提高水煤浆浓度的工艺措施及技术应用

杨 延，刘 卫

（陕西延长石油兴化化工有限公司，陕西兴平 713100）

0 引 言

煤气化是煤炭清洁利用的核心技术之一，是煤化工产业的龙头。近年来，随着新型洁净煤气化技术的兴起，其广泛应用于合成氨、甲醇、烯烃、乙二醇等产品的合成气制取及煤制油、煤制氢、煤制天然气等行业；在众多的煤气化技术中，水煤浆气化是工艺成熟、运行稳定、应用广泛的一种气化技术。而水煤浆浓度作为水煤浆气化工艺的重要控制指标，直接影响着煤气化过程的氧耗、煤耗及整个气化装置的生产成本；高浓度水煤浆的制备，对于水煤浆气化装置降低消耗、提高生产能力、提升企业经济效益至关重要。

1 水煤浆制备的技术要点

水煤浆制备目前大多采用湿法磨煤工艺，即将原料煤、水及少量添加剂在磨机中磨制成均匀、稳定的浆体，成品水煤浆要求其浓度高、粒度分布适宜、流动性好，同时还应具有良好的稳定性，以避免产生硬沉淀。要制备出质量符合要求的水煤浆，需把控好以下一些技术要点。

1.1 正确选择制浆用原料煤

制浆用原料煤首先应满足下游用户对煤质的要求。原料煤煤质指标主要包括固定碳、水分、挥发分、灰分、灰熔点、发热量、元素分析、可磨性指数、化学活性等。煤炭的总水分包括外水和内水。内水是煤的结合水，以吸附态或化合态形式存在于煤中，是影响成浆性能的关键因素。一般多用哈氏可磨性指数（HGI）表述煤的可磨性，它是指煤样与粉碎性为100的标准煤进行比较而得到的相对粉碎性数值，指数越高则越易粉碎。煤阶越低，内水越高，煤中O／C越高，亲水官能团越多，孔隙率愈发达，可磨性指数越小，越难制浆；另外，煤中所含可溶性高价金属离子越多，制浆难度越大。灰分及灰熔点是水煤浆气化用煤的重要控制指标，水煤浆气化希望煤中有效元素碳和氢的含量越高越好，其他元素越低越好。煤的化学活性越高，气化反应能力越强，有利于气体质量的提高。从经济运行角度来看，筛选原料煤时应统筹考虑原料煤成本及煤质特性，尽可能选择煤中有害物质含量少、可磨性好、灰渣特性好、产气率高的煤种。

1.2 粒度级配技术

粒度级配是指由两种或两种以上的不同粒度煤样按一定比例混合，以使混合后的颗粒有较好的粒度分布。煤浆中不同大小的煤粒相互填充，能够减少空隙（减少制浆用水），达到较高的堆积效率，提高空间利用率，有利于制备低粘度、高浓度和稳定性好的优质水煤浆。粒度级配技术是水煤浆气化工艺的关键技术之一。

1.3 合理选择制浆工艺与设备

磨机的性能决定着原料煤破碎为颗粒的粒径及处理负荷。常用的制浆磨机有球磨机、棒磨机两类，球磨机易于磨制微细颗粒，而棒磨机的产品粒度上限比球磨机大很多，对提高堆积效率有利。制浆工艺的选取直接决定着成品水煤浆的性能。在给定的原料煤煤质条件下，如何使成品水煤浆的粒度分布达到较高的堆积效率，需通过合理选择磨煤设备与制浆工艺来实现。

1.4 选择性能匹配的制浆添加剂

煤粒属疏水性物质，不易被水润湿，在水中不易充分分散，因而水煤浆制备过程中会使用少量化学药剂（称作添加剂）。制浆添加剂的分子作用于煤粒与水的界面，在煤粒表面形成水化膜，降低浆体的粘度、增强浆体的分散作用，从而提高水煤浆的稳定性。据化学结构不同，水煤浆添加剂可分为阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型，目前工业上多采用阴离子型添加剂，如萘磺酸盐、腐殖酸磺酸盐、木质素磺酸盐等。选用制浆添加剂时，一是要以性价比最优为原则，不单纯追求添加剂的效能；二是要按照粒度级配与添加剂互补原则确定经济适用的添加剂。

2 提高水煤浆浓度的工艺措施及技术应用

陕西延长石油兴化化工有限公司（简称陕西兴化）主生产装置产能为300kt／a合成氨、300kt／a甲醇、100kt／a甲胺、100kt／a乙醇，其水煤浆气化装置制浆系统能力为1150kt／a，配置3台φ4300mm×6000mm的棒磨机（两开一备）。制浆系统工艺流程为：煤储运系统来的粒径＜20mm的碎煤进入磨机前煤仓，经煤称重给料机称量后送入磨机，配制好的添加剂也按制浆所需量由添加剂给料泵送入磨机中，由磨煤水槽底部磨煤水泵输送来的各类工艺废水经磨机给水阀调节至合适量后也进入磨机，煤、工艺废水及添加剂经棒磨机研磨成一定浓度和粒度分布的水煤浆；合格水煤浆经滚筒筛滤去3mm以上的大颗粒后溢流至小煤浆槽，小煤浆槽内的煤浆经低压煤浆泵送至大煤浆槽以备气化炉使用（大、小煤浆槽顶部分别安装有搅拌器，搅拌煤浆使其处于均匀悬浮状态）。

