三種水煤漿提濃工藝的分析和比較

劉欽聚

（國能神東煤炭技術研究院，陜西 榆林 719315）

制漿系統是水煤漿氣化系統的源頭部分，在企業煤種基本保持不變的情況下，要選擇合適的水煤漿制漿工藝，保證制備的水煤漿既具備較高的濃度，又有良好的流動性和穩定性。水煤漿的濃度對氣化系統的有效氣的含量和組分影響很大，直接關系到企業生產成本的高低[1-2]。目前大部分煤化工企業采用的是傳統單棒（球）磨機生產工藝，制備的水煤漿質量分數多≤60%，嚴重制約著碳的轉化率[3]。尤其在目前優質煤種價格節節攀高，水煤漿氣化的原料煤逐漸向難成漿的低階煤種過渡[4]，選擇合適的制漿工藝和設備來提高氣化系統水煤漿濃度尤為重要[5-6]。

國家水煤漿工程技術研究中心于2008 年最早成功研發水煤漿提濃技術，該技術以分級研磨、粒度級配為理論依據，打破傳統單棒（球）磨機制漿工藝粒度分布相對集中的局限[7]，將選擇性粗磨和超細研磨技術進行結合，大顆粒使用常規磨機粗磨或者多級破碎機獲得，細顆粒選用臥式或者立式細磨機進行細磨得到，利用各種設備和不同研磨方式制備不同粒度的煤顆粒，通過提高煤漿粒度堆積效率達到提高水煤漿濃度的目的[8-9]。在二十幾年的發展和應用過程中，逐漸衍生出三種不同的高濃度水煤漿制備技術，即立式細磨機工藝、臥式細磨機工藝和?？丶壟渲茲{工藝，企業根據自身特點分別采用三種工藝對煤漿制備系統進行新建或者改造，都可對煤漿濃度有一定的提高，但三種水煤漿制備工藝確實在提濃效果、研磨介質消耗、動能消耗等方面存在較明顯的差別[10]。以下從三種高濃度水煤漿制備工藝路線的運行特點、項目投資、研磨介質的消耗、設備結構和維護成本、操作難易程度等方面做了對比，為煤化工企業根據實際情況來合理選擇煤漿提濃技術提供參考[11]。

1 三種水煤漿分級研磨提濃技術

1.1 立式細磨機技術

1.1.1 立式細磨機水煤漿提濃工藝流程

立式細磨機制漿工藝流程示意圖見圖1。

圖1 立式細磨機制漿工藝流程示意圖

從低壓煤漿槽抽出來的部分原料煤漿通過配漿泵計量后，與生產工藝水在粗漿槽中混合配制成質量分數38%～40%的煤漿，并通過粗漿泵輸送至立式細磨機。立式細磨機通過機體內的研磨介質對煤漿進行超細研磨，使煤漿顆粒不斷磨細，煤漿在細磨機筒體內自下往上運動，被磨細的細漿經細磨機上部出口篩網過濾后溢流至細漿槽，此時的煤漿已被研磨成平均粒徑在15 μm～30 μm 的超細漿。超細漿通過細漿泵經計量后輸送至棒磨機入口溜槽和滾筒篩內部，并與煤、水、分散劑混合，最終優化煤漿粒度級配，提高水煤漿濃度。

1.1.2 立式細磨機技術特點

立式細磨機結構較為簡單，采用立式布置，主軸上的研磨棒外沿與筒體保持一定距離，基本保證內壁不磨損；立式細磨機通過研磨棒不斷進行攪拌，其下部的幾層研磨葉片由于要承受研磨介質的重力，所以需要克服的摩擦力更大，更易磨損。機組高度大概在15 m～18 m，原有磨機廠房一般不能滿足其安裝要求，必須在原廠房旁邊新建框架才能布置，適合新建項目配套建設。

由于粗漿泵要克服一定阻力才能將煤漿從底部加進立式細磨機機組下部，因此粗漿泵使用的是容積式螺桿泵，該泵具有自吸功能，吸入性能好，流量均勻連續，但是其轉子和定子等過流部分易受煤漿顆粒的磨損，使用周期短，轉子更換比較頻繁。

