間斷級(jí)配高濃度水煤漿制備技術(shù)應(yīng)用研究

王建軍，常 宣

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.陜西延長(zhǎng)石油榆林凱越煤化有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

水煤漿是由不同粒度分布的煤、一定量的水和添加劑經(jīng)過(guò)剪切等手段制備出的液態(tài)混合物，是一種新型低污染流體燃料或原料，既可作為液體燃料替代煤和石油用于燃燒又可替代煤用作氣化原料[1-4]。經(jīng)過(guò)30余年的研究與攻關(guān)我國(guó)水煤漿技術(shù)得到很大發(fā)展，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)與設(shè)備，水煤漿制備技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[5]。

水煤漿氣化技術(shù)在中國(guó)已經(jīng)取得成功且有大量應(yīng)用案例。從最初引進(jìn)的國(guó)外GE-Texaco氣化技術(shù)，到現(xiàn)在國(guó)內(nèi)自行開發(fā)的多元料漿氣化、多噴嘴氣化等技術(shù)都在大大小小煤化工企業(yè)成功開車[6，7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，我國(guó)以水煤漿進(jìn)料的氣化爐投產(chǎn)數(shù)量近500余臺(tái)，年耗煤漿量2億t 以上，且未來(lái)大型煤化工項(xiàng)目較多采用水煤漿氣化。因此，水煤漿技術(shù)在煤化工領(lǐng)域仍會(huì)不斷發(fā)展。水煤漿發(fā)展之初多以中等變質(zhì)程度的煤為主，但這類煤資源有限、價(jià)格高制約了水煤漿的發(fā)展。我國(guó)低階煤資源豐富，低階煤活性好、適于氣化，但含氧官能團(tuán)多、內(nèi)水含量高，屬于難成漿煤種，必須采用特殊的水煤漿制備工藝，才能制備出符合氣化要求的較高濃度水煤漿[8]。為此，煤科院在第一代單磨機(jī)制漿技術(shù)的基礎(chǔ)上，于2005年開發(fā)出了第二代分級(jí)研磨制漿技術(shù)[9]，該技術(shù)可以使同煤種的制漿濃度提高3個(gè)百分點(diǎn)左右，并廣泛用于水煤漿燃燒和氣化中。

為了進(jìn)一步提高水煤漿氣化效率[10-13]，煤科院于2015年開發(fā)了第三代間斷級(jí)配高濃度水煤漿制備技術(shù)，該技術(shù)可以使同煤種的低階煤制漿濃度在第二代制漿技術(shù)的基礎(chǔ)上再提高1～3個(gè)百分點(diǎn)[14]。2020年，該技術(shù)應(yīng)用于陜西延長(zhǎng)石油榆林凱越煤化有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“榆林凱越”)年產(chǎn)60萬(wàn)t甲醇項(xiàng)目制漿系統(tǒng)中[15，16]，取得了良好的效果。

1 間斷級(jí)配制漿技術(shù)

1.1 間斷級(jí)配制漿原理

水煤漿行業(yè)一般采用棒磨機(jī)或球磨機(jī)濕法磨礦制備水煤漿，其制備出的煤漿屬于連續(xù)粒度分布。第二代分級(jí)研磨提濃工藝是將棒磨機(jī)制備的部分煤漿加入臥式或者立式超細(xì)磨機(jī)中制備出細(xì)漿再返回到棒磨機(jī)系統(tǒng)，其仍屬于連續(xù)粒度分布。

間斷級(jí)配制漿工藝是針對(duì)改造和新建項(xiàng)目的煤化工企業(yè)為提高煤漿濃度從而提高氣化效率和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益而開發(fā)的第三代高濃度水煤漿制備技術(shù)。研究表明，在連續(xù)粒度分布中不適合成漿的粒級(jí)(0.075～0.1mm)煤粉占比較大，這是造成連續(xù)分布的煤粉成漿濃度低的主要原因。間斷級(jí)配制漿工藝即剔除連續(xù)分布中0.075～0.1mm的顆粒段，使粗顆粒的最小粒徑比細(xì)顆粒的最大粒徑大，實(shí)現(xiàn)雙峰分離。這種間斷粒度分布可以使細(xì)顆粒完全填充到粗顆粒中，使制備出的水煤漿有較高的濃度[17]。

1.2 間斷級(jí)配制漿工藝

采用間斷級(jí)配的方式制備水煤漿，就是要將粗煤粉粒度盡可能放大，細(xì)煤粉粒度足夠小，使得粗煤粉中的最小粒徑與細(xì)煤粉中的最大粒徑有間斷，這樣可以保證細(xì)煤粉能夠完全填充到粗煤粉中，進(jìn)而提高煤漿濃度。同時(shí)，間斷級(jí)配可以優(yōu)化煤漿的粒度分布，可使水煤漿分散體系形成良好的懸浮狀態(tài)，細(xì)顆粒對(duì)大顆粒具有一定的潤(rùn)滑與動(dòng)力耗散作用，能夠降低漿體的表觀黏度，改善煤漿流動(dòng)性和穩(wěn)定性。

