分級(jí)研磨制漿提濃技術(shù)在氣化工段現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

王 建 軍

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

水煤漿制漿系統(tǒng)是氣化系統(tǒng)的源頭部分，在企業(yè)煤種基本保持不變的情況下選擇合適的水煤漿制漿工藝，可確保制備的水煤漿既具備較高的濃度又具有良好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，而其中水煤漿的濃度對(duì)氣化系統(tǒng)的有效氣產(chǎn)量及氣化效率影響很大，直接關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)成本的高低及經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。目前大部分煤化工企業(yè)采用傳統(tǒng)單棒(球)磨機(jī)生產(chǎn)工藝，濃度基本不大于60%，嚴(yán)重制約著碳的轉(zhuǎn)化率[3]。由于目前優(yōu)質(zhì)煤種價(jià)格攀高，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(shè)備來提高氣化系統(tǒng)水煤漿濃度尤為重要[5-9]。

為提高氣化系統(tǒng)水煤漿的質(zhì)量，需選擇適合于企業(yè)制備高濃度水煤漿的新工藝與新設(shè)備、擴(kuò)寬水煤漿制漿煤種的選擇范圍、降低制漿能耗、減少制漿工藝的建設(shè)與運(yùn)行成本，進(jìn)而提高水煤漿的燃燒、氣化的效率和經(jīng)濟(jì)性，以期對(duì)國(guó)家節(jié)能減排、低碳環(huán)保政策的實(shí)施具有重要的促進(jìn)作用。結(jié)合水煤漿提濃技術(shù)現(xiàn)有相關(guān)研究[10-16]，發(fā)現(xiàn)水煤漿提濃技術(shù)的研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的深化探究極其必要。

1 氣化水煤漿提濃技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1.1 氣化水煤漿提濃技術(shù)簡(jiǎn)介

水煤漿濃度的高低對(duì)氣化效率和有效氣體產(chǎn)量具有較大影響，而制漿工藝的選擇對(duì)于提高煤漿濃度起著至關(guān)重要的作用。隨著水煤漿氣化的原料逐漸向難成漿的低階煤種(長(zhǎng)焰煤、不黏煤、弱黏煤和褐煤等)過渡，且大部分煤化工企業(yè)均采用傳統(tǒng)的單磨機(jī)制漿工藝，煤漿濃度偏低(多為≤60%)，嚴(yán)重影響了水煤漿氣化的氣化效率和有效氣體產(chǎn)量，進(jìn)而影響煤化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

為了解決上述問題，以“分級(jí)研磨”和“優(yōu)化級(jí)配”為理論指導(dǎo)的氣化水煤漿提濃新技術(shù)面世，突破常規(guī)單磨機(jī)制漿工藝粒度分布相對(duì)集中的局限[17]，將選擇性粗磨和超細(xì)研磨進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，大顆粒使用常規(guī)棒磨機(jī)粗磨或多級(jí)破碎機(jī)，細(xì)顆粒選用臥式或立式細(xì)磨機(jī)進(jìn)行細(xì)磨，利用各種設(shè)備不同研磨方式制備不同粒度的煤顆粒，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中水煤漿粒度分布的控制及優(yōu)化，解決低階煤制備氣化煤漿存在可磨性差、研磨能耗高、粒度級(jí)配差等技術(shù)難題，進(jìn)而通過提高煤漿粒度堆積效率達(dá)到提高水煤漿濃度的目的[18-22]。其工藝流程如圖1所示。

圖1 氣化水煤漿提濃工藝流程Fig.1 Thickening process flow of gasification coal water slurry

從圖1中的氣化水煤漿提濃新工藝流程可知，將一部分粗磨后的煤漿稀釋至一定濃度后進(jìn)行超細(xì)研磨，研磨成超細(xì)顆粒后再返回至粗磨機(jī)，形成自循環(huán)的閉路系統(tǒng)，以最簡(jiǎn)單的制漿流程實(shí)現(xiàn)了水煤漿粒度級(jí)配的控制及優(yōu)化。

