徑變成原來的1.11 倍后，所需的懸浮攪拌臨界轉(zhuǎn)速是原來的1.02 倍，則對應(yīng)的攪拌功率是原來的1.06 倍?？梢娒簼{中固體顆粒粒徑的增大對攪拌器的轉(zhuǎn)速和功率影響不大，不足以導(dǎo)致攪拌器因異?；蝿?dòng)而停止正常運(yùn)行。

3.2.2 設(shè)備設(shè)計(jì)選型分析

由于該設(shè)備為進(jìn)口產(chǎn)品，設(shè)備供應(yīng)商不予提供相關(guān)設(shè)計(jì)選型數(shù)據(jù)，因此攪拌器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)速及功率等重要參數(shù)是否合理無法進(jìn)行核實(shí)。但是系統(tǒng)中6 套小槽系統(tǒng)在煤漿特性相同的情況下，一直運(yùn)行平穩(wěn)。對比發(fā)現(xiàn)大槽和小槽的槽徑比基本相等，并且均采用推進(jìn)式頂裝雙層槳葉攪拌器，只是制造廠商不同，因此以小槽的攪拌系統(tǒng)為試驗(yàn)系統(tǒng)，采用常用的攪拌器工業(yè)放大的相關(guān)理論，對大槽攪拌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的對比核算，從而分析大槽攪拌器的設(shè)計(jì)選型是否滿足要求。

3.2.2.1 幾何尺寸放大與對比

小槽直徑 D小為3.4 m，直段高度H小為3.86 m，全容積V小為40.6 m3，橢圓底。設(shè)有國產(chǎn)推進(jìn)式、頂裝式雙層槳葉攪拌器，配置22 kW 電機(jī)，雙層槳葉直徑dj小均為1.4 m，攪拌轉(zhuǎn)速為67 r/min，底層槳葉到罐底距離 C小為 560 mm。根據(jù)式（5）、式（6）、式（7）進(jìn)行放大計(jì)算：

放大計(jì)算的大槽直徑與實(shí)際直徑11 m 基本相等，而大槽槳葉的實(shí)際直徑為3.937 m，與放大計(jì)算的4.53 m 相差較大。

小槽系統(tǒng)中底層漿葉離底距離C小與槳葉直徑dj小之比為0.56/1.4=0.4，而大槽系統(tǒng)二者之比為3/3.937=0.76，說明大槽攪拌器的槳葉離底距離比小槽攪拌器的離底距離大的多，槳葉離底距離過大也會(huì)影響攪拌器的工效。

3.2.2.2 臨界懸浮的攪拌轉(zhuǎn)速對比分析

攪拌器的轉(zhuǎn)速是否大于固液臨界懸浮的攪拌轉(zhuǎn)速是衡量攪拌器放大后是否滿足工藝需求的決定性指標(biāo)。從Zwietering 研究提出的固液懸浮攪拌臨界轉(zhuǎn)速NC經(jīng)驗(yàn)公式中可知，臨界懸浮攪拌轉(zhuǎn)速與槽徑大小有一定的關(guān)系，隨著槽徑D 的變化，固體懸浮攪拌轉(zhuǎn)速NC也在變化，所以比擬放大后，需要有新的臨界攪拌轉(zhuǎn)速與之匹配，且滿足式（8）：

相關(guān)研究表明[2]，對于完全懸浮狀態(tài)下，當(dāng)用于容易懸浮的固液系統(tǒng)，指數(shù)選取-0.85；當(dāng)用于一般固液懸浮系統(tǒng)，指數(shù)選取-0.75；當(dāng)用于粗顆?；蚩焖俪两档墓桃合到y(tǒng)，指數(shù)選取-0.67。水煤漿具有快速沉降的特點(diǎn)，因此指數(shù)選取-0.67，根據(jù)式（9）計(jì)算放大后的攪拌轉(zhuǎn)速：

按照上述計(jì)算結(jié)果，大槽攪拌器的轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于31 r/min，而實(shí)際轉(zhuǎn)速為25 r/min，說明攪拌器的實(shí)際轉(zhuǎn)速小于大槽中水煤漿的固液完全懸浮臨界轉(zhuǎn)速，這是導(dǎo)致大槽內(nèi)煤顆粒大量沉積的根本原因。由于攪拌器槳葉直徑dj和攪拌器轉(zhuǎn)速N 的變化，攪拌器所需的功率P 也不滿足要求。

3.2.2.3 同類別攪拌系統(tǒng)對比分析

調(diào)查發(fā)現(xiàn)一用戶與國能新疆化工生產(chǎn)能力差別不大，其漿槽直徑D類為9.5 m，直段高度 H類為11.1 m，全容積V類為898 m3，設(shè)有相同制造商的攪拌器，配置 75 kW 電機(jī)，轉(zhuǎn)速為 31 r/min，設(shè)置有 2 層槳葉，攪拌器直徑為4 140 mm ，底層槳葉到罐底距離2 000 mm?？梢娫摬酃奕莘e比國能新疆化工的小，但攪拌器底層槳葉的直徑dj類與槽罐直徑D類之比為：4.140/9.5=0.436，卻比國能新疆化工的3.937/11=0.356 要大，轉(zhuǎn)速也比國能新疆化工的高。調(diào)查發(fā)現(xiàn)類比系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中水煤漿的特性參數(shù)里，除了平均黏度860 mPa·s 比國能新疆化工的低，其余特性參數(shù)基本接近，類比系統(tǒng)運(yùn)行一直正常。

另一用戶煤漿槽的幾何尺寸、攪拌器的型號(hào)、參數(shù)以及制造廠都與國能新疆化工的相同，在運(yùn)行過程中其煤漿的特性參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，但運(yùn)行過程中也出現(xiàn)了煤漿沉積現(xiàn)象，還出現(xiàn)了攪拌軸彎矩過大、導(dǎo)致攪拌軸彎曲報(bào)廢的現(xiàn)象。

