长距离输煤管道煤浆制备技术及应用

梁霏飞

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064)

管道输煤是我国新兴的煤炭输送方式，与其他输送方式相比具有占地少、成本低、节能环保、抗灾能力强等优势，但长距离输煤管道技术在我国的应用刚起步[1，2]，世界规模最大、中国第一条长距离输煤管道是由中煤科工集团武汉设计研究院有限公司(以下简称武汉院)总承包(EPC)的神渭管道输煤工程。

管道输煤是将煤以水为载体用管道输送至用户，煤浆制备是煤进入管道输送前的关键工艺。长距离管输煤浆的特性指标中，浓度和粒度组成至关重要。长距离输煤管道煤浆制备工艺的设计取决于管输煤浆对特性的要求，需既能安全、经济输送，又方便终端用户使用，与气化水煤浆、燃料水煤浆等高浓度水煤浆制备工艺差异较大[3，4]。

因此，需分析煤浆特性对长距离管输的影响，选取适合的浓度及粒度组成，设计合理的煤浆制备工艺，以制备合格管输煤浆，以期对长距离输煤管道煤浆制备技术的发展提供技术参考[5]。

1 长距离管输煤浆重要特性指标选取

1.1 浓度选取

浓度是长距离管输煤浆的重要特性，对管道运行的可靠性和管输能耗有重要影响。通常，水煤浆包括高浓度水煤浆和常规浓度水煤浆[4]。其中，高浓度水煤浆主要包括燃料水煤浆和气化水煤浆。高浓度水煤浆与常规浓度水煤浆特性对比见表1。

表1 高浓度水煤浆与常规浓度水煤浆特性对比

燃料水煤浆、气化水煤浆由于浓度高，导致其粘度也高，即使加入添加剂降粘后仍难以满足长距离管输的要求，用管道输送时是层流输送，通常经济流速为0.5～1.0m/s，管中心流速最大，到管壁逐渐减小至 0，煤浆开始在管壁滞留，后期将在中心滞留[4]。因此，高浓度煤浆很难长距离管输，容易堵塞管道，不宜选用。而常规浓度水煤浆具有紊流性，适合长距离管输。

长距离管输煤浆浓度选取研究结果表明，煤浆浓度太低时，稳定性不好，颗粒沉降速度快，易形成非均质流；而煤浆浓度太高时，粘度大，摩擦阻力大，运输能耗大，成本高。对比重为1.3～1.4的原料煤制备长距离管输煤浆时，设计浓度可考虑选取的范围为45%～55%。因此，长距离管输适合选用常规浓度水煤浆[6]。例如，美国Black Mesa管道的煤浆浓度范围为46%～48%[7]。

武汉院管道实验中心针对神渭管道输煤工程的煤样进行了一系列基础试验、制浆试验及大样环管试验，目的是确定既能安全、经济输送，又有利于终端脱水的长距离管输煤浆设计浓度[5]。研究结果表明，合理的浓度范围为51%～55%，该浓度范围的煤浆粘度低、磨蚀小、稳定性好，浆体为伪均质状态，能采用管道进行紊流状态长距离大运量输送[4]。在神木首端制浆车间制备合格管输煤浆，输送至各终端后，用户根据各自化工厂工艺要求，再二次制浆为所需浓度的气化水煤浆[7]。

1.2 粒度组成选取

粒度组成也是长距离管输煤浆的重要特性，合理的粒度组成能提高煤浆浓度、降低颗粒沉降速度、提高管输效率。在设计粒度组成时，考虑保证良好的水力特性，降低制浆、输送和终端脱水费用[8，9]，以及防止颗粒沉降和管道堵塞[10]。

长距离管输煤浆粒度组成选取研究时，发现在一定范围内，粒度组成越细，消耗能量、输送费用越少，制浆、脱水费用越多；而粒度组成越粗，消耗能量、输送费用越多，制浆、脱水费用越少。

长距离管输煤浆粒度组成选取研究结果表明，粒度大于一定范围的粗颗粒不能均匀悬浮，有阻留在管底的趋势，会导致管道堵塞和管底磨损，而细颗粒可增大煤浆比重，使粗颗粒不易沉淀[4]。

根据武汉院管道实验中心针对神渭管道输煤工程的研究结果，合理的粒度组成应符合：0.044mm以下的细颗粒占比不少于20%[4]，1.2mm以上的粗颗粒仅极少量，该粒度组成能保证颗粒稳定悬浮。这是由于粒度大于1.2mm的粗颗粒不能均匀悬浮，而粒度在0.044mm以下的细颗粒可增大煤浆比重，使粗颗粒不易沉淀，保证其占比很重要，因此应严格控制粗颗粒和0.044mm以下细颗粒的占比[4]，但允许有一定的波动范围。

2 长距离管输煤浆制备方案、工艺设计和设备选择

2.1 高浓度水煤浆制备工艺

高浓度水煤浆制备工艺通常需要添加剂系统(如分散剂系统、稳定剂系统等)，工艺环节多。

高浓度水煤浆制备工艺是将煤、水和分散剂一起送入磨机研磨，产品经过搅拌、稳定性等处理后即为合格水煤浆。高浓度水煤浆制备工艺流程如图1所示。

图1 高浓度水煤浆制备工艺流程

2.2 长距离管输煤浆制备工艺

2.2.1 煤浆制备方案选择

长距离输煤管道煤浆制备方案的设计考虑直流式和分流式两种方案。

直流式制浆方案为：破碎—湿法棒磨—检查筛分。将原料煤破碎后，湿法棒磨，筛检出粗颗粒返回磨机再磨，筛下物调制为合格煤浆。

分流式制浆方案为：预先筛分—破碎—湿法棒磨—检查筛分。将原料煤进行预先筛分，筛上物进入破碎机破碎，再与筛下物混合湿法棒磨，调制为合格煤浆[4]。两种制浆方案对比见表2。

