分級研磨制漿工藝在內蒙古易高煤化科技有限公司的應用

蘇鑫

（煤科院節能技術有限公司，國家水煤漿工程技術研究中心，煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013）

煤炭是我國重要的基礎能源，在未來相當長時期內煤炭引領能源的現狀難以改變[1]。水煤漿是潔凈煤技術的分支之一，其是由煤、水以及添加劑混合而成的煤基液體燃料和氣化原料。水煤漿技術自20 世紀80 年代引入我國后，歷經30 余年的科技攻關與生產實踐，生產與應用規模均處于全球領先地位[2-4]。水煤漿的應用范圍極廣，涉及冶金、化工、電力、建材、輕工、石油等領域，根據用途不同，可分為燃料水煤漿和氣化水煤漿。在氣化水煤漿領域，隨著德士古氣化技術（現GE氣化技術）的引進，尤其是我國具有自主知識產權的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的研發成功，氣化漿的用量也在急劇上升[5]。據不完全統計[6]，截至2017 年底，采用水煤漿為進料的氣化爐，如GE、多噴嘴、多元料漿等，已投產數量超過300 臺，用漿量達2 億t/a 以上，且隨著大型新建項目的相繼投產，其用量還將繼續增加[7-8]。同時，隨著氣化水煤漿應用范圍的不斷增加以及煤化工建設規模的日益增大，氣化爐大型化也迫在眉睫，目前國內最大的單臺日處理3000 t 煤量的氣化爐已經投產，并穩定運行，單臺日投煤量4000 t 級的氣化爐也正在研發。

水煤漿研究初期，制漿用煤多以中等變質程度的煤種（氣煤、1/3 焦煤等）為主[4]，但隨著類似煤種的不斷開采，其儲量也日益減少，與此同時其價格亦逐漸增加，因此，變質程度較低的低階煤逐漸被用作主流的制漿用煤[9]，如弱黏煤、不黏煤。但低階煤的煤質特征使得用戶在使用常規制漿工藝的條件下很難制出具有優良流變特性的高濃度水煤漿，不利于提高氣化爐效率[10-11]，有研究表明[12]，氣化水煤漿質量分數每提高一個百分點，生產1000 Nm3合成氣煤耗降低10 kg，氧耗降低10 Nm3，因此，如何利用這些低階煤制備出具有優良流變特性的高濃度水煤漿成為行業內急需解決的問題。粒度級配是制漿技術的關鍵，根據這一核心理論，國內眾多科研院所和企業做了很多具體研究[13-14]，逐漸探索出“分級研磨制漿工藝”，并逐漸應用于實際生產。

內蒙古易高煤化科技有限公司年產20 萬t 甲醇項目，采用水煤漿氣化技術，氣化水煤漿制備系統以鄂爾多斯本地煤為制漿原料，每天處理干煤約1344 t。制漿系統由2 條棒磨機（Φ 3.2 m×4.5 m）生產線組成，2 條全開無備用，每條棒磨機生產線每小時制漿能力為28 t 干煤，采用單棒磨機制漿工藝。由于煤漿濃度偏低，使有效氣含量偏低，比煤耗、比氧耗偏高。同時煤漿中過多的水在爐內變為蒸汽后占用了一定空間，降低了氣化爐的轉化效率，嚴重影響了企業在行業內的競爭優勢。因此，為了提高制漿濃度，實現增產降耗，內蒙古易高煤化科技有限公司采用低階煤分級研磨高濃度水煤漿制備專利技術和設備進行煤漿提濃，對原有的制漿系統進行升級改造，增設1 臺CYM11000C1 型超細研磨機。改造完成后，制漿系統由2 套Φ 3.2 m×4.5 m 棒磨機和1 套CYM11000C1 型超細研磨機組成，棒磨機2 開無備用，超細研磨機常開。

1 煤質分析

內蒙古易高煤化科技有限公司氣化用煤來自周邊礦井，采用陽塔煤為制漿用煤，陽塔煤的煤質分析見表1。

表1 陽塔煤煤質分析數據Table 1 Analysis data of coal quality of Yangta coal

由表1 可知，該公司生產用煤屬于中高水分、特低灰、中熱值、中等可磨低階長焰煤，灰熔融性溫度適中，有利于氣化爐平穩運行，該煤種屬于難成漿煤種。

2 改造方案

2.1 工藝流程

內蒙古易高煤化科技有限公司原有煤漿制備系統為單棒磨機制漿工藝，具體過程為，經過破碎的煤、工藝水和水煤漿添加劑一起由棒磨機入口進入，經過棒磨機內鋼棒的研磨后，漿體通過棒磨機末端的滾筒篩，符合要求的煤漿通過滾動篩進入到低壓煤漿槽，再由煤漿泵輸送至高壓煤漿槽供氣化使用。該工藝雖然流程相對簡單，但所制水煤漿粒度分布不合理，濃度偏低，存在著流態及穩定性差等問題。

