煤漿制備裝置的設(shè)備布置及管道布置淺析

韓 建 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

近年來，國(guó)內(nèi)煤化工產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇等技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。在這些技術(shù)中，水煤漿氣化技術(shù)是國(guó)內(nèi)工業(yè)應(yīng)用最廣泛、行業(yè)認(rèn)知度最高的一類成熟煤氣化技術(shù)[1]。煤漿制備單元是水煤漿氣化技術(shù)的一個(gè)主要部分，主要作用是為后續(xù)氣化單元提供合格、穩(wěn)定的水煤漿原料。它的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)氣化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行具有重大的意義。下面以某項(xiàng)目煤漿制備單元為例，同時(shí)對(duì)比其它類似項(xiàng)目，對(duì)煤漿制備單元的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和注意事項(xiàng)進(jìn)行分析、探討。

1 工藝原理

該單元采用國(guó)內(nèi)某專利商的工藝技術(shù)，它將從原料貯存與制備工序輸送來的煤塊(<25mm)經(jīng)稱重給料機(jī)控制輸送量送入磨煤機(jī)。物料在磨煤機(jī)中與新鮮水和其它單元輸送來的廢水混合后進(jìn)行濕法磨煤(為了控制煤漿粘度及保持水煤漿的穩(wěn)定性需加入添加劑)。出磨煤機(jī)的煤漿濃度約60%～62%，依靠重力流入磨機(jī)出料槽中，磨機(jī)出料槽攪拌器使煤漿均化并保持懸浮狀態(tài)。合格的煤漿再經(jīng)低壓煤漿泵加壓后送至煤漿槽儲(chǔ)存，再經(jīng)高壓煤漿泵輸送至氣化爐工藝燒嘴[2]。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢煤漿通過地溝排入廢漿池，然后通過廢漿池泵返回磨煤機(jī)中重復(fù)利用。本單元整體的工藝流程示意見圖1。

圖1 煤漿制備工藝流程簡(jiǎn)圖

2 設(shè)備布置

設(shè)備布置除了嚴(yán)格按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》及其它現(xiàn)行有效的相關(guān)規(guī)定外，還應(yīng)滿足工藝專業(yè)的特殊要求，并遵守如下原則[3]：

(1)根據(jù)業(yè)主要求及現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行布置。

(2)滿足設(shè)備的安裝、操作、檢修要求。

(3)力求經(jīng)濟(jì)合理，注意布置的外觀美觀。

(4)滿足“露天化、流程化、集中化、模塊化”的要求。

在遵守上述原則的同時(shí)，設(shè)備布置還需考慮裝置的具體特點(diǎn)，因地制宜合理布局。

2.1 主要設(shè)備

為使布置集中化，節(jié)約占地，該煤漿制備單元主要設(shè)備除了磨煤機(jī)、低壓煤漿泵和廢漿池等設(shè)備外，還包含工藝氣化單元的煤漿槽和高壓煤漿泵。

2.2 磨煤機(jī)的布置

“煤漿制備單元”設(shè)備布置的首要重點(diǎn)在于磨煤機(jī)位置的確定，其次再根據(jù)工藝流程依次相應(yīng)地布置磨機(jī)出料槽、低壓煤漿泵、高壓煤漿泵、煤漿槽等設(shè)備。通常，化工項(xiàng)目煤漿制備單元采用需添加鋼棒的棒磨機(jī)，本項(xiàng)目磨煤廠房的布置見圖2。

圖2 設(shè)備布置圖(二層)

煤漿制備單元與它的上一工序(“原料貯存與準(zhǔn)備單元”)的聯(lián)系非常密切，針對(duì)煤漿制備的工藝特點(diǎn)及煤漿的特性，在確定磨煤機(jī)位置時(shí)需重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：

(1)防止雨水和冬季的低溫對(duì)生產(chǎn)合格的水煤漿造成影響，磨煤機(jī)及低壓煤漿泵一般布置在廠房?jī)?nèi)，并根據(jù)用地情況、設(shè)備大小及數(shù)量、工藝流程合理規(guī)劃廠房。

(2)確定磨煤廠房與原料貯存與準(zhǔn)備廠房的相對(duì)位置關(guān)系。通常磨煤廠房緊鄰原料貯存與準(zhǔn)備(701)廠房，磨煤機(jī)在布置時(shí)其進(jìn)料部位應(yīng)靠近(701)廠房這一側(cè)，以保證稱重給料機(jī)輸出的煤能夠順利通過溜管，依靠重力滑入磨煤機(jī)中。

