煤漿制備裝置的設備布置及管道布置淺析

韓 建 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

近年來，國內煤化工產業迅速發展，煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇等技術受到越來越多的關注。在這些技術中，水煤漿氣化技術是國內工業應用最廣泛、行業認知度最高的一類成熟煤氣化技術[1]。煤漿制備單元是水煤漿氣化技術的一個主要部分，主要作用是為后續氣化單元提供合格、穩定的水煤漿原料。它的長期穩定運行，對氣化系統的安全穩定、長周期運行具有重大的意義。下面以某項目煤漿制備單元為例，同時對比其它類似項目，對煤漿制備單元的設計重點和注意事項進行分析、探討。

1 工藝原理

該單元采用國內某專利商的工藝技術，它將從原料貯存與制備工序輸送來的煤塊(<25mm)經稱重給料機控制輸送量送入磨煤機。物料在磨煤機中與新鮮水和其它單元輸送來的廢水混合后進行濕法磨煤(為了控制煤漿粘度及保持水煤漿的穩定性需加入添加劑)。出磨煤機的煤漿濃度約60%～62%，依靠重力流入磨機出料槽中，磨機出料槽攪拌器使煤漿均化并保持懸浮狀態。合格的煤漿再經低壓煤漿泵加壓后送至煤漿槽儲存，再經高壓煤漿泵輸送至氣化爐工藝燒嘴[2]。生產過程中產生的廢煤漿通過地溝排入廢漿池，然后通過廢漿池泵返回磨煤機中重復利用。本單元整體的工藝流程示意見圖1。

圖1 煤漿制備工藝流程簡圖

2 設備布置

設備布置除了嚴格按照《建筑設計防火規范》和《石油化工企業設計防火規范》及其它現行有效的相關規定外，還應滿足工藝專業的特殊要求，并遵守如下原則[3]：

(1)根據業主要求及現場條件進行布置。

(2)滿足設備的安裝、操作、檢修要求。

(3)力求經濟合理，注意布置的外觀美觀。

(4)滿足“露天化、流程化、集中化、模塊化”的要求。

在遵守上述原則的同時，設備布置還需考慮裝置的具體特點，因地制宜合理布局。

2.1 主要設備

為使布置集中化，節約占地，該煤漿制備單元主要設備除了磨煤機、低壓煤漿泵和廢漿池等設備外，還包含工藝氣化單元的煤漿槽和高壓煤漿泵。

2.2 磨煤機的布置

“煤漿制備單元”設備布置的首要重點在于磨煤機位置的確定，其次再根據工藝流程依次相應地布置磨機出料槽、低壓煤漿泵、高壓煤漿泵、煤漿槽等設備。通常，化工項目煤漿制備單元采用需添加鋼棒的棒磨機，本項目磨煤廠房的布置見圖2。

圖2 設備布置圖(二層)

煤漿制備單元與它的上一工序(“原料貯存與準備單元”)的聯系非常密切，針對煤漿制備的工藝特點及煤漿的特性，在確定磨煤機位置時需重點考慮以下幾點：

(1)防止雨水和冬季的低溫對生產合格的水煤漿造成影響，磨煤機及低壓煤漿泵一般布置在廠房內，并根據用地情況、設備大小及數量、工藝流程合理規劃廠房。

(2)確定磨煤廠房與原料貯存與準備廠房的相對位置關系。通常磨煤廠房緊鄰原料貯存與準備(701)廠房，磨煤機在布置時其進料部位應靠近(701)廠房這一側，以保證稱重給料機輸出的煤能夠順利通過溜管，依靠重力滑入磨煤機中。

(3)磨煤機四周應留有足夠寬的檢修通道。磨煤機機身需檢修維護的部位較多，周圍應留足夠的通道方便巡檢和設備檢修。同時，磨煤機一般與稱重給料機對齊布置，磨煤機的位置也影響著稱重給料機位置的確定，此處應與粉體專業溝通，充分考慮磨煤機與煤稱重給料機周圍的檢修通道。

(4)磨煤機出口的煤漿依靠重力自流至磨機出料槽，因此磨煤機及二層廠房的高度需根據磨機出料槽的高度及其檢修空間來確定。

2.3 其它相關設備的布置

本項目共計兩臺磨煤機，每臺磨煤機對應一臺磨機出料槽和兩臺低壓煤漿泵，磨煤機和低壓煤漿泵都為一開一備。同時，由于項目規劃有二期，布置需兼顧二期的規劃，整體的設備布置圖見圖3。

圖3 設備布置圖(一層)

結合設備布置的相關要求及本項目的特點，本單元設備的布置重點考慮了以下幾點：

(1)為防止冬季氣溫過低帶來的不利影響，添加劑槽、研磨水槽、廢漿池及相關的泵需布置在室內。但整體布置在磨煤廠房內無疑會增加廠房的投資，可單獨設置泵房容納。同時，實際中發現原料貯存與準備廠房底層比較空曠，設計時也可根據項目實際情況跟相關專業溝通，考慮將這些設備布置到此處，以節省泵房的占地和投資。