表2 制浆方案对比

综合对比研究发现，直流式制浆方案工艺流程简单，系统可靠性高，工艺环节少，占地面积小；而分流式制浆方案由于增加了筛分作业而导致厂房、设备投资增加，且易产生粉尘，对工作环境影响大，还需增加除尘系统，也不利于生产管理。

因此，确定采用直流式制浆方案。

2.2.2 煤浆制备工艺设计和设备选择

长距离管输煤浆制备工艺通常不需要添加剂系统，工艺环节少。根据所选择的制浆方案，工艺设计如下：

原料煤自储煤仓下(或储煤场)，经带式输送机送至破碎车间破碎后，经带式输送机送至制浆车间，由配仓带式输送机转载至缓冲煤仓，缓冲煤仓内的煤由定量给料机给入棒磨机，加水研磨成一定浓度和粒度组成的煤浆。研磨后的煤浆经安全筛检查筛分后，筛上不合格煤浆通过返浆罐返回棒磨机再磨，筛下煤浆经缓冲煤浆罐缓冲后泵送至储浆罐搅拌储存，此后送至泵输系统输送。长距离输煤管道煤浆制备工艺流程如图2所示。

图2 长距离输煤管道煤浆制备工艺流程

长距离管输煤浆制备主要设备包括带式输送机、破碎机、缓冲煤仓、定量给料机、棒磨机、安全筛、缓冲煤浆罐、返浆罐、储浆罐[11，12]等。其中，以棒磨机为主设备的磨煤系统为主工艺系统，给煤系统、给水系统及返浆系统等为辅助配套系统[3]。

神渭管道主要设备的选型没有相同工况可参照，主要依据类似工况运行经验。选型原则包括选择运行稳定、技术成熟、经济合理、高效节能的设备，考虑通用性和一致性的情况下尽量选用同系列、同型号的设备，以便设备维护和零配件的备用，充分考虑实际煤质变化情况，处理能力留有充足的富余，并补充了试验研究加以论证[8]。

研究结果表明，为保证磨煤系统运行稳定，将缓冲仓容量设计为2h以上用煤量。制备管输煤浆的磨机所需的入料粒度较细，常用的破碎机无法保证其入料粒度，因此设计选用可逆锤式细碎机作为破碎设备。磨机是控制煤浆粒度级配的关键设备，为满足浆体粒度级配要求，保证粒度均匀分布并严格控制其上限粒度，设计选用棒磨机进行制浆。鉴于选型时国内磨机厂家均无磨制管输煤浆的业绩，设计主要借鉴美国Black Mesa管道的经验数据，并结合实际煤质资料，同时考虑足够的裕量和备用系数。为严格控制煤浆产品中超限颗粒的含量，设计在棒磨机出料端设有安全筛，以防止超限颗粒和研磨过程中产生的杂物进入管输系统，从而保证煤浆在管道内的安全输送。

3 长距离输煤管道煤浆制备技术工程应用成果

煤浆制备技术是长距离输煤管道工艺的重要组成部分，煤浆制备方案、制备工艺、设备选择对长距离管输十分重要，其技术应满足管道输送要求和减少管道磨损。

就目前我国已提出的8条输煤管道设想来看，制浆系统基建投资估算一般占总投资的14%～20%。由于制浆系统基建投资、营运费用占比较大，合理的管输煤浆制备技术至关重要[13]。

武汉院通过理论计算、试验研究，并结合神渭管道输煤工程的设计、调试经验，研发了较完善的长距离输煤管道煤浆制备技术，可满足工程和行业发展需求。

神渭管道输煤工程煤浆制备系统的设计选用了高效率、低能耗、可靠运行的设备，并考虑了足够的备用系数，设置集中控制和监控系统。神渭管道某制浆生产线已调试完成并制备出煤浆，全方位化验结果表明，所有特性指标均符合长距离管输条件，是中国第一条完成工业化调试的长距离管输煤浆制备生产线，不仅满足设计要求，还积累了宝贵的数据，为投运和行业发展迈出了坚实的第一步。

4 长距离输煤管道煤浆制备技术发展方向及前景

目前，长距离输煤管道煤浆制备技术的制浆浓度和输送浓度偏低，终端用户需脱水、提浓处理后才可使用。今后，可向提高制浆浓度和输送浓度的方向发展，研究适合高浓度输送的长距离输煤管道煤浆制备、输送技术，以便输送至终端的煤浆可直接供化工厂、电厂等用户使用，例如，进行添加不同方案添加剂提浓、降粘的研究，寻求合理的、适合高浓度输送的适配方案[14，15]，并需要提高效率和降低成本。另外，今后可研究长距离输送矸石及电厂、煤化工尾渣等更多种类物料。

随着环保要求的提高、技术的进步、科技的发展，管输煤浆作为煤基流体燃料，具有环保、经济、节能等优势，还提供了更多新的研究方向。长距离输煤管道能耗低、占地少、工艺环节少、劳动定员少、受地形条件限制小、运输和运营成本低、抗灾能力强、自动化程度高、能保证连续供给用户的优势越来越显著，符合产业政策发展方向，具有广阔的研究空间和应用、发展前景。