立式細磨機采用常壓溢流出料，篩網的磨損程度小，使用周期長。研磨介質使用的是三氧化二鋁球，堆積密度是2.7 t/m3～3.0 t/m3，但加入的粗漿質量分數不能超過40%，否則就會出現篩網堵塞和煤漿溢流現象，需要操作工定期沖洗濾網。

立式細磨機研磨介質添加比較方便，過程控制簡單，可在不停機的情況下通過自動稱重系統將研磨介質從設備頂部加入，減少了工人添加研磨介質的勞動強度。

1.2 臥式細磨機技術

1.2.1 臥式細磨機水煤漿提濃工藝流程

臥式細磨機制漿工藝流程示意圖見圖2。

圖2 臥式細磨機制漿工藝流程示意圖

從低壓煤漿槽抽出的部分煤漿通過配漿泵計量后，與生產工藝水在粗漿槽內混合配成質量分數45%～50%的煤漿，并通過粗漿泵計量后輸送至臥式細磨機。臥式細磨機機組內部通過水平單懸臂軸帶著研磨盤一起旋轉，帶動研磨介質和煤漿進行圓周運動，利用研磨介質和煤漿比重不同產生的速度差，實現研磨介質與煤粒擠壓、碰撞和研磨。細顆粒在動態分離器產生的離心力作用下聚集在單懸臂軸的附近，粗顆粒在外圍靠近筒壁，細漿通過內部篩網排出機體。此時的煤漿已被研磨成平均粒徑在15 μm～30 μm 的細漿，合格的細漿通過管道泵輸送至棒磨機入口和出口滾筒篩處。

1.2.2 臥式細磨機技術特點

臥式細磨機采用密閉式連續生產，產品研磨分散粒度均勻，煤漿在機組內部于密閉狀態下進行研磨，有效防止了煤漿的干涸、結皮和堵網。軸的動力端采用雙端面機械密封，煤漿泄漏率低，動態渦輪分離后的煤漿帶壓出料，無需用細漿槽儲備，直接通過管道泵將煤漿送至棒磨機進口溜槽和出口滾筒篩處。研磨介質使用的是耐磨軸承鋼1Cr15，堆積密度是4.6 t/m3～4.8 t/m3，加球過程中需要細磨機減量降壓運行。

臥式細磨機機組整體采用撬裝，可以根據各個廠家不同的場地要求變更安裝位置，出口管線布置隨意，基本不受空間位置影響，適合氣化水煤漿制備老系統改造用。

1.3 ?？丶壟渲茲{技術

1.3.1 ?？丶壟渲茲{工藝流程

該工藝分為超細煤漿制備環節、粗粉制備環節和產品漿混合制備環節，工藝流程示意圖見圖3。

圖3 粒控級配制漿工藝流程示意圖

（1）超細煤漿制備環節

總投煤量30%～40%的原料煤與一定量的水和添加劑混合成質量分數為50%～55%的煤漿，經過棒磨機處理后進入粗漿槽，通過粗漿泵輸送至臥式細磨機，經研磨合格（平均粒徑≤20 μm）后的細漿通過管道泵輸送至雙軸攪拌器，與合格煤粉混合攪拌。

（2）粗粉制備環節

60%～70%的原料煤從現有煤倉經稱重給料機計量，利用高度位差，經過一級破磨機破碎到粒度＜5 mm 的煤顆粒，然后進入二級破磨機，破磨制備出粒度≤1 mm 在95%以上的粗煤粉；不合格的煤顆粒經過煤粉篩分離出來，運至原煤倉重新破碎。

（3）產品漿混合制備環節

制備的粗粉和超細煤漿按一定比例進入雙軸攪拌器，經高速攪拌、混合后，落入均質槽進一步進行均質和熟化，煤漿完全混勻后通過合格漿泵輸送至氣化爐前大煤漿槽，作為氣化原料漿備用。

1.3.2 ?？丶壟渲茲{技術特點

該技術是針對改造和新建項目的煤化工企業為提高煤漿濃度而開發的第三代高濃度水煤漿制備技術，以隔層堆積理論為指導，由第一代常規棒磨機制漿技術和第二代超細煤漿技術相結合，分別制備粗粉和超細漿，升級轉變為第三代粒控級配制漿工藝，實現水煤漿粒度的高效緊密堆積。