間斷級(jí)配制漿技術(shù)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和煤質(zhì)的不同，共開發(fā)出三種制漿工藝[17，18]，該項(xiàng)目主要采用的制漿工藝如下：將破碎至一定粒度的原料煤、水、添加劑送入棒磨機(jī)中研磨后送入超細(xì)磨機(jī)中進(jìn)行超細(xì)研磨；利用新開發(fā)的選擇性高細(xì)破碎機(jī)將原煤破碎至一定粒度后，用篩分分級(jí)系統(tǒng)將煤粉分選成合格的粗粒級(jí)，再將超細(xì)研磨制備成的超細(xì)漿與粗粉進(jìn)行配漿，最終實(shí)現(xiàn)間斷級(jí)配制漿目的。制漿工藝如圖1所示。

圖1 間斷級(jí)配制漿工藝

2 工程概況

榆林凱越60萬(wàn)t/a甲醇項(xiàng)目制漿系統(tǒng)，設(shè)計(jì)之初采用常規(guī)棒磨機(jī)制漿工藝，成漿濃度僅為60%左右，且穩(wěn)定性和流動(dòng)性較差，氣化效率較低，氣化煤耗和氧耗偏高。榆林凱越于2019年采用煤科院第二代煤漿提濃技術(shù)對(duì)原有煤漿制備系統(tǒng)制漿工藝進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，增加超細(xì)磨機(jī)制備超細(xì)漿，具備了實(shí)現(xiàn)第三代間斷級(jí)配制漿的基本條件。

氣化車間煤漿制備系統(tǒng)共有3臺(tái)3.4m×5.8m的棒磨機(jī)，制漿系統(tǒng)以本地煤為原料(表1)，3臺(tái)棒磨機(jī)必須全開，才能滿足氣化系統(tǒng)水煤漿量的需求。由于沒有備車，如果單臺(tái)磨機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī)超過(guò)8h，氣化大煤漿槽液位就低于工藝指標(biāo)，這時(shí)后續(xù)氣化和合成就要降低負(fù)荷，影響后續(xù)產(chǎn)品產(chǎn)量。原有氣化車間場(chǎng)地緊張，不具備新增加一臺(tái)棒磨機(jī)的位置。為此，需結(jié)合現(xiàn)有場(chǎng)地情況制訂一套解決成品漿不足的方案。

表1 榆林凱越原料煤主要指標(biāo)

經(jīng)過(guò)深入的技術(shù)比較、分析和已具備的基本條件，決定采用煤科院“第三代間斷級(jí)配制漿技術(shù)”，新上一套水煤漿制備生產(chǎn)線。該項(xiàng)目利用氣化車間701系統(tǒng)原煤倉(cāng)下部閑置空間增加一套粗粉制備系統(tǒng)，從原煤倉(cāng)底部往下依次布置全封閉皮帶秤、一級(jí)反擊式破碎機(jī)、二級(jí)多輥式破碎機(jī)、粗粉振動(dòng)篩、雙軸攪拌器和均質(zhì)熟化槽，讓粗粉逐層下落，以現(xiàn)有702煤漿提濃系統(tǒng)的超細(xì)漿做支撐，在雙軸攪拌器混合攪拌并落至均質(zhì)槽中，在均質(zhì)槽中經(jīng)過(guò)攪拌熟化成為合格的成品漿。

3 運(yùn)行方式

3.1 原料煤準(zhǔn)備(以3#棒磨機(jī)故障檢修為例)

1#、2#、3#分別對(duì)應(yīng)三臺(tái)棒磨機(jī)，當(dāng)3#棒磨機(jī)需要檢修時(shí)，3#棒磨機(jī)處理的45t/h原煤分成兩部分，70%進(jìn)入新上的粗粉單元制備原料粗粉，30%的量平分進(jìn)入1#和2#棒磨機(jī)；三條線分配為：1#棒磨機(jī)的處理量為45t/h+(45t/h ×30%÷2)=51.75t/h，2#棒磨機(jī)生產(chǎn)線45t/h+(45t/h×30%÷2)=51.75t/h，新建三代配漿線為45t/h×70%=31.5t/h，細(xì)漿來(lái)自1#和2#棒磨機(jī)生產(chǎn)線，保證135t/h總投煤量不變。

3.2 超細(xì)煤漿制備

破碎后的原料煤輸送至1#和2#棒磨機(jī)，1#和2#棒磨機(jī)線保持原有生產(chǎn)模式，負(fù)荷由原來(lái)45t/h提高到51.75t/h，處理總煤量為103.5t/h，按設(shè)定的煤漿濃度加入水和添加劑，經(jīng)兩臺(tái)棒磨機(jī)研制成原料粗漿，自流落入煤漿緩沖槽。在煤漿緩沖槽抽出相當(dāng)于原煤37.82t/h的煤漿，經(jīng)過(guò)加水稀釋，在臥式細(xì)磨機(jī)中研磨成細(xì)漿；其中一半細(xì)漿去1#和2#棒磨機(jī)進(jìn)口用以提高煤漿濃度；另外一半細(xì)漿去新建系統(tǒng)的雙軸攪拌器處與粗粉攪拌制備成品水煤漿。按照間斷級(jí)配的粒徑要求，超細(xì)煤漿顆粒粒徑基本小于45μm。超細(xì)煤漿生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)見表2。

