煤浆制备装置的设备布置及管道布置浅析

2021-06-30华陆工程科技有限责任公司西安710065

化工设计 2021年3期

韩建华陆工程科技有限责任公司西安 710065

近年来，国内煤化工产业迅速发展，煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇等技术受到越来越多的关注。在这些技术中，水煤浆气化技术是国内工业应用最广泛、行业认知度最高的一类成熟煤气化技术[1]。煤浆制备单元是水煤浆气化技术的一个主要部分，主要作用是为后续气化单元提供合格、稳定的水煤浆原料。它的长期稳定运行，对气化系统的安全稳定、长周期运行具有重大的意义。下面以某项目煤浆制备单元为例，同时对比其它类似项目，对煤浆制备单元的设计重点和注意事项进行分析、探讨。

1 工艺原理

该单元采用国内某专利商的工艺技术，它将从原料贮存与制备工序输送来的煤块(<25mm)经称重给料机控制输送量送入磨煤机。物料在磨煤机中与新鲜水和其它单元输送来的废水混合后进行湿法磨煤(为了控制煤浆粘度及保持水煤浆的稳定性需加入添加剂)。出磨煤机的煤浆浓度约60%～62%，依靠重力流入磨机出料槽中，磨机出料槽搅拌器使煤浆均化并保持悬浮状态。合格的煤浆再经低压煤浆泵加压后送至煤浆槽储存，再经高压煤浆泵输送至气化炉工艺烧嘴[2]。生产过程中产生的废煤浆通过地沟排入废浆池，然后通过废浆池泵返回磨煤机中重复利用。本单元整体的工艺流程示意见图1。

图1 煤浆制备工艺流程简图

2 设备布置

设备布置除了严格按照《建筑设计防火规范》和《石油化工企业设计防火规范》及其它现行有效的相关规定外，还应满足工艺专业的特殊要求，并遵守如下原则[3]：

(1)根据业主要求及现场条件进行布置。

(2)满足设备的安装、操作、检修要求。

(3)力求经济合理，注意布置的外观美观。

(4)满足“露天化、流程化、集中化、模块化”的要求。

在遵守上述原则的同时，设备布置还需考虑装置的具体特点，因地制宜合理布局。

2.1 主要设备

为使布置集中化，节约占地，该煤浆制备单元主要设备除了磨煤机、低压煤浆泵和废浆池等设备外，还包含工艺气化单元的煤浆槽和高压煤浆泵。

2.2 磨煤机的布置

“煤浆制备单元”设备布置的首要重点在于磨煤机位置的确定，其次再根据工艺流程依次相应地布置磨机出料槽、低压煤浆泵、高压煤浆泵、煤浆槽等设备。通常，化工项目煤浆制备单元采用需添加钢棒的棒磨机，本项目磨煤厂房的布置见图2。

图2 设备布置图(二层)

煤浆制备单元与它的上一工序(“原料贮存与准备单元”)的联系非常密切，针对煤浆制备的工艺特点及煤浆的特性，在确定磨煤机位置时需重点考虑以下几点：

(1)防止雨水和冬季的低温对生产合格的水煤浆造成影响，磨煤机及低压煤浆泵一般布置在厂房内，并根据用地情况、设备大小及数量、工艺流程合理规划厂房。

(2)确定磨煤厂房与原料贮存与准备厂房的相对位置关系。通常磨煤厂房紧邻原料贮存与准备(701)厂房，磨煤机在布置时其进料部位应靠近(701)厂房这一侧，以保证称重给料机输出的煤能够顺利通过溜管，依靠重力滑入磨煤机中。

(3)磨煤机四周应留有足够宽的检修通道。磨煤机机身需检修维护的部位较多，周围应留足够的通道方便巡检和设备检修。同时，磨煤机一般与称重给料机对齐布置，磨煤机的位置也影响着称重给料机位置的确定，此处应与粉体专业沟通，充分考虑磨煤机与煤称重给料机周围的检修通道。

(4)磨煤机出口的煤浆依靠重力自流至磨机出料槽，因此磨煤机及二层厂房的高度需根据磨机出料槽的高度及其检修空间来确定。

2.3 其它相关设备的布置

本项目共计两台磨煤机，每台磨煤机对应一台磨机出料槽和两台低压煤浆泵，磨煤机和低压煤浆泵都为一开一备。同时，由于项目规划有二期，布置需兼顾二期的规划，整体的设备布置图见图3。

