水煤漿加壓氣化裝置煤漿制備單元存在的問題分析及改造措施

董 岳

(國能新疆化工有限公司 新疆烏魯木齊 830000)

國能新疆化工有限公司680 kt/a 煤基新材料項目的氣化裝置采用GE 水煤漿加壓氣化技術(shù),于2016 年5 月投入運(yùn)行,由煤漿制備、氣化、渣水處理、污水預(yù)處理等4 個單元組成。 煤漿制備單元配置6 條棒磨機(jī)(Φ4.0 m×6.0 m)生產(chǎn)線,5 開1 備。 原料煤采用新疆本地的紅沙泉煤和黑山煤混配,其中紅沙泉煤占比≥60%。 紅沙泉煤屬于中低階煤,含水量高,成漿性差,哈氏可磨性指數(shù)高(120);黑山煤成漿性好,哈氏可磨性指數(shù)低(60)。 因兩種煤性質(zhì)差別大,在制漿過程中存在諸多問題。

1 煤漿制備單元工藝流程

煤漿制備單元工藝流程見圖1。

圖1 煤漿制備單元工藝流程

原料煤經(jīng)皮帶輸送進(jìn)入原料煤煤倉后,經(jīng)煤稱重給料機(jī)稱重后送入棒磨機(jī),添加劑經(jīng)計量泵送入棒磨機(jī)。 來自甲醇制烯烴裝置的工藝廢水、污水裝置的優(yōu)質(zhì)再生水、制漿廢水在研磨水槽內(nèi)混合后,由研磨水泵送入棒磨機(jī)。 原料煤、研磨水和添加劑按一定比例混合,通過棒磨機(jī)磨成一定濃度的水煤漿。 棒磨機(jī)出口設(shè)置滾筒篩,用于篩除粗煤顆粒和雜物,水煤漿自流入磨機(jī)出料槽。磨機(jī)出料槽內(nèi)的水煤漿由低壓煤漿泵輸送至設(shè)置在煤漿槽頂部的二級滾筒篩內(nèi),對水煤漿中可能殘留的粗煤顆粒和雜物進(jìn)行二次篩除,合格的水煤漿自流入煤漿槽內(nèi)短暫儲存,最后由高壓煤漿泵送至氣化爐。

2 制漿過程中存在的問題及原因分析

水煤漿加壓氣化裝置煤漿制備單元自2016 年5 月投入運(yùn)行以來,存在煤漿含量偏低的問題,造成氣化爐氧耗、煤耗偏高,合成氣有效氣含量偏低;高壓煤漿泵墊缸導(dǎo)致氣化爐跳車頻發(fā),煤漿槽攪拌器頻繁過載跳車,棒磨機(jī)筒體漏漿嚴(yán)重,制約著裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 煤漿含量偏低

國能新疆化工有限公司的水煤漿加壓氣化裝置自原始開車以來,煤漿含量一直偏低,最高僅能達(dá)到60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。 根據(jù)水煤漿成漿機(jī)理[1],影響煤漿含量的因素有煤質(zhì)、水煤漿添加劑以及煤漿粒度分布、黏度和溫度等。

(1)煤質(zhì)

國能新疆化工有限公司原料煤采用紅沙泉煤和黑山煤兩種煤摻配。 紅沙泉煤含水量高、成漿性差,單一紅沙泉煤制得的水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)約56%;黑山煤含水量低、成漿性好。 在紅沙泉煤中摻入一定比例的黑山煤后,可以有效改善紅沙泉煤的成漿性,提高煤漿含量。 但兩種煤的煤灰黏溫特性差異較大,摻燒后氣化爐運(yùn)行不穩(wěn)定,且兩種煤價格相差較大。 通過一年多的運(yùn)行分析,總結(jié)得出紅沙泉煤與黑山煤按質(zhì)量比6 ∶4摻混,運(yùn)行效果較好。

(2)水煤漿添加劑

國能新疆化工有限公司選用的水煤漿添加劑為木質(zhì)素系和萘系,按質(zhì)量比7 ∶3混配后使用。萘系添加劑具有很好的分散性,可以有效降低煤漿黏度,使煤漿含量得到提高,但其價格較高。 經(jīng)綜合評價,通過提高水煤漿添加劑中萘系比例來提高煤漿含量,經(jīng)濟(jì)性不合理。