(2)泵房的寬度及設備的位置需考慮添加劑配制的操作空間。

(3)高壓煤漿泵亦在室內布置，廠房及泵房共用一個管廊，管廊可借助泵房頂部設置以節省占地和投資。

(4)布置時需兼顧二期廠房及設備占地的情況。本單元一期規劃在煤漿槽以東，二期規劃在煤漿槽以西，一期二期共用同一煤漿槽及管廊。

(5)煤漿槽附近與氣化裝置間設置跨路的桁架，供煤漿輸送管線及煤漿回流管線使用。

2.4 生產檢修空間及通道的規劃

設備布置除滿足工藝要求外，還應滿足日常操作、檢修及施工安裝的要求，提供必要的吊裝、檢修、拆卸所需要的場地、空間和通道。磨煤機在實際運行中經常需要檢修及添加鋼棒，槽罐的攪拌器、泵電機需要檢修維護，停車時高壓煤漿泵的氣缸容易堵塞。因此，檢修方案的規劃布置在煤漿制備單元顯得比較重要，應重點考慮以下幾點：

(1)磨煤機檢修件及鋼棒較重，應選用行車作為檢修設施，且行車需滿足最大檢修件重量的要求。行車司機室的位置應反饋給設備廠商并表示在布置圖中，以保證現場實際與設計規劃一致，同時還需設置通往司機室的樓梯。

(2)吊裝孔靠近大門設置，其大小需滿足磨煤機最大檢修件的體積及鋼棒長度的要求。

(3)根據加棒機長度及生產中樓面需堆放鋼棒的需求，確定出合理的樓面大小。

(4) 高壓煤漿泵上方設置檢修用的電動葫蘆，其它小型動設備上方可設置檢修梁，以便需要時懸掛起重葫蘆，但需注意預留足夠的檢修空間。

(5)合理規劃通道的位置，使巡檢、檢修通暢便捷，廠房門的高和寬需考慮檢修件的最大體積，并向建筑專業提出建議。

(6)槽罐頂部的攪拌器需考慮其檢修拆卸，空間不夠時可在屋面或樓面開孔。

磨機出料槽攪拌器在規模接近的不同項目中的檢修布置方案對比見圖4。

圖4 磨機出料槽攪拌器兩種檢修方案的對比

圖4左圖中，攪拌器上方留出了足夠大的檢修空間，供磨機出料槽及其攪拌器檢修，但拆卸吊裝不方便，且要求二樓有較高的層高(為EL10.2m)，增加了投資。右圖中，采用在樓面開大孔的辦法，可以使用行車吊裝、移動攪拌器，操作方便，同時可以降低二層樓面標高(為EL8.2m)。二層樓面標高降低后，原料貯存與準備廠房高度也相應降低，能有效節省投資、降低成本。二層樓面開孔后現場的實際情況見圖5。

圖5 二層樓面開檢修孔

考慮巡檢的便捷性，廠房內二層樓面至原料貯存與準備廠房的平臺推薦采用斜梯，不建議用直爬梯，見圖6。

圖6 廠房間的斜梯

磨煤機基礎頂部容易聚集泄漏出來的煤漿，同時，磨煤機筒體上的螺栓經常需要緊固，因此可考慮設斜梯至其基礎頂部，方便清理和檢修，見圖7。

圖7 檢修用斜梯

同時,在磨煤機基礎上做一圈圍堰，并接管引至地溝，能有效避免泄露的煤漿亂流，污染一層地面。

3 管道布置

管道設計時除了滿足管道儀表流程圖和相關規范外，還應做到經濟美觀、安全可靠、便于操作、維修與施工方便[4]。同時也要考慮管道內介質的成分、溫度、壓力和各種組分特性，以保證管道布置更加合理。

3.1 管道布置的要求

水煤漿為液體和固體顆粒組成的懸浮液，具有高粘度、高磨蝕等特性，管線極易發生堵塞或管件磨損，典型水煤漿介質管道內流速對管道磨蝕和輸送的影響見表1。

水煤漿在管道內的流速一般都選擇在0.5～1 m/s之間，在工程設計及生產操作時，管道內水煤漿流速低于臨界速度的運行是要絕對避免的，同時也要避免管道內水煤漿流速過快造成輸送管道嚴重磨蝕和流速較慢造成水煤漿的沉淀。考慮到煤漿的特性，本單元在配管設計應注意以下幾點：

(1) 煤漿管道上的切斷閥應選用球閥，以保證閥門的密封性能和較大的流通面積。

(2)為防止彎頭磨損，所有彎頭需選用長半徑彎頭(R=3D～5D)，同時彎頭數量盡量要少[5]。

(3)沖洗口應設于水平道的上部，排污口從水平管道側面或沿管底切線方向水平接出，切斷閥與主管間的距離要盡量短，以防止煤漿沉淀導致堵塞。

(4)管道應避免不流動區域，配管時盡量依照“步步高”或“步步低”的原則，避免出現袋形。

(5) 較長距離的水平管道應設置小于千分之五坡度，溫度計和壓力計的分支管道長度越短越好，水平管道上的儀表必須安裝在管道頂部[6]，豎直管道上的溫度計和壓力計必須斜向上45°安裝。

