湿法水煤浆制备工艺存在的问题及优化

王民亭，李 峰，陈世亮

（中国神华煤制油化工有限公司咸阳化工分公司，陕西 咸阳 712000）

生产工艺

湿法水煤浆制备工艺存在的问题及优化

王民亭，李 峰，陈世亮

（中国神华煤制油化工有限公司咸阳化工分公司，陕西 咸阳 712000）

本文对传统的高浓度湿法水煤浆制备工艺技术中存在的煤浆浓度低、电耗高、水耗高及pH调节剂消耗高等问题进行了工艺优化。优化后，制浆水系统每年可节约新鲜水36.72万t、40%的NaOH溶液减少消耗1080t；水煤浆平均浓度由61.8%提高到62.8%，平均提高了1%。停止加入石灰石后，灰水硬度从1300mg·L-1降低为800mg·L-1左右，缓解了系统结垢问题。添加剂分层现象及磨煤机动密封泄漏问题得到有效解决，节能增效效果显著，对湿法水煤浆制备工艺的改进具有重要意义。

水煤浆；制浆工艺；棒磨机；添加剂；消耗

我国是一个煤炭资源丰富而石油资源匮乏的国家，煤炭是化工、钢铁、电力等产业最主要的原料和燃料。水煤浆由65%～70%左右的煤、30%～35%左右的水和少量添加剂混合制备而成，燃烧效率较高，是低污染、廉价的洁净液体燃料，可以方便地泵送、储运和雾化燃烧。燃烧时的火焰温度比油低，产生的氮氧化物比油少，具有代油、环保和节能等综合效益，可替代重油，缓解石油短缺的能源安全问题，是中国洁净技术的一项重要内容[1-2]。在相同热值下水煤浆与燃油相比，其价格仅为重油的一半左右，因此水煤浆技术是一种投资省、成本低、见效快、简单易行和成熟度高的代油技术，具有显著的经济效益。

目前水煤浆技术的应用包括燃油锅炉改烧水煤浆[3-4]、水煤浆气化合成气体等。除了燃烧，水煤浆还能通过气化工艺更好地利用。水煤浆气化后，用煤气代替煤作为工业和民用燃料，既可以提高煤的综合利用率和热效率，还可以大大减轻煤燃烧时对环境造成的污染[5-6]。因此，煤的气化是当前洁净煤技术中的首选项目之一[7]。

本文对某600 kt·a-1煤制甲醇项目中，棒磨机湿法水煤浆制备工艺存在的煤浆浓度低、电耗高、水耗高及pH调节剂消耗高等问题进行了优化。优化后节能增效效果显著，生产更为稳定，为湿法水煤浆制备工艺的改进提供了实践依据。

图1 水煤浆制备系统工艺流程Fig.1 Process flow of coal slurry preparation system

1 水煤浆制备工艺流程

水煤浆制备工艺流程见图1。煤贮斗内粒径小于10mm的碎煤粒经煤称量给料机称量送入磨煤机H1；助溶剂料斗内的助溶剂(纯度大于96%的石灰石粉末)经圆盘喂料机称量后送入磨煤机。添加剂槽中质量浓度为15%的添加剂水溶液经添加剂计量泵输送至磨煤机中。pH值调节剂槽中质量浓度为40%的NaOH水溶液作为水煤浆的pH值调节剂，由pH值调节剂泵计量后送入磨煤机中。自甲醇精馏来的残液、低温变换冷凝液和新鲜水进入制浆水槽混合，作为水煤浆制备的工艺水，正常情况下用新鲜水量来维持制浆水槽液位。制浆水经制浆水泵送入磨煤机，通过调节阀来调节制浆水流量。

原料煤、制浆水、助溶剂、添加剂和pH值调节剂一同送入磨煤机中，研磨成一定粒度的、浓度约为60%～64%、黏度为300～1300cp的合格水煤浆。水煤浆经滚筒筛分离除去3mm以上的大颗粒后溢流至磨煤机出料槽中，磨煤机出料槽中的搅拌器使煤浆始终处于均匀悬浮状态，防止静止分层，再由低压煤浆泵送至气化装置煤浆槽中备用。

2 水煤浆制备工艺中存在的问题

2.1 制浆水系统

在设计中制浆用水主要为新鲜水（约51t·h-1）和系统回收的甲醇精馏残液（约7t·h-1）、变换低温冷凝液（约 10t·h-1）等。

水煤浆pH值的设计指标为7～9，采用添加NaOH溶液的方法来调节，其添加量约为0.15t·h-1。磨煤装置满负荷运行时，每天需消耗新鲜水1224t·d-1，消耗40%浓度的NaOH溶液3.6t·d-1。

气化装置每天外排灰水1632t·d-1，以达到水系统平衡和系统灰水中硬度、总溶固含量的稳定。因灰水pH值在8.2～8.5之间，若将灰水作为制浆用水，既能满足制浆过程对新鲜水的需求量，还能发挥灰水高pH值的特点，使其在制浆过程中起到调节水煤浆pH值的作用。