3.3 原因分析小結(jié)

通過從工藝操作、設(shè)備選型和類似用戶等幾個(gè)方面進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：煤漿槽的液位、煤漿特性參數(shù)中粒徑的變大對攪拌器的運(yùn)行產(chǎn)生了一定的影響，但不足以導(dǎo)致大量煤漿沉積而引起攪拌器異?；蝿?dòng)。大槽攪拌器在初始設(shè)計(jì)選取的槳葉直徑過小、轉(zhuǎn)速過小、中層槳葉離底距離過大、功率的設(shè)置也不合理，所選攪拌器機(jī)型與煤漿槽的容積、槽徑等不匹配，是導(dǎo)致大量煤漿沉積而引發(fā)攪拌器異?；蝿?dòng)的根本原因。

4 處理措施

要解決攪拌器異?；蝿?dòng)的問題，需要解決攪拌器機(jī)型與煤漿槽幾何尺寸的不匹配問題，實(shí)施時(shí)間較長，但是企業(yè)的生產(chǎn)不能中斷，因此根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采取了應(yīng)急措施以暫時(shí)維持?jǐn)嚢杵鞯倪\(yùn)行。

4.1 應(yīng)急維持運(yùn)行措施

根據(jù)攪拌器軸流驅(qū)動(dòng)水煤漿的特性，采取在攪拌器槳葉驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)附加驅(qū)動(dòng)力，增加流體向上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，減小煤漿顆粒沉積的速度。具體措施為根據(jù)氣-液-固三相攪拌混合的原理，利用煤漿槽底部應(yīng)急用的氣體鼓動(dòng)系統(tǒng)，也就是利用煤漿槽底部設(shè)置的8 個(gè)空氣進(jìn)口（如圖4 所示）對煤漿進(jìn)行鼓動(dòng)。原始設(shè)計(jì)是為了在攪拌器短時(shí)間停用時(shí)，使用壓縮空氣對煤漿進(jìn)行鼓動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)防止煤漿中的顆粒大量沉積。分析認(rèn)為空氣進(jìn)口的位置位于攪拌器槳葉外側(cè)1 m 左右，剛好是處于流體向上運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，如果攪拌器在運(yùn)行的同時(shí)，在煤漿槽的底部通入壓縮空氣進(jìn)行鼓動(dòng)，從理論上來說有利于攪拌器的運(yùn)行和有效地抑制煤漿中固體顆粒的沉積速度。

圖4 通入壓縮空氣后煤漿槽內(nèi)的沉積示意圖

2019 年初經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單系統(tǒng)進(jìn)氣量在1 000 m3/h 左右時(shí)，能滿足攪拌器的正常運(yùn)行，且不影響煤漿特性參數(shù)。操作時(shí)需要注意的是，首先需將槽內(nèi)沉積物清空，在投入煤漿后，隨即將壓縮空氣投入槽內(nèi)，到達(dá)攪拌器啟動(dòng)液位后再啟動(dòng)攪拌器。該措施實(shí)施后，攪拌器發(fā)生異常晃動(dòng)的現(xiàn)象基本消除，再次停運(yùn)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)槽內(nèi)底部位置壓縮空氣進(jìn)口處基本沒有煤漿沉積，壓縮空氣沒有影響到的區(qū)域仍有厚度約1.0 m 的沉積量，但較為均勻，在大煤漿槽的壁上也有約1.0 m 厚的沉積量（如圖4 所示）。

由于底部的沉積狀態(tài)均勻，這也使得攪拌器槳葉對于罐底的作用力與反作用力相對均衡，所以未發(fā)生攪拌器異常偏心晃動(dòng)，目前國能新疆化工生產(chǎn)系統(tǒng)仍然采用上述措施維持生產(chǎn)。但煤漿沉積的問題沒有得到解決，這也再次驗(yàn)證了攪拌器初始設(shè)計(jì)選型的不合理。

4.2 攪拌系統(tǒng)優(yōu)化升級

如要從根源上解決攪拌器異?；蝿?dòng)的問題，在煤漿特性參數(shù)不能向有利于攪拌器運(yùn)行的方向進(jìn)行改善時(shí)，需解決攪拌器和煤漿槽的不匹配問題，以現(xiàn)有煤漿槽和煤漿特性為基礎(chǔ)，對攪拌器重新進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。原設(shè)備制造廠經(jīng)過論證計(jì)算，給出了優(yōu)化方案：配置132 kW 電機(jī)，轉(zhuǎn)速為31 r/min，設(shè)置有 2 層槳葉，底層槳葉直徑為4 300 mm、上層槳葉直徑為3 937 mm，底層槳葉到罐底距離2 300 mm，其他結(jié)構(gòu)尺寸和原攪拌器相同。此方案與上述分析中得出的數(shù)據(jù)相差不大，從理論上來說可行。

5 結(jié) 語

針對國能新疆化工煤漿槽攪拌器異?；蝿?dòng)的問題，從攪拌系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、設(shè)計(jì)選型、同類設(shè)備對比等方面進(jìn)行分析論證，找出了攪拌器異?；蝿?dòng)的根本原因是攪拌器機(jī)型與煤漿槽的容積、槽徑等不匹配。制定并實(shí)施了利用原煤漿槽底部應(yīng)急氣體鼓動(dòng)系統(tǒng)，為煤漿提供驅(qū)動(dòng)力，防止沉積的應(yīng)急措施，同時(shí)提出了攪拌器的優(yōu)化升級方案，理論上可從根源上解決煤漿沉積的問題。