原生產系統經過改造，增加了1 套細漿制備系統。改造后的制漿工藝為“分級研磨制漿工藝”，該工藝將“選擇性粗磨”和“超細研磨”進行有機結合，增加煤粉顆粒的堆積效率，優化產品的流動性及穩定性，其工藝流程見圖1（虛線內為新增細漿制備系統）。

圖1 改造后制漿系統工藝流程Fig. 1 Process flow chart of the modified pulping system

煤漿槽的少部分煤漿（10% ～ 15%）通過配漿泵輸送到粗漿槽，并與配水管道的流量值形成串級（配水管道帶有與配漿泵流量形成串級的調節閥），通過自動計算，配入一定量的工藝水，稀釋后的煤漿通過泵送入超細研磨機，研磨合格的細漿最終通過細漿泵重新輸送至棒磨機中。此套工藝可優化煤漿粒度級配，適當增加大小顆粒的粒徑差，顯著改善其流變性，達到提濃降耗的目的。

2.2 主要設備

根據內蒙古易高煤化科技有限公司的生產規模，本改造配置了1 臺CYM11000C1 型超細研磨機，整套系統共配置配漿泵2 臺，粗漿泵2 臺，細漿泵3 臺，主要設備及相關參數見表2。

表2 新增主要設備一覽表Table 2 List of major equipments

3 系統調試

煤漿提濃系統為原有制漿系統的“外掛式”子系統，運行正常后逐漸接入原有制漿系統，在不影響正常生產的條件下，逐漸減少棒磨機進料端工藝水量，使水煤漿濃度逐漸提高。

調試期間，不同的進料濃度及進料量對細漿的粒度影響見表3。

表3 不同進料濃度和進料量條件下超細研磨機出料粒度Table 3 Discharge particle size of ultrafine grinding machine under different feed concentration and feed amount conditions

經過調試，逐漸確定了該煤質條件下煤漿提濃系統的較佳運行參數。根據技術要求，-0.075 mm通過率需達到85%，同時-0.045 mm 通過率則需要達到80%，由表3 可以看出，在設備運行電流及運行溫度可承受的范圍內，處理量為14 m3/h 為宜，進料質量分數維持在38%較為合適，此工況既能保證設備正常運行，又達到了提濃工藝的要求，此時細漿添加比例為10%左右（細漿制備系統額外加入原系統的干基細煤粉量）。

4 運行效果

煤漿提濃系統經過1 年多的穩定運行及參數優化，逐漸形成了一套適用于本廠工況的較優操作參數，提濃系統開車前后水煤漿指標見表4。

表4 提濃系統開車前后水煤漿指標Table 4 Coal water slurry index before and after thickening system starting

其中水煤漿濃度采用干燥箱干燥法測定，表觀黏度采用同軸雙轉桶黏度計法測定，穩定性采用傾倒法測定。

從表4 可以看出，增加提濃系統后，煤漿中煤顆粒的粒度級配得到優化，煤漿質量分數提高了2.6 個百分點，表觀黏度為821 mPa·s，且通過加入細漿，生產的水煤漿穩定性也有所好轉，析水率由原來的2.8%減少到2.2%。細漿的加入改變了原有煤漿的粒度級配，適當增加了煤漿中大小煤顆粒的粒徑差，使小顆粒可以更多地有效填充到大顆粒的間隙中，增加了顆粒間的空間位阻，減小了大顆粒的沉降速度，穩定性有所好轉。

提濃系統運行后，棒磨機的出漿情況亦有所好轉，出料端滾筒篩不易堵塞，沖洗頻率降低，這是因為細漿加入后充當了顆粒之間的“潤滑劑”，在煤漿流動時，作為復合流的水煤漿，其垂向分布更加均勻，有利于減小流動阻力[15]。

提濃系統開車前后氣化工段運行效果見表5。

由表5 可以看出，通過增加煤漿提濃系統，氣化比煤耗由原來的563 kg/1000 Nm3降低到545 kg/1000 Nm3，比氧耗由原來的363 Nm3/1000 Nm3降低到351 Nm3/1000 Nm3，有效氣體積分數也由原來的80.26%提高到81.95%，這主要是因為水煤漿濃度提高后，進入氣化爐的水分減少，在氣化爐操作溫度不變的情況下，需減少給氧量，使煤中的碳更多地向CO 轉變，有效氣含量增加。由表5 還可以看到，改造后噸精醇耗煤及耗氧均有所降低，具有顯著的經濟效益，提高了企業的競爭力。

5 結 論

（1）采用分級研磨制漿工藝后，在氣化用煤和添加劑用量不變的前提下，水煤漿質量分數由60.2%上升到62.8%，增加了2.6%；水煤漿濃度提高后，氣化比煤耗降低了18 kg/1000 Nm3，比氧耗降低了12 Nm3/1 000 Nm3，有效氣體積分數提高了1.69%，噸精醇耗煤減少0.07 t，噸精醇耗氧減少29 Nm3，經濟效益顯著。

（2）增加提濃系統后，煤漿的粒度分布得到優化，使煤漿的穩定性有所好轉，且通過細漿的“潤滑”作用，改善了產品的流動性，棒磨機出料端更加順暢，減少了沖洗頻率。