關于水煤漿中雜鐵清除的研究及應用

關洪洋 ，張文杰，李紅旭，張 妍，劉明新

(1.沈陽隆基電磁科技股份有限公司，遼寧 撫順 113122；2.內蒙古博大實地化學有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017300)

水煤漿作為一種新型、高效、清潔型煤基燃料，不僅能夠作為燃料燃燒提供熱值，還被廣泛應用于煤制油、煤制氣等化工領域，是煤化工重要的原材料。國家能源局、環保部、工信部三部委發布的《促進煤炭安全綠色開發和清潔高效利用的意見》明確提出“積極推進先進的型煤和水煤漿技術”，再次將水煤漿列入鼓勵推廣類技術，因此水煤漿的利用問題尤其突出[1]。

在水煤漿制備過程中，由于原料煤中未被清理的小塊雜鐵和磨制過程中磨料損失產生的雜鐵會摻雜到水煤漿中，在水煤漿的運輸及后續使用時，雜鐵將會伴隨物料進入到生產的各環節中，尤其在煤化工企業煤炭氣化過程中，會造成后續燒嘴堵塞、隔膜泵關閉不嚴、隔膜泵損壞等問題(見圖1、圖2)，同時還會造成水煤漿在管道運輸過程中壓力波動，進而影響氣化爐的穩定運行，極大地降低生產效率。因此水煤漿除鐵問題亟待解決。

圖1 雜鐵墊缸情況

圖2 雜鐵損壞隔膜泵情況

1 煤化工使用水煤漿現狀

水煤漿的制備是由65%～70%的煤、29%～34%的水和小于1%的化學添加劑進行一定的工藝流程加工而成[2]。其中對于磨煤主要采用大型棒磨機或球磨機對原料煤進行磨制，該過程中需要添加大量鐵質磨材。由于磨材的磨損導致大量鐵削進入到水煤漿中，物料混合后很難將鐵件進行清除。

目前水煤漿中雜鐵的清除主要采用滾筒篩出口周圍安裝單體磁塊形式，物料通過時依靠磁塊的吸附分離其中的鐵件(見圖3)。但由于磁塊為裸露結構，長時間浸泡在水煤漿中，極易出現粉化破損的情況。并且磁塊外磁場未進行工藝設計，表面磁場呈放射狀，如果表面被細碎雜鐵覆蓋后，形成磁場屏蔽現象就不會再有吸附效果，極大地降低了磁塊除鐵能力，實際使用時能夠被吸附的鐵件遠低于要求。并且在需要清理時，需要人工進入滾筒篩內部進行收集。不僅收集效果不理想，而且存在一定的危險。并且收集時間受到生產的限制，只有停產時才能夠進行收集工作。同時人工清理時周圍布滿煤漿，工作環境惡劣，因此該種除鐵方式是不適合長期維持的工作方式。

另一種清除方案，采用低壓煤漿泵之后增加圓筒過濾器形式，物料通過圓筒過濾器時鐵件被過濾器中篩網分離(見圖4)。但該種形式雜鐵清除是比較困難的，需要停產時將圓筒過濾器拆開，受到生產節奏的限制。當不能夠及時清理時，極易造成過濾篩網被堵塞，造成低壓煤漿泵壓力升高，煤漿流量降低等情況，影響氣化爐的穩定運行。并且磨材磨損后的鐵件呈沫狀或針狀，很難被篩網進行分離，鐵屑可以通過篩網縫隙進入到后續生產環節產生不利影響，因此圓筒過濾器實際并不能起到分離鐵件的目的，并且在長時間運行過程中還會增加維修難度，是一種極不推薦的除鐵方式。

圖4 圓筒過濾器除鐵方案

2 水煤漿除鐵新方向

在煤化工企業，水煤漿的生產主要采用磨機進行磨制后，通過滾筒篩進行篩分，部分的大鐵件和大顆粒雜質被去除。帶有沫狀鐵或細小鐵件的水煤漿進入小煤漿槽進行初步暫存。小煤漿槽中的水煤漿通過尾部連接的管道進入低壓煤漿泵進行加壓后輸送到大煤漿槽進行存儲，該過程水煤漿通常會被加壓至0.4 MPa以內。由于鐵件的密度較大，在攪拌不良時，極易出現鐵件和煤漿的混合物在煤漿槽底部聚集，造成后續堵塞情況。由于煤化工企業生產規模不同，通常規模較大企業會在大煤漿槽之前布置分料器，以便于能夠根據氣化爐使用情況，切換物料輸送至不同的大煤漿槽。大煤漿槽中的煤漿經過高壓煤漿泵再次加壓至6.5 MPa后，通過燒嘴后在氣化爐中進行燃燒[4]，燃燒后氣體在經過復雜化學反應制成相應產品或中間產品用于銷售。