1.2 氣化水煤漿提濃技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

內(nèi)蒙古易高煤化科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱易高公司)是能力為年產(chǎn)30萬t甲醇的煤化工企業(yè)，煤漿制備系統(tǒng)在初建時(shí)由2套φ3.2 m×4.8 m的棒磨機(jī)生產(chǎn)線組成，單臺(tái)磨煤機(jī)處理原煤量為36 t/h，2臺(tái)磨機(jī)運(yùn)行折合干煤量為57.6 t/h，原制漿工藝為傳統(tǒng)單棒磨機(jī)制漿工藝，成漿濃度僅為59%左右。

易高公司氣化工段現(xiàn)場(chǎng)使用2臺(tái)西北院多元料漿氣化爐，制漿系統(tǒng)匹配2臺(tái)φ3.2 m×4.8 m濕式棒磨機(jī)。由于單棒磨機(jī)制漿工藝的煤漿粒度級(jí)配不合理，使得水煤漿濃度偏低且流動(dòng)性和霧化性能差，導(dǎo)致氣化系統(tǒng)煤耗和氧耗偏高，嚴(yán)重制約著氣化反應(yīng)與甲醇合成的效率。

為了提高煤漿濃度及其氣化和合成效率，2015年易高公司開始對(duì)制漿系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，采用分級(jí)研磨制漿工藝及2臺(tái)棒磨機(jī)配置1套細(xì)漿制備系統(tǒng)(CYM-12000C 立式超細(xì)磨機(jī))，經(jīng)制漿系統(tǒng)全面全面改造消除產(chǎn)能瓶頸后，煤漿濃度可提高了3個(gè)百分點(diǎn)，甲醇產(chǎn)量可達(dá)32萬t/a。分級(jí)研磨制漿技術(shù)采用立式攪拌形式超細(xì)研磨機(jī)，該設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中存在能耗偏高、產(chǎn)量小、研磨介質(zhì)消耗量大、操作彈性小等突出問題，且出漿篩網(wǎng)易堵塞及頂部冒漿等不良工況。

易高公司于2017年采用合同能源管理模式引進(jìn)升級(jí)版的制漿工藝，采用臥式離心形式動(dòng)力超細(xì)磨對(duì)分級(jí)研磨制漿工藝進(jìn)行升級(jí)改造。臥式超細(xì)磨機(jī)引入水煤漿制備系統(tǒng)后，通過最佳粒徑配比、最佳細(xì)漿返流比例的試驗(yàn)研究，確定出粗漿與細(xì)漿的最佳粒徑分別為80 μm～100 μm和10 μm～20 μm，最佳返流比例為10%～15%。

1.3 水煤漿提濃技術(shù)對(duì)氣化效果的影響

氣化爐的熱平衡反應(yīng)過程包括吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)，得到的有效氣主要為一氧化碳和氫氣，煤化工產(chǎn)品通過有效氣進(jìn)一步合成而得，因此要求水煤漿氣化有效氣的含量越高越好。對(duì)氣化爐而言，水煤漿中多余的水由40 ℃～60 ℃液態(tài)水變成1 300 ℃～1 400 ℃的過熱水蒸氣并參與氣化反應(yīng)，所需熱量來自煤、氧氣和有效氣體(CO+H2)的燃燒反應(yīng)，造成了極大的能量浪費(fèi)。在投煤量保持不變的情況下，水煤漿濃度越高，向氣化爐中加入的水越少，消耗的系統(tǒng)熱量也就越少，有效氣含量越高，CO2下降，氧氣消耗也隨之下降，同時(shí)出氣化爐的水煤氣總體積不變。據(jù)測(cè)算，煤漿濃度每提高1個(gè)百分點(diǎn)，生產(chǎn)1 000 Nm3合成氣(CO+H2)的比氧耗約下降10 Nm3，比煤耗約減少10 kg，有效合成氣含量增加0.5%以上。

2 分級(jí)研磨制漿提濃技術(shù)應(yīng)用效益分析

分級(jí)研磨制漿提濃技術(shù)主要包括分級(jí)研磨立式細(xì)磨機(jī)技術(shù)和分級(jí)研磨臥式細(xì)磨機(jī)技術(shù)，但由于立式細(xì)磨技術(shù)能耗高、內(nèi)件磨損嚴(yán)重、檢修難度及檢修費(fèi)用較高，因此在此基礎(chǔ)改進(jìn)為帶壓進(jìn)料的分級(jí)研磨臥式細(xì)磨機(jī)技術(shù)，雖提濃效果兩者區(qū)別不大，但臥式細(xì)磨技術(shù)的節(jié)能效果突出且檢修耗時(shí)較短、費(fèi)用較低，可完全達(dá)到能耗低、產(chǎn)出高、長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求。

