王 建 軍

(1.煤科院節(jié)能技術有限公司，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，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性和穩(wěn)定性，而其中水煤漿的濃度對氣化系統(tǒng)的有效氣產(chǎn)量及氣化效率影響很大，直接關系到企業(yè)生產(chǎn)成本的高低及經(jīng)濟效益[1-2]。目前大部分煤化工企業(yè)采用傳統(tǒng)單棒(球)磨機生產(chǎn)工藝，濃度基本不大于60%，嚴重制約著碳的轉(zhuǎn)化率[3]。由于目前優(yōu)質(zhì)煤種價格攀高，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備、擴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與運行成本，進而提高水煤漿的燃燒、氣化的效率和經(jīng)濟性，以期對國家節(jié)能減排、低碳環(huán)保政策的實施具有重要的促進作用。結(jié)合水煤漿提濃技術現(xiàn)有相關研究[10-16]，發(fā)現(xiàn)水煤漿提濃技術的研究與現(xiàn)場應用的深化探究極其必要。

1 氣化水煤漿提濃技術現(xiàn)場應用

1.1 氣化水煤漿提濃技術簡介

水煤漿濃度的高低對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于提高煤漿濃度起著至關重要的作用。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)的單磨機制漿工藝，煤漿濃度偏低(多為≤60%)，嚴重影響了水煤漿氣化的氣化效率和有效氣體產(chǎn)量，進而影響煤化工企業(yè)的經(jīng)濟效益。

為了解決上述問題，以“分級研磨”和“優(yōu)化級配”為理論指導的氣化水煤漿提濃新技術面世，突破常規(guī)單磨機制漿工藝粒度分布相對集中的局限[17]，將選擇性粗磨和超細研磨進行有機結(jié)合，大顆粒使用常規(guī)棒磨機粗磨或多級破碎機，細顆粒選用臥式或立式細磨機進行細磨，利用各種設備不同研磨方式制備不同粒度的煤顆粒，實現(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、粒度級配差等技術難題，進而通過提高煤漿粒度堆積效率達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行超細研磨，研磨成超細顆粒后再返回至粗磨機，形成自循環(huán)的閉路系統(tǒng)，以最簡單的制漿流程實現(xiàn)了水煤漿粒度級配的控制及優(yōu)化。

1.2 氣化水煤漿提濃技術現(xiàn)場應用實例

內(nèi)蒙古易高煤化科技有限公司(以下簡稱易高公司)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)在初建時由2套φ3.2 m×4.8 m的棒磨機生產(chǎn)線組成，單臺磨煤機處理原煤量為36 t/h，2臺磨機運行折合干煤量為57.6 t/h，原制漿工藝為傳統(tǒng)單棒磨機制漿工藝，成漿濃度僅為59%左右。

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

為了提高煤漿濃度及其氣化和合成效率，2015年易高公司開始對制漿系統(tǒng)進行升級改造，采用分級研磨制漿工藝及2臺棒磨機配置1套細漿制備系統(tǒng)(CYM-12000C 立式超細磨機)，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個百分點，甲醇產(chǎn)量可達32萬t/a。分級研磨制漿技術采用立式攪拌形式超細研磨機，該設備在實際應用中存在能耗偏高、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升級版的制漿工藝，采用臥式離心形式動力超細磨對分級研磨制漿工藝進行升級改造。臥式超細磨機引入水煤漿制備系統(tǒng)后，通過最佳粒徑配比、最佳細漿返流比例的試驗研究，確定出粗漿與細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 水煤漿提濃技術對氣化效果的影響

氣化爐的熱平衡反應過程包括吸熱反應和放熱反應，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，所需熱量來自煤、氧氣和有效氣體(CO+H2)的燃燒反應，造成了極大的能量浪費。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，同時出氣化爐的水煤氣總體積不變。據(jù)測算，煤漿濃度每提高1個百分點，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 分級研磨制漿提濃技術應用效益分析

分級研磨制漿提濃技術主要包括分級研磨立式細磨機技術和分級研磨臥式細磨機技術，但由于立式細磨技術能耗高、內(nèi)件磨損嚴重、檢修難度及檢修費用較高，因此在此基礎改進為帶壓進料的分級研磨臥式細磨機技術，雖提濃效果兩者區(qū)別不大，但臥式細磨技術的節(jié)能效果突出且檢修耗時較短、費用較低，可完全達到能耗低、產(chǎn)出高、長周期運行的要求。

以下結(jié)合分級研磨制漿工藝流程和提濃設備的運行區(qū)別及能耗對比對其經(jīng)濟效益進行簡要分析。

2.1 分級研磨制漿工藝流程

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

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

2.2 提濃設備的運行區(qū)別及能耗對比

2.2.1立式與臥式細磨機的運行區(qū)別

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

(2)進料濃度區(qū)別:立式細磨機進料濃度控制在35%～42%，濃度過高時浮力增大，瓷球被動上浮，研磨效率下降；濃度過低時會造成瓷球周邊煤粒包裹不完全，瓷球互相磨損，消耗過大。臥式細磨機進料濃度控制在45%～55%，濃度過低時會造成研磨介質(zhì)互相磨損；濃度過高時黏度增加，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:立式細磨機采用“攪拌”運動方式，而臥式細磨機采用“滾動”運動方式。啟動及研磨過程對研磨介質(zhì)的比重要求不同，臥式細磨機所采用研磨介質(zhì)的比重比立式細磨機大，此項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:立式細磨機采用常壓過濾出料，煤漿濃度高會出現(xiàn)篩網(wǎng)堵塞和溢流現(xiàn)象；臥式細磨機采用全封閉帶壓出料，出口壓力一般可達0.20 MPa。