2.1 輸送和氣化過程中鐵件的清除方式

干煤輸送過程中存在一定的大鐵件和一些螺栓、墊片等小鐵件。輸送過程中常見的除鐵方式為使用除鐵器進行清除。根據HGT20518—2008《化工粉體工程設計通用規范》要求：在每路運煤系統中，宜在卸煤設施后的第一個轉運站、煤場帶式輸送機出口處和碎煤機前各裝設一級除鐵器。當采用中速磨煤機或高速磨煤機時，應在碎煤機后再增設一級除鐵器[3]。同時根據除雜領域廠家推薦及國標要求，在輸煤系統中需要滿足三級除鐵，在輸煤一二級采用盤式或帶式除鐵器，建議在帶式輸送機機頭處設置，通過物料的多次翻轉能夠有效清理大量的鐵件，在進入到制漿系統以前增設大功率的盤式除鐵器，盤式除鐵器與帶式除鐵器相同性能時能夠更貼近物料，達到更優的除鐵效果。以便在輸煤系統中將全部大鐵件進行清除，防止鐵件進入到制漿系統[5]。

2.2 水煤漿中雜鐵清除方案

對于水煤漿制備系統中雜鐵去除，目前由沈陽隆基電磁科技股份有限公司研發一種水煤漿雜鐵分離器，該裝置能夠有效清除水煤漿中的細小雜鐵，并且設備已經投產使用，達到預期效果。

電磁水煤漿雜鐵分離裝置由3部分構成，包含主機，配套冷卻系統，電控控制柜。其中主機能夠形成足夠的背景磁場，通過設備內部高聚磁格柵形成高梯度磁場，物料通過時能被吸附。吸附一定時間后，設備可采用斷電去磁方式，達到卸鐵目的。并且卸鐵時可同時配合水路或氣路進行輔助卸鐵。電控控制柜采用PLC編程形式，能夠實現現場或集控控制，并且通過邏輯控制可實現設備自動運行，自動清理停止，滿足煤化工企業追求高自動化的要求。

目前設備安裝位置為3處，具體情況如下：

(1)滾筒篩后，小煤漿槽前管道位置。該位置安裝能夠有效地保證后續隔膜泵及氣化爐裝置的穩定運行，起到源頭控制雜鐵的目的。并且該位置設備離地距離較小，更適合布置排鐵管路，使得吸附后的雜鐵更便于排除。

(2)低壓煤漿泵之后，大煤漿槽之前的管路。該位置空間較大，并且管道內壓力較小，能夠滿足水煤漿電磁雜鐵分離器的處理要求。由于很多現場低壓煤漿泵由隔膜泵改為離心泵，因此低壓煤漿泵的風險降低，設備只需保證高壓煤漿泵及氣化爐的穩定運行即可。

(3)分料器和大煤漿槽之間(對于存在分料器的現場)。該處位置物料為自由落體運輸，設備不需要考慮承壓問題，并且相對物料通過時速度較低，能夠有效地被處理，也是比較理想的布置位置。雜鐵被清除后，能夠使得后續的高壓隔膜泵在清潔環境下運行，減少由于鐵件造成的隔膜損壞。

對于需要改造的現場，只需要在現場管道中增加設備，并且設備采用上下法蘭連接方式。改造時在設備外圍增加旁路，設置相應管道閥門，通過PLC控制閥門開啟和關閉狀態，達到對物料進入的控制(見圖5)。清除雜鐵后的水煤漿燃燒后，能夠保證氣化爐爐內的清潔，減少由于鐵件被高溫融化造成的底部爐灰和鐵水混合物的存在，減少清理爐灰的難度。除鐵后會極大改善氣化爐耐火磚由于鐵水侵蝕造成的斷磚等現象，提升耐火磚的使用壽命。

圖5 電磁水煤漿雜鐵分離裝置系統

3 設備應用現場情況

水煤漿雜鐵分離器目前已經在現場進行安裝，經實際檢測，能夠達到設計要求。對于大于2mm×5mm雜鐵的清除率大于72%，小于2mm×5mm的雜鐵清除率大于76%(見表1)，現場雜鐵影響生產的現象極大地得到改善，降低了設備故障率，設備能夠實現自動控制，滿足現階段煤化工企業追求自動化生產的需求。設備能夠實現與現場DCS數據傳輸，實現中控控制，減少人工干預等情況。

表1 水煤漿雜鐵分離裝置使用后雜鐵收集情況

圖6所示為現場收集鐵件情況，設備工作時能夠將存在較大危害的雜鐵進行清理，極大地提升了設備穩定運行狀態。

圖6 水煤漿雜鐵分離裝置清除的雜鐵

4 結 語

總之，水煤漿除鐵是目前煤化工企業亟待解決的問題，電磁水煤漿雜鐵分離器的推出，能夠方便地解決該問題，是一種可推廣的實用性設備。通過現場改造，降低水煤漿運輸過程中雜鐵對于關鍵設備的影響，極大地提高生產效率，減少人工勞動強度，同時能夠實現自動化控制，滿足現階段煤化工企業的自動化愿景。