2.2 添加剂易分层

由于添加剂在添加剂槽中大量存储，长期处于静止状态，容易发生分层现象，生产中多次因添加剂槽内添加剂分层沉淀，造成添加剂泵出口流量不稳定，严重影响磨煤机的正常运行及水煤浆品质。

2.3 煤浆浓度偏低

在表1中，每月水煤浆平均浓度在61.4%～62.1%范围内，低于62%的次数为12～38次，波动较大。5个月平均浓度为61.8%，低于62%的次数平均值为23.4次。水煤浆的浓度直接影响气化炉的负荷、氧耗、煤耗、冷煤气效率、气化过程、碳转化率、有效气体组成等各项指标，提高水煤浆浓度对企业降本增效具有重要作用。

表1 优化前水煤浆质量浓度及其低于62%的次数Table 1 The mass concentration and the times of less than 62% of coal water slurry before optimization

2.4 磨煤机动密封泄漏

磨煤机进料口动密封因长期运转，密封性能变差，导致制浆水和细煤灰大量泄漏，造成环境污染和原料煤浪费。

2.5 灰水硬度较高

石灰石主要起到降低灰熔点的作用。水煤浆中加入石灰石，使得气化水系统硬度较高，达到1300mg·L-1左右，灰水管道及气化水系统结垢严重。

2.6 磨煤机入料口易堵煤

在生产负荷较高时，原料煤量较大，磨煤机入料口容易出现堵煤现象，导致煤称量给料机跳车，且疏通难度大、时间长，迫使制浆系统停运。

3 采取的优化措施及优化效果

3.1 制浆水系统的优化措施及效果

针对制浆水系统的问题，经过分析论证，采取如下优化措施：

1）将气化外排灰水配管引至磨煤装置制浆水槽内，替代原流程中的新鲜水，以维持整个制浆水槽内液位。原新鲜水管线留用，作为紧急情况下补水用。

2）在简单地只将气化外排灰水引至制浆水槽内替代原有原水磨煤，而未改变变换低温冷凝液的去处时，多次发生制浆水泵叶轮内壁及进出口管道结垢问题，严重影响到整个磨煤装置的稳定运行。

对制浆水管道垢片、气化外排灰水和变换低温冷凝液进行取样分析可知，将灰水与变换低温冷凝液在制浆水槽内混合，通过制浆水泵送往磨煤机过程中，会在泵吸入口管道、叶轮内壁及泵出口管线形成碳酸盐结垢，造成泵打量严重不足，严重影响到整个磨煤装置的稳定运行。

为有效解决此问题，重新对变换低温冷凝液管线进行配管设计，即将变换冷凝液直接配管引至磨煤机内使用，不再将其送往制浆水槽内，从根本上解决两种废水相互混合后形成碳酸盐结垢的问题。同时为方便精确计量进入磨煤机的变换冷凝液水量，在总管上增设了一台电磁流量计。

3）甲醇精馏送来的残液中含有大量的石蜡，石蜡因温度降低易附着在制浆水管道内壁上，而气化灰水的浊度一般控制在≤100mg·L-1，当这两股水通过同一条管道时，灰水中夹带的少量细灰将被管道内壁附着的石蜡吸附，逐渐在管道内壁上形成一层比较蓬松且薄厚不均匀的（石蜡+细煤灰）垢片，从而影响制浆水系统的正常供给，磨煤装置乃至整个气化装置被迫降负荷运行。

为有效解决此问题，在系统停车检修中，将甲醇精馏残液直接配管引至磨煤机内使用，同时在精馏残液管道沿途增配蒸汽伴热，防止因温度降低造成石蜡在管道上附着，从根本上解决灰水中细煤灰与石蜡结垢的问题。同时为方便精确计量进入磨煤机的甲醇精馏残液量，在总管上增设了一台电磁流量计。

4）因气化灰水pH值普遍在8.2～8.5之间，将原设计中用新鲜水磨煤改为用灰水磨煤后，无需再向系统补加40%浓度的NaOH溶液，便可实现对水煤浆pH值的有效调节，故原设计流程中的pH值调节系统可停止运行。

按以上方案对制浆水系统工艺流程进行优化后，按每年运行300d计算，可减少新鲜水消耗量36.72万t·a-1，减少40%浓度的NaOH溶液消耗量1080t·a-1，同时降低了电耗。将气化灰水、甲醇精馏残液、变换低温冷凝液三路水分别单独进行计量后送入磨煤机内使用，可有效杜绝制浆水系统管道结垢问题。工艺流程优化前制浆水管道投用7d后，就出现明显的泵叶轮和进出口管道结垢现象，严重影响制浆系统稳定生产。优化后，制浆水泵叶轮及进出口管道在连续运行3个月后未见明显结垢现象，期间泵出口流量稳定，制浆系统运行平稳，未发生因水系统的供给不足而造成的系统减负荷事件。