(3)煤漿粒度分布

粒度分布是影響水煤漿含量的主要因素。 不同粒徑的煤粉顆粒要有合理的分布,使大顆粒間的空隙被小顆粒填充,以降低空隙的含水量,從而提高煤漿含量。 紅沙泉煤的可磨性指數(shù)高,棒磨機(jī)鋼棒裝填量為110 t 時便能滿足粒度分布要求。紅沙泉煤與黑山煤摻配后,因黑山煤可磨性指數(shù)低,棒磨機(jī)鋼棒裝填量依舊維持在110 t 時,棒磨機(jī)滾筒篩篩出的粗顆粒多,粒徑44 μm(325 目)顆粒的通過率約30%,煤粉顆粒偏粗,影響煤漿含量。

(4)煤漿黏度

在制漿過程中,煤漿黏度隨著煤漿含量的增大而增大。 水煤漿氣化工藝要求煤漿具有較低的黏度,以便于泵的輸送。 即在滿足泵送的前提下,可以適當(dāng)提高黏度,達(dá)到提高煤漿含量的目的。國能新疆化工有限公司的水煤漿黏度為600 ～800 mPa·s,流動性較好,低壓煤漿泵、高壓煤漿泵運(yùn)行正常。 理論上可以將煤漿黏度提高至1 000～1 200 mPa·s,但實際運(yùn)行中煤漿黏度超過800 mPa·s 時,二級滾筒篩會出現(xiàn)嚴(yán)重的跑漿現(xiàn)象。 若能解決二級滾筒篩跑漿的問題,煤漿含量可以得到提高。

(5)煤漿溫度

趙國華等[2]的研究表明,煤漿溫度為5 ～55 ℃時,煤漿黏度隨溫度的升高而降低,所以提高溫度也是提高煤漿含量的方法之一。 國能新疆化工有限公司的煤漿溫度為30 ～35 ℃,若能通過有效措施將此溫度提高至50～55 ℃,不僅煤漿含量會得到提高,而且能獲得降低氣化爐氧耗和煤耗的效果。

2.2 高壓煤漿泵墊缸導(dǎo)致氣化爐跳車

國能新疆化工有限公司氣化裝置的高壓煤漿泵采用GEHO 往復(fù)式隔膜泵,2019 年前出現(xiàn)高壓煤漿泵墊缸和入口堵塞導(dǎo)致煤漿流量低觸發(fā)氣化爐跳車事故達(dá)22 次,嚴(yán)重影響氣化爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行。 通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),發(fā)生高壓煤漿泵墊缸的原因是煤漿中存在大的煤顆粒及金屬雜物,造成高壓煤漿泵單向閥無法正?；刈?引起打量不足。 另外,煤漿中存在沉積的硬塊煤漿,阻塞高壓煤漿泵入口通道,也是造成打量不足的重要原因之一。

(1)煤漿中大的煤顆粒和金屬雜物的來源

棒磨機(jī)在正常運(yùn)行過程中,少量未得到充分研磨的大的煤顆粒以及斷棒、鐵絲等金屬雜物會通過棒磨機(jī)滾筒篩篩出,從設(shè)置在滾筒篩出口的大顆粒下料管排出并進(jìn)入收集槽。 通過實際調(diào)查發(fā)現(xiàn),大顆粒下料管設(shè)置的坡度過緩,被煤漿包裹的大顆粒進(jìn)入下料管后流動緩慢,易粘接在下料管內(nèi)部,造成下料管堵塞。 大顆粒下料管與煤漿下料通道間設(shè)置有下料擋板,下料擋板與滾筒篩之間存在約20 mm 空隙。 在大顆粒下料管內(nèi),物料堆積到一定高度后,無法正常排出的大顆粒和金屬雜物通過滾筒篩與下料擋板間的空隙進(jìn)入煤漿下料通道內(nèi),與煤漿一起進(jìn)入磨機(jī)出料槽內(nèi),再由低壓煤漿泵輸送至二級滾筒篩。 二級滾筒篩大顆粒下料管也存在同樣的問題,因此大的煤顆粒和金屬雜物最終進(jìn)入煤漿槽內(nèi)。

(2)煤漿槽內(nèi)煤漿硬塊產(chǎn)生的原因

在煤漿制備工藝流程中設(shè)置有直徑為11 m的煤漿槽,棒磨機(jī)制取的合格水煤漿在進(jìn)入高壓煤漿泵前需要在煤漿槽內(nèi)短暫緩存。 為防止煤漿長時間靜置沉積,煤漿槽內(nèi)設(shè)有攪拌器。 現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),在攪拌器運(yùn)行狀態(tài)下,煤漿槽內(nèi)近槽壁2 m 范圍內(nèi)的煤漿處于靜止?fàn)顟B(tài)。 與同類裝置煤漿槽和攪拌器相關(guān)參數(shù)對比,發(fā)現(xiàn)國能新疆化工有限公司的煤漿槽幾何尺寸與攪拌器機(jī)型不匹配[3],靠近煤漿槽內(nèi)壁2 m 范圍內(nèi)的煤漿長時間靜止后沉積形成硬塊,并由槽底沿著槽壁逐漸堆積,達(dá)到一定高度后脫落,隨煤漿一起進(jìn)入高壓煤漿泵入口,阻塞高壓煤漿泵入口通道。