陕西兴化气化装置制浆系统原设计煤浆浓度为58%，后通过优化原料煤煤种和科学合理配煤、新上料浆细磨系统改善煤浆粒度分布，成品水煤浆浓度提高至约64%，具体如下。

2.1 优化原料煤煤种和科学合理配煤

以前陕西兴化气化装置采用华亭、宝鸡、陕北等矿区的原料煤，制备出的水煤浆浓度基本维持在58.50%。众所周知，煤中水分的降低能够缓解输煤下料口的堵塞，利于制浆系统处理主装置产生的更多高浓度废水；煤中灰分的降低有利于减轻设备磨损，延长设备的使用寿命和气化炉的运行周期；入炉煤低位发热量的提高有利于增加产气量，提高氨醇产量。为优化原料煤煤种、科学合理配煤，提高成品水煤浆浓度，实现系统高产稳产，2018年11月，组织相关技术人员对甘肃、陕北及内蒙古等煤矿矿区进行了考察，结合考察情况，修订了制浆系统用原料煤煤质指标，对原料煤的水分、灰分、挥发分等指标进行了调整，详见表1。

表1修订后的制浆系统用原料煤煤质控制指标

各矿区原料煤煤质情况（见表2）及其成浆性试验结果显示，华亭、益东、柠条塔矿区煤的成浆性好、产气率高，可选作陕西兴化气化装置原料煤的首选供应矿区。优化原料煤煤种、科学合理配煤、提升煤质指标后，成品水煤浆浓度基本稳定在约59.60%，较之前提高1个多百分点。

表2 主供矿区原料煤煤质分析数据

2.2 新上料浆细磨系统

高浓度水煤浆不但要求煤颗粒磨至一定的粒度，更重要的是要求煤颗粒具有良好的粒度分布，以减少颗粒间的空隙，提高堆积效率——固体的占有率高，用少量水就能使浆体流动。

颗粒堆积有呈松散的空间正六面体堆积和呈紧密的空间正四面体（菱形）堆积两种典型状态。中国矿业大学张荣曾教授在实验室对4种窄级别煤粒随机堆积状态进行了研究，通过煤粒视密度和堆密度便可求出堆积效率（堆积效率＝堆密度／视密度），试验结果见表3。

表3 4种窄级别煤粒的堆积效率

煤粒呈多角形，球形度为0.65～0.80，据Brown对堆积效率与颗粒形状关系的研究，煤粒球形度0.65～0.80的紧密堆积结构对应的堆积效率为0.55～0.60。结合表3数据可以看出，实际煤粒自然堆积时，其堆积效率＜0.55，更接近呈松散的空间正六面体堆积状态。

2.2.1 高、中浓度磨矿级配制浆工艺概况

大、小颗粒混合堆积时，小于空隙尺寸的小颗粒易充填到大颗粒堆积形成的孔隙中去，利于提高颗粒的堆积效率。以改善煤粒粒度分布、提升煤浆颗粒堆积效率为目标的粒度级配技术，经过近30a的发展主要出现了以下3种高、中浓度磨矿级配制浆工艺。

2.2.1.1 高、中浓度磨矿级配制浆工艺一

高、中浓度磨矿级配制浆工艺一（其流程见图1）首先在兖日水煤浆有限公司（原兖日制浆厂）采用，该工艺是在二段中浓度磨矿级配制浆工艺（其流程见图2）的基础上优化发展而来，将原来的中浓度细磨机改为高浓度细磨机。原料煤经破碎后分别进入并联的中浓度粗磨机和高浓度细磨机，与水混合后在2台磨机中分别磨制出不同粒度的煤粒，2台磨机出口含不同粒度煤粒的煤浆经捏混搅拌后制得堆积效率高的高浓度水煤浆；该工艺可通过调节磨机的入料配比或调整高浓度磨机的磨矿浓度等手段优化产品粒度分布。兖日水煤浆有限公司制浆系统的运行实践表明，这种工艺能制备出高浓度的水煤浆，但没有摆脱中浓度磨矿后产品要进一步过滤脱水和捏混的环节，且其细磨效率低、能耗大。

图1 高、中浓度磨矿级配制浆工艺一

图2 二段中浓度磨矿级配制浆工艺

2.2.1.2 高、中浓度磨矿级配制浆工艺二

1990年，为适应难制浆煤种的制浆需要，中国矿业大学提出如图3所示的高、中浓度磨矿级配制浆工艺二。原料煤经破碎后与添加剂、水混合，在高浓度粗磨机中磨制出含较大粒度的煤浆，从高浓度粗磨机出口煤浆中分流出一部分，加水稀释后送入中浓度细磨机，在细磨机中将煤粒继续研磨成更小粒度的微粒，细磨机出口的煤浆返回高浓度粗磨机入口（以改善粗磨机中煤浆的粒度分布），与水、原料煤在高浓度粗磨机中混合研磨制得堆积效率高的高浓度煤浆。与高、中浓度磨矿级配制浆工艺一相比，细磨机入口原煤粒度小，大大降低了细磨机的负荷；另外，粗磨产品即是最终的水煤浆产品，取消了后续的过滤脱水及捏混环节，简化了工艺，缩短了流程。近年来，随着水煤浆气化技术的广泛应用，该制浆工艺应用业绩颇多。