傳統單棒（球）磨機工藝生產的水煤漿粒度屬于連續分布狀態，其中不適合成漿的粒級（0.075 mm～0.100 mm）占比較大，這是造成連續分布的煤粉成漿濃度低的主要原因。粒控級配制漿工藝盡量剔除連續分布在0.075 mm～0.100 mm 的顆粒段，使粗顆粒的最小粒徑比細顆粒的最大粒徑大，這種間斷粒度分布可以使細磨機研磨的細顆粒完全填充到粗顆粒中，這樣就可以使顆粒間的堆積狀態達到最緊密，從而使制備出的水煤漿具有較高的濃度。

2 三種制漿技術的對比分析

2.1 立式細磨機技術與臥式細磨機技術的特點

2.1.1 設備結構和運行方式

立式細磨機由于采用上部懸掛結構，避免了軸端密封方面的問題，且制造容易、成本低；但其機組高大，需要克服研磨介質的重量，研磨方式是上下不停地翻滾攪動，不僅效率較低，而且能耗偏高。磨腔內的研磨介質受到重力的影響滯后，介質填充率低，而且分布也不均勻。立式細磨機采用常壓過濾出料，煤漿濃度偏高時會出現篩網堵塞和研磨介質溢流逃逸現象，清理難度大，容易污染環境；其下端的研磨葉片要承受更大的摩擦力，因此更易磨損，平均運行不到一年就要更換下部葉片。

臥式細磨機采用全封閉帶壓出料，其篩網安裝在機體內部，壓力一般可達0.20 MPa，煤漿都封閉在機組內部，軸端機械密封能保證無煤漿泄漏，防止煤漿溢出而污染生產界區，但機械密封的使用成本略高。臥式細磨機內部的研磨介質在研磨盤帶動下，在徑向做圓周運動，主要功耗消耗在研磨上，研磨效率高。臥式細磨機內部研磨介質填充率在70%～80%，整體研磨盤磨損是均勻的。

2.1.2 進料濃度和研磨介質

立式細磨機進料質量分數控制在38%～40%，濃度過高時，煤漿密度增大，研磨瓷球被動上浮，研磨效率嚴重下降，并且大量研磨介質會從頂部溢出，現場污染嚴重；濃度過低時，會造成研磨介質瓷球周圍煤粒包裹不完全，瓷球之間互相磨損，研磨介質消耗加大。

而臥式細磨機進料質量分數一般控制在45%～50%，濃度過低時，也會造成研磨介質之間互相磨損；濃度過高時，黏度增加，研磨介質與煤粒速度差減小，研磨效率明顯下降。

2.2 粒控級配制漿技術的主要特點

一級破碎采用的是反擊式破碎機，通過控制破碎機內部的篩板，保證不讓＞5 mm 的煤顆粒進入下一級破碎機；采用多級反擊腔，適于較大煤顆粒的破碎，反擊板角度可以根據需要進行調整，可以有效提高破碎效率。

二級破碎采用的是四輥三碎式破磨機，該機組的優點是：結構緊湊、重量輕、體積小，占用空間小，操作維修方便、簡單，故障率低；根據破碎粒度要求調整輥子之間的間隙，顆粒由機體上部落入，在多個輥子之間經過擠壓成為粉狀，破碎粒度可以得到有效控制。該機組存在的不足是：處理能力低，輥子外表面易出現破損，入料粒度必須均勻，不能有超過15 mm 的大顆粒，適合煤炭這種中等硬度的破碎材料，另外要求喂料連續，如果輥面出現磨損，要及時調整輥子之間的間隙，否則會造成煤粉粒度偏大。

?？丶壟渲茲{技術是近幾年開發出來的新工藝，該工藝使用的反擊式和四輥三碎式破碎機可有效對粗粉進行分級，真正實現煤漿的粒度控制和更合理的粒度級配，可制備成品水煤漿，是比較有發展前景的制漿技術，配套機組性能需要繼續完善。

3 結 語

煤漿提濃技術的發展使得水煤漿氣化的優越性越發明顯，煤漿濃度的提高可使氣化的比氧耗和比煤耗下降、有效氣含量增加，使得整個裝置產能大幅提高，最終達到節能、減排、高產的目的。煤化工企業可根據自身實際，選擇適合本企業的高濃度水煤漿制備新工藝、新設備，提高水煤漿的質量、擴寬水煤漿制漿煤種的選擇范圍、降低制漿能耗、提高水煤漿的燃燒、氣化效率和經濟性。