2.3 煤漿槽攪拌器頻繁過載跳車

2019 年之前,氣化裝置3 臺煤漿槽攪拌器頻繁出現(xiàn)過載跳車,嚴(yán)重威脅氣化爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 經(jīng)調(diào)查分析后確定是煤漿槽幾何尺寸與攪拌器機(jī)型不匹配所致[3],在實際運(yùn)行過程中表現(xiàn)為攪拌器工效不足,造成煤漿槽底部及內(nèi)壁處煤漿長期靜止后出現(xiàn)沉積,沉積的煤漿堆積至攪拌器槳葉處時,槳葉受力增大,造成過載跳車。

2.4 棒磨機(jī)筒體漏漿

棒磨機(jī)筒體上布置了600 多顆固定棒磨機(jī)筒體襯板的緊固螺栓,為防止煤漿從螺栓孔處泄漏,在螺栓處設(shè)置有密封,采用行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可并大量應(yīng)用的由密封壓套、壓蓋和橡膠墊組成的密封組件[4]。 該密封形式在原始開車后的2 年內(nèi)效果良好,棒磨機(jī)筒體漏漿次數(shù)少,但隨著運(yùn)行時間的延長,筒體出現(xiàn)頻繁漏漿。 在更換螺栓、橡膠墊片后,漏漿情況有所好轉(zhuǎn),但未能徹底解決問題。 經(jīng)分析研究,筒體螺栓處密封壓套長期使用后厚度減薄,但壓套內(nèi)橡膠墊片厚度未減小,所以在螺栓緊固后,壓套與筒體之間還是無法完全接觸形成剛性連接;長期運(yùn)行后筒體螺栓孔直徑因磨損變大,運(yùn)行時在鋼棒的沖擊和襯板的剪切作用下,螺栓出現(xiàn)晃動并逐漸松動,導(dǎo)致煤漿泄漏。

3 優(yōu)化措施及效果

3.1 針對煤漿含量偏低采取的措施及效果

(1)調(diào)整棒磨機(jī)鋼棒裝填量

針對煤漿粒度偏大的問題,在不改變棒磨機(jī)進(jìn)煤量的前提下,鋼棒裝填量由110 t 增加至120 t。鋼棒裝填量增加后,棒磨機(jī)運(yùn)行正常,粒徑44 μm(325 目)顆粒通過率達(dá)到35%,滾筒篩出口大顆粒也明顯減少,煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)由59.5%提高至60.5%。

(2)提高煤漿溫度

提高煤漿溫度可通過提高原料煤溫度、提高研磨水溫度、煤漿槽增設(shè)伴熱裝置等3 種方式實現(xiàn)。 從安全性和可實施性方面考慮,提高原料煤溫度方法不可行。 煤漿槽外壁增設(shè)蒸汽伴熱,間接加熱煤漿的方式投入成本高,預(yù)期提溫效果不佳。 相比較而言,提高研磨水溫度的方法比較安全可行,預(yù)期效果良好。 研磨水主要由優(yōu)質(zhì)再生水、甲醇制烯烴裝置的工藝廢水和少量制漿廢水組成,優(yōu)質(zhì)再生水溫度為25 ～35 ℃,進(jìn)研磨水槽的流量約80 m3/h;制漿廢水溫度為20～25 ℃,間歇性使用;來自甲醇制烯烴裝置的工藝廢水溫度為35 ～45 ℃,進(jìn)研磨水槽的流量約40 m3/h。 為提高研磨水溫度,于2019 年將甲醇制烯烴裝置90 ℃的高溫工藝廢水引入研磨水槽,控制流量為80 m3/h,研磨水溫度由30 ～40 ℃提高至70 ～75 ℃,煤漿溫度由30～35 ℃提高至50～55 ℃,煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)由提溫前的60.5% 升至提溫后的60.9%。