以下結(jié)合分級(jí)研磨制漿工藝流程和提濃設(shè)備的運(yùn)行區(qū)別及能耗對(duì)比對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 分級(jí)研磨制漿工藝流程

界區(qū)外低壓煤漿槽的煤漿通過配漿泵計(jì)量并與生產(chǎn)工藝水混合后輸至振動(dòng)篩，篩上物進(jìn)入細(xì)漿槽，篩下物進(jìn)入粗漿槽，粗漿槽內(nèi)合格的煤漿通過粗漿泵計(jì)量后輸至細(xì)磨機(jī)。細(xì)磨機(jī)主電機(jī)通過減速機(jī)、聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸和攪拌葉片對(duì)細(xì)磨機(jī)內(nèi)的研磨介質(zhì)和漿料進(jìn)行超細(xì)研磨，使煤漿顆粒不斷磨細(xì)，煤漿在細(xì)磨機(jī)筒體內(nèi)自下往上運(yùn)動(dòng)，被磨細(xì)的合格細(xì)漿經(jīng)細(xì)磨機(jī)上部出口篩網(wǎng)過濾后溢出自流至細(xì)漿槽，此時(shí)煤漿已被研磨成平均粒徑15 μm～30 μm的細(xì)漿。合格的細(xì)漿通過細(xì)漿泵經(jīng)計(jì)量后輸送至棒磨機(jī)進(jìn)口溜槽和出口滾筒篩處，并與煤、水、分散劑混合，最終優(yōu)化煤漿粒度級(jí)配，從而提高棒磨機(jī)煤漿濃度。分級(jí)研磨制漿工藝流程如圖2所示。

圖2 分級(jí)研磨制漿工藝的工藝流程Fig.2 The technological process of grading grinding and pulping

2.2 提濃設(shè)備的運(yùn)行區(qū)別及能耗對(duì)比

2.2.1立式與臥式細(xì)磨機(jī)的運(yùn)行區(qū)別

(1)研磨方式區(qū)別:立式細(xì)磨機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)消耗較多功耗，加之其研磨方式類似于“上下喘動(dòng)”，效率較低。臥式細(xì)磨機(jī)的研磨介質(zhì)在研磨盤帶動(dòng)下徑向圓周運(yùn)動(dòng)、軸向“S”運(yùn)動(dòng)，研磨效率得以大幅提高。

(2)進(jìn)料濃度區(qū)別:立式細(xì)磨機(jī)進(jìn)料濃度控制在35%～42%，濃度過高時(shí)浮力增大，瓷球被動(dòng)上浮，研磨效率下降；濃度過低時(shí)會(huì)造成瓷球周邊煤粒包裹不完全，瓷球互相磨損，消耗過大。臥式細(xì)磨機(jī)進(jìn)料濃度控制在45%～55%，濃度過低時(shí)會(huì)造成研磨介質(zhì)互相磨損；濃度過高時(shí)黏度增加，研磨介質(zhì)與煤粒速度差減小，研磨效率下降。

(3)研磨介質(zhì)區(qū)別:立式細(xì)磨機(jī)采用“攪拌”運(yùn)動(dòng)方式，而臥式細(xì)磨機(jī)采用“滾動(dòng)”運(yùn)動(dòng)方式。啟動(dòng)及研磨過程對(duì)研磨介質(zhì)的比重要求不同，臥式細(xì)磨機(jī)所采用研磨介質(zhì)的比重比立式細(xì)磨機(jī)大，此項(xiàng)目所采用的研磨介質(zhì)為比重是7.8的鋼球，不再采用比重為2.7的三氧化二鋁瓷球。

(4)出料方式區(qū)別:立式細(xì)磨機(jī)采用常壓過濾出料，煤漿濃度高會(huì)出現(xiàn)篩網(wǎng)堵塞和溢流現(xiàn)象；臥式細(xì)磨機(jī)采用全封閉帶壓出料，出口壓力一般可達(dá)0.20 MPa。