表2 超細(xì)磨機(jī)細(xì)漿的主要指標(biāo)

3.3 粗粉制備系統(tǒng)

在每個(gè)原煤倉(cāng)下部新增加3臺(tái)S630A/B/C皮帶秤，當(dāng)棒磨機(jī)檢修時(shí)，此棒磨機(jī)相對(duì)應(yīng)的新增皮帶秤將原料煤稱重后送入粗煤粉一級(jí)破磨機(jī)入口，經(jīng)一級(jí)、二級(jí)破碎并經(jīng)震動(dòng)篩分得到粒徑D97≤1mm的原料粗粉，最小粒徑不小于200μm。

3.4 細(xì)漿與粗粉的攪拌和均質(zhì)

合格的原料粗粉由于重力作用落入雙攪拌軸混合器與來(lái)自細(xì)磨機(jī)的超細(xì)煤漿按照6(粗粉)∶4(細(xì)漿)攪拌混合，超細(xì)煤漿與粗粉經(jīng)均質(zhì)槽進(jìn)行均質(zhì)和熟化，煤漿完全混合均勻后通過(guò)低壓煤漿泵輸送至氣化爐前大煤漿槽，作為氣化原料漿。由于細(xì)漿的顆粒粒徑基本小于45μm，粗粉的最小粒徑也在200μm以上，實(shí)現(xiàn)了中間粒徑的間斷，細(xì)顆?？梢酝耆畛涞酱诸w粒中，水煤漿濃度得到提高。

4 工藝性能分析

將本次實(shí)施的第三代間斷級(jí)配制漿工藝與常規(guī)第一代、第二代水煤漿制備工藝制備的水煤漿性能進(jìn)行了比較，結(jié)果見表3，粒度對(duì)比如圖2所示。

表3 三種水煤漿制漿工藝對(duì)比結(jié)果(白鷺礦和銀河礦1∶1混煤)

圖2 三種水煤漿制漿工藝的粒度對(duì)比

由表3可以看出，間斷級(jí)配制漿技術(shù)制備的水煤漿濃度最高、流動(dòng)性、穩(wěn)定性最好，噸漿電耗最低，是三種制漿工藝中最理想的制漿工藝。需要說(shuō)明的是：煤漿濃度與黏度關(guān)系密切，隨著煤漿濃度的提高，煤漿黏度增大，這與制漿工藝無(wú)關(guān)，表3中數(shù)據(jù)是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如果要統(tǒng)一表觀黏度，那就是小于1300mPa·s即可。

通過(guò)圖2可以看出，常規(guī)單棒磨機(jī)制漿工藝和第二代分級(jí)研磨制漿工藝中的煤漿顆粒是連續(xù)粒度分布，而間斷級(jí)配高濃度水煤漿制備技術(shù)制備的水煤漿，由于引入細(xì)磨機(jī)和專用破碎機(jī)設(shè)備，水煤漿的中間顆粒有所減少，細(xì)漿顆粒和粗粉顆粒略有增加。該技術(shù)將選擇性粗磨制得的粗粉和細(xì)磨機(jī)制備的細(xì)漿進(jìn)行有機(jī)組合，煤漿濃度可提高5個(gè)百分點(diǎn)左右，整體粒徑變細(xì)，-45μm的粒徑明顯增加，氣化燒嘴的流變性和霧化性能顯著改善。從而實(shí)現(xiàn)不同粒級(jí)煤顆粒的分級(jí)與研磨，通過(guò)調(diào)整超細(xì)磨煤漿的配入比例，可以調(diào)整水煤漿制備過(guò)程的濃度和流動(dòng)性，同時(shí)整體綜合磨礦效率大幅提高，制漿所需的電耗與常規(guī)單磨機(jī)制漿工藝對(duì)比略有降低。

5 結(jié) 語(yǔ)

該技術(shù)可以分別針對(duì)新建項(xiàng)目和改造項(xiàng)目制定不同的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，在工業(yè)推廣中能夠因地制宜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇合適的技術(shù)，也為制漿技術(shù)多元化打開了新的思路。榆林凱越一年多的運(yùn)行情況表明，該套工藝滿足單臺(tái)棒磨機(jī)檢修時(shí)，可以向氣化系統(tǒng)提供足量、合格的成品水煤漿，保證氣化系統(tǒng)和甲醇合成系統(tǒng)負(fù)荷不減量，達(dá)到了預(yù)期的效果。