(3)解決二級滾筒篩跑漿問題

二級滾筒篩設(shè)計篩網(wǎng)孔徑為3 mm×20 mm,比棒磨機(jī)出料滾筒篩篩網(wǎng)孔徑(4 mm×30 mm)小很多。 因篩網(wǎng)孔徑小,煤漿含量提高后,單位體積內(nèi)煤顆粒數(shù)量增多,通過滾筒篩的時間延長,一部分顆粒還未來得及通過篩網(wǎng)便被甩出;同時因煤漿含量提高后黏度也相應(yīng)增大,通過篩網(wǎng)時的阻力增大,部分顆粒短時間無法順利通過篩網(wǎng)被甩出滾筒篩,造成跑漿。 經(jīng)調(diào)查論證,將二級滾筒篩篩網(wǎng)孔徑由3 mm×20 mm 更換為4 mm×20 mm。采用4 mm×20 mm 孔徑篩網(wǎng)后,在煤漿提濃過程中黏度增至1 000 mPa·s 時,二級滾筒篩未出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象,煤漿含量和黏度不再受二級滾筒篩的制約。

3.2 針對高壓煤漿泵墊缸跳車采取的措施及效果

(1)清除煤漿中大的煤顆粒和金屬雜物

為防止大的煤顆粒和金屬雜物通過棒磨機(jī)滾筒篩大顆粒下料通道與煤漿下料通道間的空隙進(jìn)入磨機(jī)出料槽,從棒磨機(jī)滾筒篩沖洗水閥后引出一路沖洗水,配置在大顆粒下料口,滾筒篩自動沖洗時對大顆粒下料管也進(jìn)行沖洗,防止下料管堵塞。 在棒磨機(jī)滾筒篩大顆粒下料通道與煤漿下料通道間增設(shè)隔板,在不影響棒磨機(jī)滾筒篩運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下,使隔板貼近滾筒篩,阻斷大的煤顆粒和金屬雜物進(jìn)入磨機(jī)出料槽的通道。 同樣為防止大的煤顆粒和金屬雜物通過二級滾筒篩大顆粒下料通道與煤漿下料通道之間的空隙進(jìn)入煤漿槽內(nèi),在二級滾筒篩出口增設(shè)沖洗水,用于沖洗粗顆粒下料管,防止堵塞。 采取上述措施后,煤漿中再未出現(xiàn)過大的煤顆粒和金屬雜物,高壓煤漿泵墊缸跳車問題得到徹底解決。

(2)解決煤漿槽內(nèi)煤漿的沉積

為解決煤漿槽內(nèi)煤漿沉積的問題,采取在煤漿槽底部通入工廠風(fēng)的措施。 煤漿槽底部通入工廠風(fēng)后,增強(qiáng)了煤漿槽內(nèi)煤漿的擾動,減緩了煤漿的沉積。 此舉雖然無法徹底阻止煤漿槽底部和內(nèi)壁上煤漿的沉積,但大幅減小了煤漿槽內(nèi)煤漿沉積的厚度,降低了高壓煤漿泵入口被堵塞的風(fēng)險。

3.3 針對煤漿槽攪拌器頻繁過載跳車采取的措施及效果

解決煤漿槽攪拌器過載跳車的方案有更換大功率攪拌器或改造煤漿槽,但這2 個方案實施難度大、費用高,可行性較低。 最終采取在煤漿槽底部通入工廠風(fēng)的措施,增強(qiáng)了煤漿槽內(nèi)煤漿擾動,間接降低了攪拌器的負(fù)荷,避免出現(xiàn)過載跳車現(xiàn)象。 通過計算,確定在每只煤漿槽底部投入9 股工廠風(fēng),總流量控制為800 ～1 000 m3/h(標(biāo)態(tài))。煤漿槽投用工廠風(fēng)后,攪拌器電流明顯下降,運(yùn)行效果良好,過載跳車問題得到有效解決。

3.4 針對棒磨機(jī)筒體漏漿采取的措施及效果

為解決密封壓套與筒體之間無法完全接觸的問題,在壓蓋和筒體間增設(shè)了金屬鋼圈,螺栓緊固力通過壓蓋、壓套和鋼圈最后傳遞至棒磨機(jī)筒體,使壓蓋與壓套間、壓套與鋼圈間、鋼圈與棒磨機(jī)筒體間形成剛性連接。 同時在每個螺栓孔中注入凝膠,用凝膠填充螺栓與螺栓孔之間的間隙,防止煤漿泄漏。 改造完成后,棒磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好,2 年內(nèi)筒體較少出現(xiàn)漏漿。

4 結(jié)語

通過原因分析并采取有針對性的改造措施后,煤漿含量偏低、高壓煤漿泵和煤漿槽攪拌器頻繁跳車、棒磨機(jī)筒體嚴(yán)重漏漿等問題均得到有效解決,煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)由59.5%提高至61.5%,氣化爐比煤耗由610 kg 降至580 kg,比氧耗由420 m3降至410 m3,合成氣中有效氣體(C0+H2)的體積分?jǐn)?shù)由79%提高至80%。