图3 设备布置图(一层)

结合设备布置的相关要求及本项目的特点，本单元设备的布置重点考虑了以下几点：

(1)为防止冬季气温过低带来的不利影响，添加剂槽、研磨水槽、废浆池及相关的泵需布置在室内。但整体布置在磨煤厂房内无疑会增加厂房的投资，可单独设置泵房容纳。同时，实际中发现原料贮存与准备厂房底层比较空旷，设计时也可根据项目实际情况跟相关专业沟通，考虑将这些设备布置到此处，以节省泵房的占地和投资。

(2)泵房的宽度及设备的位置需考虑添加剂配制的操作空间。

(3)高压煤浆泵亦在室内布置，厂房及泵房共用一个管廊，管廊可借助泵房顶部设置以节省占地和投资。

(4)布置时需兼顾二期厂房及设备占地的情况。本单元一期规划在煤浆槽以东，二期规划在煤浆槽以西，一期二期共用同一煤浆槽及管廊。

(5)煤浆槽附近与气化装置间设置跨路的桁架，供煤浆输送管线及煤浆回流管线使用。

2.4 生产检修空间及通道的规划

设备布置除满足工艺要求外，还应满足日常操作、检修及施工安装的要求，提供必要的吊装、检修、拆卸所需要的场地、空间和通道。磨煤机在实际运行中经常需要检修及添加钢棒，槽罐的搅拌器、泵电机需要检修维护，停车时高压煤浆泵的气缸容易堵塞。因此，检修方案的规划布置在煤浆制备单元显得比较重要，应重点考虑以下几点：

(1)磨煤机检修件及钢棒较重，应选用行车作为检修设施，且行车需满足最大检修件重量的要求。行车司机室的位置应反馈给设备厂商并表示在布置图中，以保证现场实际与设计规划一致，同时还需设置通往司机室的楼梯。

(2)吊装孔靠近大门设置，其大小需满足磨煤机最大检修件的体积及钢棒长度的要求。

(3)根据加棒机长度及生产中楼面需堆放钢棒的需求，确定出合理的楼面大小。

(4) 高压煤浆泵上方设置检修用的电动葫芦，其它小型动设备上方可设置检修梁，以便需要时悬挂起重葫芦，但需注意预留足够的检修空间。

(5)合理规划通道的位置，使巡检、检修通畅便捷，厂房门的高和宽需考虑检修件的最大体积，并向建筑专业提出建议。

(6)槽罐顶部的搅拌器需考虑其检修拆卸，空间不够时可在屋面或楼面开孔。

磨机出料槽搅拌器在规模接近的不同项目中的检修布置方案对比见图4。

图4 磨机出料槽搅拌器两种检修方案的对比

图4左图中，搅拌器上方留出了足够大的检修空间，供磨机出料槽及其搅拌器检修，但拆卸吊装不方便，且要求二楼有较高的层高(为EL10.2m)，增加了投资。右图中，采用在楼面开大孔的办法，可以使用行车吊装、移动搅拌器，操作方便，同时可以降低二层楼面标高(为EL8.2m)。二层楼面标高降低后，原料贮存与准备厂房高度也相应降低，能有效节省投资、降低成本。二层楼面开孔后现场的实际情况见图5。

图5 二层楼面开检修孔

考虑巡检的便捷性，厂房内二层楼面至原料贮存与准备厂房的平台推荐采用斜梯，不建议用直爬梯，见图6。

图6 厂房间的斜梯

磨煤机基础顶部容易聚集泄漏出来的煤浆，同时，磨煤机筒体上的螺栓经常需要紧固，因此可考虑设斜梯至其基础顶部，方便清理和检修，见图7。

图7 检修用斜梯

同时,在磨煤机基础上做一圈围堰，并接管引至地沟，能有效避免泄露的煤浆乱流，污染一层地面。

3 管道布置

管道设计时除了满足管道仪表流程图和相关规范外，还应做到经济美观、安全可靠、便于操作、维修与施工方便[4]。同时也要考虑管道内介质的成分、温度、压力和各种组分特性，以保证管道布置更加合理。