(5)設(shè)備磨損區(qū)別:立式細(xì)磨機(jī)采用“攪拌”運(yùn)動(dòng)方式，其下端的研磨葉片要承受更大的摩擦力，因此更易磨損。臥式細(xì)磨機(jī)采用“滾動(dòng)”運(yùn)動(dòng)方式，所以在垂直方向磨損是均勻的；在軸向上，腔體內(nèi)部出料端平均比重大于進(jìn)料端，因此，出料端研磨盤磨損大于進(jìn)料端。

(6)立式細(xì)磨機(jī)研磨介質(zhì)添加比較方便，過程控制簡(jiǎn)單，可在不停機(jī)的情況下，通過自動(dòng)稱重系統(tǒng)將研磨介質(zhì)從設(shè)備頂部加入，減少工人添加研磨介質(zhì)的勞動(dòng)強(qiáng)度。臥式砂磨機(jī)機(jī)組整體采用撬裝，可以根據(jù)各個(gè)廠家不同的場(chǎng)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(tǒng)改造用。

2.2.2提濃設(shè)備運(yùn)行周期與運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

臥式細(xì)磨機(jī)在運(yùn)行初期存在少許瑕疵，如出現(xiàn)小鋼球(<1.2 mm)逃逸、出口篩破損、內(nèi)件磨損嚴(yán)重等問題；隨著對(duì)運(yùn)行工藝、流程及設(shè)備系統(tǒng)的優(yōu)化，現(xiàn)已基本解決此類問題，達(dá)到設(shè)計(jì)使用周期的平衡點(diǎn)；機(jī)組運(yùn)行超過340 d，內(nèi)件磨損狀況如圖3所示。

圖3 臥式細(xì)磨機(jī)內(nèi)件磨損狀況Fig.3 Diagram of internal parts of horizontal fine grinding machine

分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際磨損及運(yùn)行狀況，臥式細(xì)磨機(jī)研磨盤使用壽命約1 a，更換維修所有內(nèi)件，3個(gè)鉗工總檢修時(shí)間為2 d，臥式細(xì)磨機(jī)每年備品備件更換費(fèi)用與檢修情況見表1，年總費(fèi)用共計(jì)17.7萬元。而立式細(xì)磨機(jī)同樣的人工需要7 d～10 d的檢修時(shí)間，立式細(xì)磨機(jī)每年備品備件的更換費(fèi)用與檢修情況見表2，年總費(fèi)用共計(jì)45.19萬元。

表1 臥式細(xì)磨機(jī)備品備件更換費(fèi)用與檢修情況Table 1 Eplacement cost and maintance of spare parts for horizontal fine grinding machine

表2 立式細(xì)磨機(jī)備品備件更換費(fèi)用與檢修情況Table 2 Replacement cost and maintance of spare parts for vertical fine grinding machine

2.2.3能耗對(duì)比及研磨介質(zhì)節(jié)省費(fèi)用

立式細(xì)磨機(jī)使用研磨介質(zhì)為2.5 mm～3 mm的三氧化二鋁瓷球，日消耗量約120 kg；臥式細(xì)磨機(jī)使用的研磨介質(zhì)為2.5 mm～3 mm的耐磨鋼球，日消耗量約50 kg。細(xì)磨機(jī)升級(jí)前后能耗對(duì)比見表3。

表3 細(xì)磨機(jī)升級(jí)前后能耗對(duì)比Table 3 Comparison of energy consumption before and after upgrading of fine grinding mill

由表3可看出，臥式細(xì)磨機(jī)的研磨介質(zhì)消耗和耗電量有明顯的優(yōu)勢(shì)。

采用臥式磨機(jī)后產(chǎn)生的的經(jīng)濟(jì)效益：

(1)原有立式超細(xì)磨機(jī)電機(jī)額定功率560 kW，電機(jī)電壓6 kV，實(shí)際運(yùn)行電流 45 A，按照電網(wǎng)5%的電力損耗計(jì)算，電機(jī)的實(shí)際消耗功率為430 kW。臥式超細(xì)磨機(jī)電機(jī)功率315 kW，電機(jī)電壓6 kV，實(shí)際運(yùn)行電流 19 A,電機(jī)的實(shí)際消耗功率180 kW。按照設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)算，全年可節(jié)省電力消耗 2×10-6kW·h，按照每千瓦時(shí)電力消耗單價(jià)為 0.37元計(jì)，全年可節(jié)約電費(fèi)支出74萬元。