(3)磨煤機(jī)四周應(yīng)留有足夠?qū)挼臋z修通道。磨煤機(jī)機(jī)身需檢修維護(hù)的部位較多，周圍應(yīng)留足夠的通道方便巡檢和設(shè)備檢修。同時(shí)，磨煤機(jī)一般與稱重給料機(jī)對(duì)齊布置，磨煤機(jī)的位置也影響著稱重給料機(jī)位置的確定，此處應(yīng)與粉體專業(yè)溝通，充分考慮磨煤機(jī)與煤稱重給料機(jī)周圍的檢修通道。

(4)磨煤機(jī)出口的煤漿依靠重力自流至磨機(jī)出料槽，因此磨煤機(jī)及二層廠房的高度需根據(jù)磨機(jī)出料槽的高度及其檢修空間來確定。

2.3 其它相關(guān)設(shè)備的布置

本項(xiàng)目共計(jì)兩臺(tái)磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)磨機(jī)出料槽和兩臺(tái)低壓煤漿泵，磨煤機(jī)和低壓煤漿泵都為一開一備。同時(shí)，由于項(xiàng)目規(guī)劃有二期，布置需兼顧二期的規(guī)劃，整體的設(shè)備布置圖見圖3。

圖3 設(shè)備布置圖(一層)

結(jié)合設(shè)備布置的相關(guān)要求及本項(xiàng)目的特點(diǎn)，本單元設(shè)備的布置重點(diǎn)考慮了以下幾點(diǎn)：

(1)為防止冬季氣溫過低帶來的不利影響，添加劑槽、研磨水槽、廢漿池及相關(guān)的泵需布置在室內(nèi)。但整體布置在磨煤廠房?jī)?nèi)無疑會(huì)增加廠房的投資，可單獨(dú)設(shè)置泵房容納。同時(shí)，實(shí)際中發(fā)現(xiàn)原料貯存與準(zhǔn)備廠房底層比較空曠，設(shè)計(jì)時(shí)也可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況跟相關(guān)專業(yè)溝通，考慮將這些設(shè)備布置到此處，以節(jié)省泵房的占地和投資。

(2)泵房的寬度及設(shè)備的位置需考慮添加劑配制的操作空間。

(3)高壓煤漿泵亦在室內(nèi)布置，廠房及泵房共用一個(gè)管廊，管廊可借助泵房頂部設(shè)置以節(jié)省占地和投資。

(4)布置時(shí)需兼顧二期廠房及設(shè)備占地的情況。本單元一期規(guī)劃在煤漿槽以東，二期規(guī)劃在煤漿槽以西，一期二期共用同一煤漿槽及管廊。

(5)煤漿槽附近與氣化裝置間設(shè)置跨路的桁架，供煤漿輸送管線及煤漿回流管線使用。

2.4 生產(chǎn)檢修空間及通道的規(guī)劃

設(shè)備布置除滿足工藝要求外，還應(yīng)滿足日常操作、檢修及施工安裝的要求，提供必要的吊裝、檢修、拆卸所需要的場(chǎng)地、空間和通道。磨煤機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常需要檢修及添加鋼棒，槽罐的攪拌器、泵電機(jī)需要檢修維護(hù)，停車時(shí)高壓煤漿泵的氣缸容易堵塞。因此，檢修方案的規(guī)劃布置在煤漿制備單元顯得比較重要，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：

(1)磨煤機(jī)檢修件及鋼棒較重，應(yīng)選用行車作為檢修設(shè)施，且行車需滿足最大檢修件重量的要求。行車司機(jī)室的位置應(yīng)反饋給設(shè)備廠商并表示在布置圖中，以保證現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際與設(shè)計(jì)規(guī)劃一致，同時(shí)還需設(shè)置通往司機(jī)室的樓梯。

(2)吊裝孔靠近大門設(shè)置，其大小需滿足磨煤機(jī)最大檢修件的體積及鋼棒長(zhǎng)度的要求。

(3)根據(jù)加棒機(jī)長(zhǎng)度及生產(chǎn)中樓面需堆放鋼棒的需求，確定出合理的樓面大小。

(4) 高壓煤漿泵上方設(shè)置檢修用的電動(dòng)葫蘆，其它小型動(dòng)設(shè)備上方可設(shè)置檢修梁，以便需要時(shí)懸掛起重葫蘆，但需注意預(yù)留足夠的檢修空間。

(5)合理規(guī)劃通道的位置，使巡檢、檢修通暢便捷，廠房門的高和寬需考慮檢修件的最大體積，并向建筑專業(yè)提出建議。

(6)槽罐頂部的攪拌器需考慮其檢修拆卸，空間不夠時(shí)可在屋面或樓面開孔。

磨機(jī)出料槽攪拌器在規(guī)模接近的不同項(xiàng)目中的檢修布置方案對(duì)比見圖4。

圖4 磨機(jī)出料槽攪拌器兩種檢修方案的對(duì)比

圖4左圖中，攪拌器上方留出了足夠大的檢修空間，供磨機(jī)出料槽及其攪拌器檢修，但拆卸吊裝不方便，且要求二樓有較高的層高(為EL10.2m)，增加了投資。右圖中，采用在樓面開大孔的辦法，可以使用行車吊裝、移動(dòng)攪拌器，操作方便，同時(shí)可以降低二層樓面標(biāo)高(為EL8.2m)。二層樓面標(biāo)高降低后，原料貯存與準(zhǔn)備廠房高度也相應(yīng)降低，能有效節(jié)省投資、降低成本。二層樓面開孔后現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況見圖5。