3.1 管道布置的要求

水煤浆为液体和固体颗粒组成的悬浮液，具有高粘度、高磨蚀等特性，管线极易发生堵塞或管件磨损，典型水煤浆介质管道内流速对管道磨蚀和输送的影响见表1。

水煤浆在管道内的流速一般都选择在0.5～1 m/s之间，在工程设计及生产操作时，管道内水煤浆流速低于临界速度的运行是要绝对避免的，同时也要避免管道内水煤浆流速过快造成输送管道严重磨蚀和流速较慢造成水煤浆的沉淀。考虑到煤浆的特性，本单元在配管设计应注意以下几点：

(1) 煤浆管道上的切断阀应选用球阀，以保证阀门的密封性能和较大的流通面积。

(2)为防止弯头磨损，所有弯头需选用长半径弯头(R=3D～5D)，同时弯头数量尽量要少[5]。

(3)冲洗口应设于水平道的上部，排污口从水平管道侧面或沿管底切线方向水平接出，切断阀与主管间的距离要尽量短，以防止煤浆沉淀导致堵塞。

(4)管道应避免不流动区域，配管时尽量依照“步步高”或“步步低”的原则，避免出现袋形。

(5) 较长距离的水平管道应设置小于千分之五坡度，温度计和压力计的分支管道长度越短越好，水平管道上的仪表必须安装在管道顶部[6]，竖直管道上的温度计和压力计必须斜向上45°安装。

3.2 管道布置的注意事项

综合设计时所遇到的问题和现场的实际情况，煤浆制备单元配管设计时除了需满足工艺流程和其它相关要求之外，还需注意以下几点：

(1)从高压煤浆泵到气化炉的煤浆管线较长，管线需有一定的柔性。同时，高压煤浆泵为隔膜往复泵，震动频率较固定，其进出口管道支架制作需结实可靠。

(2)煤浆槽和磨机出料槽底部的出料口一般与放料阀直连，这两台设备的管口方位图中需表示出设备口螺栓孔跨中均布的角度，避免设备厂商按其它角度跨中均布螺栓，导致现场放料阀安装后的角度与配管设计的角度不一致。磨机出料槽管口方位及放料阀的实物见图8。

图8 磨机出料槽管口方位图及放料阀

(3)煤浆管线上的排污口和冲洗口应尽量布置在管线两端，以保证管道冲洗时将管道内部沉积的煤渣尽可能全部冲出来，以避免无法清理的死区。

(4) 冲洗水的连接形式一般采用临时连接，需要时通过软管连接到水煤浆管道上，不用时将软管拆除，这样能节省很多冲洗管道，从而节省投资。但实际应用中反馈：临时连接的冲洗水口操作极为不便，尤其是在磨机出料槽裙座内部的冲洗水接口处，软管的安装、拆卸都比较困难。本单元设计时可考虑与工艺专业沟通，设置双切断阀+检查阀做成永久连接，详见图9。

图9 煤浆管线冲洗水配管形式对比

(5)由于煤浆制备厂房内较脏，漏出来的煤浆容易在厂房内地面聚集，因此，地沟的规划除了需保证所有管线排污口都接入地沟外，还应考虑到地面的死区，同时地沟应有≥1%的坡度，以保证排放到地沟的煤浆能顺利流动。

(6)配管时需注意为设备检修预留足够的空间，避免配管阻碍检修部件的拆卸起吊。磨煤机机身头部和尾部的轴瓦在停车时需拆卸检修，因此，配管时需特别关注这两个部位。

机尾部位添加剂、水和煤浆管线在不同项目上的配管布置对比见图10。

图10 磨煤机尾部轴瓦处两种配管对比

图10的左图中管线正好位于进料口轴瓦上方，阻挡了行车起吊拆卸后轴瓦，检修不便。右图中管线布置在平台的下方，并局部做π形避开溜管，轴瓦上方无任何阻挡，检修方便。同时，这样布置管道的另一个好处是，管线在上翻接入下料斗的时候，不会阻挡上方平台的通道，如图11中所示。

图11 两种配管方式对平台通道的影响

磨煤机头部抽气管道两种配管的对比见图12。

图12 磨煤机头部抽气管道两种配管的对比

图12左图中抽气主管线布置于磨煤机加棒口正上方，配管简单美观，但上方的主管道在一定程度上阻碍行车吊钩，对加棒口轴瓦的检修存在一定影响。右图中抽气主管布置于磨煤机下方，各磨煤机的抽气支管下翻穿过楼面接入总管。加棒口轴瓦检修时，将上方管段从法兰处拆掉即可，此布置方案虽然增加了弯头的数量，但在检修加棒口轴瓦时，机头上方无任何阻挡，检修非常方便。