(2)臥式磨機(jī)每年可節(jié)省備品備件和檢修費(fèi)用27.5萬元。

(3)立式磨機(jī)每年消耗研磨介質(zhì)三氧化二鋁60 t，單價(jià)8 000元/t，合計(jì)48萬元，而臥式超細(xì)磨機(jī)年消耗研磨介質(zhì)鋼球15 t，單價(jià)20 000元/t，合計(jì)30萬元，即每年可節(jié)約研磨介質(zhì)費(fèi)用18萬元。

2.3 分級(jí)研磨制漿提濃效益

采用分級(jí)研磨水煤漿制漿工藝，該系統(tǒng)提濃驗(yàn)收時(shí)各項(xiàng)工藝指標(biāo)實(shí)際運(yùn)行對(duì)比數(shù)據(jù)見表4，其中差值為提濃后與提濃前數(shù)值之差。

由表4可見，氣化爐在同樣的負(fù)荷下，水煤漿提濃后日產(chǎn)甲醇可增加84.9 t，同比有效氣在原產(chǎn)基礎(chǔ)上增加1.69%，原料煤?jiǎn)魏慕档土?.25%，氧氣單耗降低了3.43%，以噸甲醇2 200元為基準(zhǔn)，年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，增加產(chǎn)值6 226萬元/a。

表4 分級(jí)研磨制漿提濃前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比Table 4 Comparison of operation data before and after concentration by grading grinding and pluping

增加提濃裝置后的噸甲醇運(yùn)行消耗增加值分別為:電8.34 kW·h、添加劑(公斤30%的水劑)0.5 kg、三氧化二鋁瓷球0.27 kg(立式磨機(jī)用研磨介質(zhì))。

統(tǒng)計(jì)新上提濃裝置的各項(xiàng)消耗和費(fèi)用，每年生產(chǎn)運(yùn)行成本分別增加，如原料煤1 050萬元(系統(tǒng)提濃后投煤量增加)、電耗118萬元、添加劑66.41萬元、三氧化二鋁瓷球50.06萬元、提濃系統(tǒng)的檢修費(fèi)用49.5萬元、折舊與利息99.25萬元，總計(jì)1 433.22萬元。

分級(jí)研磨制漿提濃技術(shù)在易高公司氣化工段現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，其煤漿提濃的經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì)如下:煤漿提濃以2.61%計(jì)算，年增加產(chǎn)值6 226萬元，年消耗1 433.22萬元，再加上每年15萬元的人力成本，凈利潤(rùn)可達(dá)4 777.78萬元/a。

3 結(jié) 論

水煤漿提濃技術(shù)可促進(jìn)水煤漿氣化效率和有效氣體產(chǎn)量的提高,其技術(shù)發(fā)展使得水煤漿氣化的優(yōu)越性越發(fā)明顯，煤漿濃度的提高可使有效氣的比氧耗和比煤耗下降、有效氣含量大幅增加，可使得整個(gè)裝置產(chǎn)能大幅提高，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排、高產(chǎn)的目的。自2015年氣化水煤漿提濃技術(shù)在易高公司氣化工段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施以來，結(jié)合分級(jí)研磨制漿流程及其提濃設(shè)備的運(yùn)行區(qū)別、運(yùn)行周期及能耗對(duì)比等分析其經(jīng)濟(jì)效益，得到如下效果:

(1)與單棒磨機(jī)制漿工藝相比，煤漿濃度提高3個(gè)百分點(diǎn)左右，煤漿濃度的提高對(duì)氣化效果的影響非常顯著，同時(shí)增加了系統(tǒng)投煤量，為后系統(tǒng)甲醇的增產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

(2)煤漿濃度提高對(duì)氣化效果的影響非常顯著，煤漿提濃以3%計(jì)算，年增加產(chǎn)值6 226萬元，凈利潤(rùn)可達(dá)4 777.78萬元/a。

(3)2018年將新型臥式超細(xì)磨機(jī)引入水煤漿制備提濃系統(tǒng)后，相對(duì)于立式磨機(jī)其電耗、備品備件、維修費(fèi)用和研磨介質(zhì)的消耗均大幅降低，每年由此產(chǎn)生的效益超過119.5萬元。