3.2 管道布置的注意事項

綜合設計時所遇到的問題和現場的實際情況，煤漿制備單元配管設計時除了需滿足工藝流程和其它相關要求之外，還需注意以下幾點：

(1)從高壓煤漿泵到氣化爐的煤漿管線較長，管線需有一定的柔性。同時，高壓煤漿泵為隔膜往復泵，震動頻率較固定，其進出口管道支架制作需結實可靠。

(2)煤漿槽和磨機出料槽底部的出料口一般與放料閥直連，這兩臺設備的管口方位圖中需表示出設備口螺栓孔跨中均布的角度，避免設備廠商按其它角度跨中均布螺栓，導致現場放料閥安裝后的角度與配管設計的角度不一致。磨機出料槽管口方位及放料閥的實物見圖8。

圖8 磨機出料槽管口方位圖及放料閥

(3)煤漿管線上的排污口和沖洗口應盡量布置在管線兩端，以保證管道沖洗時將管道內部沉積的煤渣盡可能全部沖出來，以避免無法清理的死區。

(4) 沖洗水的連接形式一般采用臨時連接，需要時通過軟管連接到水煤漿管道上，不用時將軟管拆除，這樣能節省很多沖洗管道，從而節省投資。但實際應用中反饋：臨時連接的沖洗水口操作極為不便，尤其是在磨機出料槽裙座內部的沖洗水接口處，軟管的安裝、拆卸都比較困難。本單元設計時可考慮與工藝專業溝通，設置雙切斷閥+檢查閥做成永久連接，詳見圖9。

圖9 煤漿管線沖洗水配管形式對比

(5)由于煤漿制備廠房內較臟，漏出來的煤漿容易在廠房內地面聚集，因此，地溝的規劃除了需保證所有管線排污口都接入地溝外，還應考慮到地面的死區，同時地溝應有≥1%的坡度，以保證排放到地溝的煤漿能順利流動。

(6)配管時需注意為設備檢修預留足夠的空間，避免配管阻礙檢修部件的拆卸起吊。磨煤機機身頭部和尾部的軸瓦在停車時需拆卸檢修，因此，配管時需特別關注這兩個部位。

機尾部位添加劑、水和煤漿管線在不同項目上的配管布置對比見圖10。

圖10 磨煤機尾部軸瓦處兩種配管對比

圖10的左圖中管線正好位于進料口軸瓦上方，阻擋了行車起吊拆卸后軸瓦，檢修不便。右圖中管線布置在平臺的下方，并局部做π形避開溜管，軸瓦上方無任何阻擋，檢修方便。同時，這樣布置管道的另一個好處是，管線在上翻接入下料斗的時候，不會阻擋上方平臺的通道，如圖11中所示。

圖11 兩種配管方式對平臺通道的影響

磨煤機頭部抽氣管道兩種配管的對比見圖12。

圖12 磨煤機頭部抽氣管道兩種配管的對比

圖12左圖中抽氣主管線布置于磨煤機加棒口正上方，配管簡單美觀，但上方的主管道在一定程度上阻礙行車吊鉤，對加棒口軸瓦的檢修存在一定影響。右圖中抽氣主管布置于磨煤機下方，各磨煤機的抽氣支管下翻穿過樓面接入總管。加棒口軸瓦檢修時，將上方管段從法蘭處拆掉即可，此布置方案雖然增加了彎頭的數量，但在檢修加棒口軸瓦時，機頭上方無任何阻擋，檢修非常方便。

4 結語

煤漿制備單元的工藝流程并不復雜，設備數量也相對較少。但水煤漿很臟，其高磨蝕、易堵塞的特性，決定本單元設備、管道檢修維護的頻率較高。如何讓設備布置和管道設計更加合理，讓操作、檢修更加便捷，是本單元設計需重點考慮的問題。根據以上對設備布置和管道布置的討論，可以歸納總結如下：

(1)磨煤機應盡可能靠近原料貯存與準備單元布置，四周需留有足夠的檢修通道。

(2)磨機出料槽頂部二層樓面開孔，依靠行車檢修吊裝攪拌器會更加便捷，同時可以降低樓面標高，節省投資。

(3)與放料閥直連的設備管口，在設備管口方位圖中需表示出螺栓孔跨中均布的角度。

(4)應根據工藝要求結合實際的操作情況，合理地設置沖洗水接頭位置。考慮到操作的方便性，本單元沖洗水系統宜做成永久連接。

(5)磨煤機抽氣主管宜布置在磨煤機下方，各支管下翻穿過樓面接入總管，并設置可拆卸短節，方便加棒口軸瓦檢修。尾部軸瓦附近的管道，宜布置在平臺下方，方便后軸瓦檢修和平臺巡檢通道的通暢。