圖5 二層樓面開檢修孔

考慮巡檢的便捷性，廠房?jī)?nèi)二層樓面至原料貯存與準(zhǔn)備廠房的平臺(tái)推薦采用斜梯，不建議用直爬梯，見圖6。

圖6 廠房間的斜梯

磨煤機(jī)基礎(chǔ)頂部容易聚集泄漏出來的煤漿，同時(shí)，磨煤機(jī)筒體上的螺栓經(jīng)常需要緊固，因此可考慮設(shè)斜梯至其基礎(chǔ)頂部，方便清理和檢修，見圖7。

圖7 檢修用斜梯

同時(shí),在磨煤機(jī)基礎(chǔ)上做一圈圍堰，并接管引至地溝，能有效避免泄露的煤漿亂流，污染一層地面。

3 管道布置

管道設(shè)計(jì)時(shí)除了滿足管道儀表流程圖和相關(guān)規(guī)范外，還應(yīng)做到經(jīng)濟(jì)美觀、安全可靠、便于操作、維修與施工方便[4]。同時(shí)也要考慮管道內(nèi)介質(zhì)的成分、溫度、壓力和各種組分特性，以保證管道布置更加合理。

3.1 管道布置的要求

水煤漿為液體和固體顆粒組成的懸浮液，具有高粘度、高磨蝕等特性，管線極易發(fā)生堵塞或管件磨損，典型水煤漿介質(zhì)管道內(nèi)流速對(duì)管道磨蝕和輸送的影響見表1。

水煤漿在管道內(nèi)的流速一般都選擇在0.5～1 m/s之間，在工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)操作時(shí)，管道內(nèi)水煤漿流速低于臨界速度的運(yùn)行是要絕對(duì)避免的，同時(shí)也要避免管道內(nèi)水煤漿流速過快造成輸送管道嚴(yán)重磨蝕和流速較慢造成水煤漿的沉淀。考慮到煤漿的特性，本單元在配管設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1) 煤漿管道上的切斷閥應(yīng)選用球閥，以保證閥門的密封性能和較大的流通面積。

(2)為防止彎頭磨損，所有彎頭需選用長(zhǎng)半徑彎頭(R=3D～5D)，同時(shí)彎頭數(shù)量盡量要少[5]。

(3)沖洗口應(yīng)設(shè)于水平道的上部，排污口從水平管道側(cè)面或沿管底切線方向水平接出，切斷閥與主管間的距離要盡量短，以防止煤漿沉淀導(dǎo)致堵塞。

(4)管道應(yīng)避免不流動(dòng)區(qū)域，配管時(shí)盡量依照“步步高”或“步步低”的原則，避免出現(xiàn)袋形。

(5) 較長(zhǎng)距離的水平管道應(yīng)設(shè)置小于千分之五坡度，溫度計(jì)和壓力計(jì)的分支管道長(zhǎng)度越短越好，水平管道上的儀表必須安裝在管道頂部[6]，豎直管道上的溫度計(jì)和壓力計(jì)必須斜向上45°安裝。

3.2 管道布置的注意事項(xiàng)

綜合設(shè)計(jì)時(shí)所遇到的問題和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，煤漿制備單元配管設(shè)計(jì)時(shí)除了需滿足工藝流程和其它相關(guān)要求之外，還需注意以下幾點(diǎn)：

(1)從高壓煤漿泵到氣化爐的煤漿管線較長(zhǎng)，管線需有一定的柔性。同時(shí)，高壓煤漿泵為隔膜往復(fù)泵，震動(dòng)頻率較固定，其進(jìn)出口管道支架制作需結(jié)實(shí)可靠。

(2)煤漿槽和磨機(jī)出料槽底部的出料口一般與放料閥直連，這兩臺(tái)設(shè)備的管口方位圖中需表示出設(shè)備口螺栓孔跨中均布的角度，避免設(shè)備廠商按其它角度跨中均布螺栓，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)放料閥安裝后的角度與配管設(shè)計(jì)的角度不一致。磨機(jī)出料槽管口方位及放料閥的實(shí)物見圖8。

圖8 磨機(jī)出料槽管口方位圖及放料閥

(3)煤漿管線上的排污口和沖洗口應(yīng)盡量布置在管線兩端，以保證管道沖洗時(shí)將管道內(nèi)部沉積的煤渣盡可能全部沖出來，以避免無法清理的死區(qū)。