3.2 添加剂分层现象的优化措施及效果

在添加剂槽顶部增加1台浆式搅拌器，使其处于长期运转状态，对添加剂槽内的液体进行搅拌，使添加剂混合得更加均匀，且不易产生分层沉淀，有效避免了添加剂泵入口的堵塞问题，确保了水煤浆品质。

3.3 提高水煤浆浓度的优化措施及效果

针对水煤浆浓度偏低的问题，经过分析论证，采取如下优化措施：

1）保证原料煤煤质稳定。灰分及内水含量差别较大的原料煤不定期出现，煤质波动大，若水煤比调节不及时，煤浆浓度会出现较大波动。对煤质差别较大的原料煤分开存储，及时查看磨煤机滚筒筛中的挂浆情况，根据挂浆情况及时调整制浆水流量。

2）增加抽风机，减小滚筒筛中水蒸气的聚集。甲醇精馏残液及低温变换冷凝液中含有大量水蒸气及不凝气，进入磨煤机中，影响操作人员查看滚筒筛挂浆情况。在滚筒筛顶部增加抽风机，将水蒸气及不凝气及时抽出，可提高操作人员对滚筒筛挂浆情况判断的准确性。

3）调整钢棒配比，确保煤浆粒度达标。随着磨煤机运行时间的增加，钢棒逐渐变细，当钢棒研磨至＜Φ40mm时，断棒现象严重，研磨至Φ30mm时，断棒更多。断棒在磨机的旋转运动中将其它棒垫起，造成磨煤效率下降，煤浆中的大颗粒较多，煤浆的稳定性较差，浓度降低。为此，定期对煤浆粒度进行分析，根据煤浆粒度分布情况及时添加钢棒，同时拣出断棒。

4）将浓度不合格的水煤浆送入废浆槽。在开车时，水煤比偏差较大，浓度较低，可将其送入废浆槽，检测分析合格后再送入煤浆槽。停车时则用新鲜水冲洗煤浆管线及煤浆泵，冲洗时及时切入废浆槽，防止对煤浆槽内的合格煤浆造成影响。

5）控制制浆水流量稳定。在阀门出现异常或制浆水泵故障时，制浆水流量波动较大，水煤比失衡。因此，及时维修阀门或开启备用制浆水泵是维持制浆水流量的必要措施。

6）避免煤贮斗底部架桥。通常情况下，原料煤外水含量在10%左右，湿度较低，不容易架桥；而在湿度较高、煤贮斗内储煤较多时，容易导致煤贮斗底部架桥，严重时导致煤称量给料机跳车，使得水煤比偏差较大。根据原料煤的含水量，及时启动煤贮斗振动器和调整制浆水流量，煤贮斗底部架桥的问题得到解决。

表2 优化后水煤浆质量浓度及其低于62%的次数Table 2 The mass concentration and the times of less than 62% of coal water slurry after optimization

由表2可知，采取以上优化措施后，每月水煤浆平均浓度提高到62.4%～62.8%，每月低于62%的次数在1～8次，且趋于稳定。5个月的平均浓度为62.6%，低于62%的次数平均值为5.4次。与优化前相比，煤浆浓度提高了0.8%，低于62%的次数平均值降低了18次。

3.4 磨煤机动密封泄漏的优化措施及效果

在动密封处增加密封气，用工厂空气作为气源，经过长期运行，泄漏现象未再出现，有效解决了泄漏问题，同时达到节能效果。

3.5 灰水硬度较高的优化措施及效果

选择灰熔点低于1300℃的原料煤，并控制煤质稳定，停止加入石灰石后，灰水的硬度降低到800mg·L-1左右，灰水管道及气化水系统结垢情况得到缓解，同时降低了制浆成本。

3.6 磨煤机入料口易堵煤的优化措施及效果

在磨煤机入料口增加一路制浆水，连续不断地对入料口进行冲洗，同时起到润滑作用。优化后，有效解决了入料口堵煤问题，使得水煤浆制备系统运行更加稳定。

4 结论

1）制浆水系统优化效果较好，每年可节约新鲜水36.72万t，减少消耗40%浓度的NaOH溶液1080t。

2）水煤浆平均浓度由61.8%提高到62.8%，平均提高了1%。

3）停止加入石灰石后，灰水硬度从1300mg·L-1降低为800mg·L-1左右，缓解了系统结垢问题；

4）添加剂分层现象、磨煤机动密封泄漏及磨煤机入料口堵塞问题得到有效解决，节能增效效果显著。

[1] 翁卫国，周俊虎，牛志刚，等. 220t/h水煤浆锅炉NOx排放特性的研究[J].浙江大学学报(工学版)，2006，40(8)：1439-1442.

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Existing Problems and Optimization of Coal Water Slurry Preparation by Wet Process

WANG Minting, LI Feng, CHEN Shiliang
(Xianyang Chemical Company, China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co. Ltd., Xianyang 712000, China)

TQ 546.1

B

1671-9905(2017)11-0059-04

陈世亮（1984-），男，陕西安康人，硕士研究生，工程师，从事煤气化工艺技术工作。E-mail:piaocsl@163.com

2017-07-31