(5)設備磨損區(qū)別:立式細磨機采用“攪拌”運動方式，其下端的研磨葉片要承受更大的摩擦力，因此更易磨損。臥式細磨機采用“滾動”運動方式，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料端，因此，出料端研磨盤磨損大于進料端。

(6)立式細磨機研磨介質(zhì)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(tǒng)將研磨介質(zhì)從設備頂部加入，減少工人添加研磨介質(zhì)的勞動強度。臥式砂磨機機組整體采用撬裝，可以根據(jù)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(tǒng)改造用。

2.2.2提濃設備運行周期與運行費用對比

臥式細磨機在運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)件磨損嚴重等問題；隨著對運行工藝、流程及設備系統(tǒng)的優(yōu)化，現(xiàn)已基本解決此類問題，達到設計使用周期的平衡點；機組運行超過340 d，內(nèi)件磨損狀況如圖3所示。

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

分析現(xiàn)場實際磨損及運行狀況，臥式細磨機研磨盤使用壽命約1 a，更換維修所有內(nèi)件，3個鉗工總檢修時間為2 d，臥式細磨機每年備品備件更換費用與檢修情況見表1，年總費用共計17.7萬元。而立式細磨機同樣的人工需要7 d～10 d的檢修時間，立式細磨機每年備品備件的更換費用與檢修情況見表2，年總費用共計45.19萬元。

表1 臥式細磨機備品備件更換費用與檢修情況Table 1 Eplacement cost and maintance of spare parts for horizontal fine grinding machine

表2 立式細磨機備品備件更換費用與檢修情況Table 2 Replacement cost and maintance of spare parts for vertical fine grinding machine

2.2.3能耗對比及研磨介質(zhì)節(jié)省費用

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

表3 細磨機升級前后能耗對比Table 3 Comparison of energy consumption before and after upgrading of fine grinding mill

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

采用臥式磨機后產(chǎn)生的的經(jīng)濟效益：

(1)原有立式超細磨機電機額定功率560 kW，電機電壓6 kV，實際運行電流 45 A，按照電網(wǎng)5%的電力損耗計算，電機的實際消耗功率為430 kW。臥式超細磨機電機功率315 kW，電機電壓6 kV，實際運行電流 19 A,電機的實際消耗功率180 kW。按照設備年運行時間8 000 h計算，全年可節(jié)省電力消耗 2×10-6kW·h，按照每千瓦時電力消耗單價為 0.37元計，全年可節(jié)約電費支出74萬元。

(2)臥式磨機每年可節(jié)省備品備件和檢修費用27.5萬元。

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

2.3 分級研磨制漿提濃效益

采用分級研磨水煤漿制漿工藝，該系統(tǒng)提濃驗收時各項工藝指標實際運行對比數(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)基礎上增加1.69%，原料煤單耗降低了3.25%，氧氣單耗降低了3.43%，以噸甲醇2 200元為基準，年運行8 000 h計算，增加產(chǎn)值6 226萬元/a。

表4 分級研磨制漿提濃前后運行數(shù)據(jù)對比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(立式磨機用研磨介質(zhì))。

統(tǒng)計新上提濃裝置的各項消耗和費用，每年生產(chǎn)運行成本分別增加，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)的檢修費用49.5萬元、折舊與利息99.25萬元，總計1 433.22萬元。

分級研磨制漿提濃技術在易高公司氣化工段現(xiàn)場得到應用，其煤漿提濃的經(jīng)濟效益統(tǒng)計如下:煤漿提濃以2.61%計算，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，凈利潤可達4 777.78萬元/a。

3 結(jié) 論

水煤漿提濃技術可促進水煤漿氣化效率和有效氣體產(chǎn)量的提高,其技術發(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，可使得整個裝置產(chǎn)能大幅提高，最終實現(xiàn)節(jié)能、減排、高產(chǎn)的目的。自2015年氣化水煤漿提濃技術在易高公司氣化工段現(xiàn)場實施以來，結(jié)合分級研磨制漿流程及其提濃設備的運行區(qū)別、運行周期及能耗對比等分析其經(jīng)濟效益，得到如下效果:

(1)與單棒磨機制漿工藝相比，煤漿濃度提高3個百分點左右，煤漿濃度的提高對氣化效果的影響非常顯著，同時增加了系統(tǒng)投煤量，為后系統(tǒng)甲醇的增產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

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

(3)2018年將新型臥式超細磨機引入水煤漿制備提濃系統(tǒng)后，相對于立式磨機其電耗、備品備件、維修費用和研磨介質(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。