(4) 沖洗水的連接形式一般采用臨時(shí)連接，需要時(shí)通過軟管連接到水煤漿管道上，不用時(shí)將軟管拆除，這樣能節(jié)省很多沖洗管道，從而節(jié)省投資。但實(shí)際應(yīng)用中反饋：臨時(shí)連接的沖洗水口操作極為不便，尤其是在磨機(jī)出料槽裙座內(nèi)部的沖洗水接口處，軟管的安裝、拆卸都比較困難。本單元設(shè)計(jì)時(shí)可考慮與工藝專業(yè)溝通，設(shè)置雙切斷閥+檢查閥做成永久連接，詳見圖9。

圖9 煤漿管線沖洗水配管形式對(duì)比

(5)由于煤漿制備廠房?jī)?nèi)較臟，漏出來的煤漿容易在廠房?jī)?nèi)地面聚集，因此，地溝的規(guī)劃除了需保證所有管線排污口都接入地溝外，還應(yīng)考慮到地面的死區(qū)，同時(shí)地溝應(yīng)有≥1%的坡度，以保證排放到地溝的煤漿能順利流動(dòng)。

(6)配管時(shí)需注意為設(shè)備檢修預(yù)留足夠的空間，避免配管阻礙檢修部件的拆卸起吊。磨煤機(jī)機(jī)身頭部和尾部的軸瓦在停車時(shí)需拆卸檢修，因此，配管時(shí)需特別關(guān)注這兩個(gè)部位。

機(jī)尾部位添加劑、水和煤漿管線在不同項(xiàng)目上的配管布置對(duì)比見圖10。

圖10 磨煤機(jī)尾部軸瓦處兩種配管對(duì)比

圖10的左圖中管線正好位于進(jìn)料口軸瓦上方，阻擋了行車起吊拆卸后軸瓦，檢修不便。右圖中管線布置在平臺(tái)的下方，并局部做π形避開溜管，軸瓦上方無任何阻擋，檢修方便。同時(shí)，這樣布置管道的另一個(gè)好處是，管線在上翻接入下料斗的時(shí)候，不會(huì)阻擋上方平臺(tái)的通道，如圖11中所示。

圖11 兩種配管方式對(duì)平臺(tái)通道的影響

磨煤機(jī)頭部抽氣管道兩種配管的對(duì)比見圖12。

圖12 磨煤機(jī)頭部抽氣管道兩種配管的對(duì)比

圖12左圖中抽氣主管線布置于磨煤機(jī)加棒口正上方，配管簡(jiǎn)單美觀，但上方的主管道在一定程度上阻礙行車吊鉤，對(duì)加棒口軸瓦的檢修存在一定影響。右圖中抽氣主管布置于磨煤機(jī)下方，各磨煤機(jī)的抽氣支管下翻穿過樓面接入總管。加棒口軸瓦檢修時(shí)，將上方管段從法蘭處拆掉即可，此布置方案雖然增加了彎頭的數(shù)量，但在檢修加棒口軸瓦時(shí)，機(jī)頭上方無任何阻擋，檢修非常方便。

4 結(jié)語

煤漿制備單元的工藝流程并不復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量也相對(duì)較少。但水煤漿很臟，其高磨蝕、易堵塞的特性，決定本單元設(shè)備、管道檢修維護(hù)的頻率較高。如何讓設(shè)備布置和管道設(shè)計(jì)更加合理，讓操作、檢修更加便捷，是本單元設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮的問題。根據(jù)以上對(duì)設(shè)備布置和管道布置的討論，可以歸納總結(jié)如下：

(1)磨煤機(jī)應(yīng)盡可能靠近原料貯存與準(zhǔn)備單元布置，四周需留有足夠的檢修通道。

(2)磨機(jī)出料槽頂部二層樓面開孔，依靠行車檢修吊裝攪拌器會(huì)更加便捷，同時(shí)可以降低樓面標(biāo)高，節(jié)省投資。

(3)與放料閥直連的設(shè)備管口，在設(shè)備管口方位圖中需表示出螺栓孔跨中均布的角度。

(4)應(yīng)根據(jù)工藝要求結(jié)合實(shí)際的操作情況，合理地設(shè)置沖洗水接頭位置。考慮到操作的方便性，本單元沖洗水系統(tǒng)宜做成永久連接。

(5)磨煤機(jī)抽氣主管宜布置在磨煤機(jī)下方，各支管下翻穿過樓面接入總管，并設(shè)置可拆卸短節(jié)，方便加棒口軸瓦檢修。尾部軸瓦附近的管道，宜布置在平臺(tái)下方，方便后軸瓦檢修和平臺(tái)巡檢通道的通暢。