图3 高、中浓度磨矿级配制浆工艺二

2.2.1.3 高、中浓度磨矿级配制浆工艺三

俄罗斯建设的别洛瓦至新西北利亚管道输浆系统，其制浆厂采用的是高、中浓度磨矿级配制浆工艺三（其流程见图4）。该厂共7条生产线，每条生产线的制浆能力为500kt／a；粗磨采用尺寸为4.5m×5.5m、功率为1100kW 或尺寸为3.5m×8.5m、功率为1500kW 的棒磨机，细磨采用尺寸为4.0m×13.5m、功率为3500kW或尺寸为4.5m×16.5m、功率为4000kW 的球磨机。原料煤经破碎后分别送入中浓度球磨机和高浓度棒磨机，中浓度球磨机磨制的浓度低、水含量高、粒度小的煤浆，与分散剂、原料煤在高浓度棒磨机中继续研磨，粒度大小不同的煤粒相互填充，高浓度棒磨机出口得到高浓度煤浆。该工艺与工艺二相比，中浓度球磨机能够增加制浆系统负荷，便于产能提升，但该工艺对来煤的粒度要求较高（该制浆厂的磨机入口煤粒粒径为0～3mm）。

图4 高、中浓度磨矿级配制浆工艺三

2.2.2 陕西兴化新上料浆细磨系统简况

2019年1月，陕西兴化组织技术人员外出对水煤浆细磨提浓相关技术进行考察，经考察与对比，决定采用高、中浓度磨矿级配制浆工艺二实现水煤浆细磨提浓，由西北化工研究院设计建设料浆细磨提浓系统，其工艺流程 （见图5）为：棒磨机出口槽中约12% （流量22m3／h）的料浆进入复合磨机（复合磨机采用长沙矿冶研究院研制的立式球磨机，一段磨机容积12m3，按比例添加φ12mm、φ15mm、φ20mm的钢球35t；二段磨机容积10m3，按比例添加φ2mm、φ3mm、φ4mm的陶瓷球4.5t），料浆与钢球、料浆与陶瓷球分别混合研磨，研磨料浆从复合磨机底部螺旋上升，制得两种粒度分布合格的细浆；为防止因料浆粒度小、煤粒比表面积剧增导致的料浆粘度增大而影响料浆的性能，在研磨中对料浆进行2次补水，将一级细浆浓度稀释至40%～48%、二级细浆浓度稀释至35% ～40%，2种细浆分别返回棒磨机参与助磨，同时进一步填充粗颗粒间的空隙，2种细浆与棒磨机中原有的料浆混合研磨后形成性能良好的高浓度料浆。

图5 陕西兴化料浆细磨系统工艺流程简图

2019年12月，陕西兴化料浆细磨系统建成并进行原始开车，经过6个月的试运行，料浆细磨系统运行平稳、各设备性能优良：一段磨机出口煤浆浓度48%，煤浆中粒径0.045mm煤粒占比80%，煤浆粘度平均为500mPa·s；二段磨机出口煤浆浓度37%，煤浆中粒径0.045mm煤粒占比98%，煤浆粘度平均为300mPa·s；气化装置大煤浆槽内煤浆浓度由增设料浆细磨系统前的约59.60%提高至63.96%。

料浆细磨系统投运后，料浆细磨系统满负荷稳定运行期间，煤浆浓度由59.60%提高至63.96%，提高4.36个百分点；粗煤气中有效气（CO＋H2）含量由80%提高至82%，提高2个百分点；气化装置投煤浆量由171m3／h降至166 m3／h，氧气消耗由82537m3／h降至81299m3／h，降低1238m3／h；因煤浆浓度提高、煤浆粘度大幅升高，制浆添加剂（浓度为30%）消耗量由20t／d增至45t／d，增加25t／d；气化装置同等负荷情况下主装置氨醇产量由2092t／d增至2180t／d，增产88t／d。

3 结束语

综上所述，陕西兴化气化装置采取优化原料煤煤种和科学合理配煤、新上料浆细磨系统等工艺措施和技术应用后，气化装置制浆系统水煤浆浓度由之前的约59.60%提高至约64%，使得粗煤气中有效气（CO＋H2）含量提高2个百分点，气化装置氧耗及煤耗有效降低，气化装置同等负荷情况下主装置增产氨醇88t／d，不仅为企业带来了可观的经济效益，而且缓解了夏季高温期空分装置取氧量减少带来的气化炉投煤量少、系统产量低的难题。