三种水煤浆提浓工艺的分析和比较

刘钦聚

（国能神东煤炭技术研究院，陕西 榆林 719315）

制浆系统是水煤浆气化系统的源头部分，在企业煤种基本保持不变的情况下，要选择合适的水煤浆制浆工艺，保证制备的水煤浆既具备较高的浓度，又有良好的流动性和稳定性。水煤浆的浓度对气化系统的有效气的含量和组分影响很大，直接关系到企业生产成本的高低[1-2]。目前大部分煤化工企业采用的是传统单棒（球）磨机生产工艺，制备的水煤浆质量分数多≤60%，严重制约着碳的转化率[3]。尤其在目前优质煤种价格节节攀高，水煤浆气化的原料煤逐渐向难成浆的低阶煤种过渡[4]，选择合适的制浆工艺和设备来提高气化系统水煤浆浓度尤为重要[5-6]。

国家水煤浆工程技术研究中心于2008 年最早成功研发水煤浆提浓技术，该技术以分级研磨、粒度级配为理论依据，打破传统单棒（球）磨机制浆工艺粒度分布相对集中的局限[7]，将选择性粗磨和超细研磨技术进行结合，大颗粒使用常规磨机粗磨或者多级破碎机获得，细颗粒选用卧式或者立式细磨机进行细磨得到，利用各种设备和不同研磨方式制备不同粒度的煤颗粒，通过提高煤浆粒度堆积效率达到提高水煤浆浓度的目的[8-9]。在二十几年的发展和应用过程中，逐渐衍生出三种不同的高浓度水煤浆制备技术，即立式细磨机工艺、卧式细磨机工艺和粒控级配制浆工艺，企业根据自身特点分别采用三种工艺对煤浆制备系统进行新建或者改造，都可对煤浆浓度有一定的提高，但三种水煤浆制备工艺确实在提浓效果、研磨介质消耗、动能消耗等方面存在较明显的差别[10]。以下从三种高浓度水煤浆制备工艺路线的运行特点、项目投资、研磨介质的消耗、设备结构和维护成本、操作难易程度等方面做了对比，为煤化工企业根据实际情况来合理选择煤浆提浓技术提供参考[11]。

1 三种水煤浆分级研磨提浓技术

1.1 立式细磨机技术

1.1.1 立式细磨机水煤浆提浓工艺流程

立式细磨机制浆工艺流程示意图见图1。

图1 立式细磨机制浆工艺流程示意图

从低压煤浆槽抽出来的部分原料煤浆通过配浆泵计量后，与生产工艺水在粗浆槽中混合配制成质量分数38%～40%的煤浆，并通过粗浆泵输送至立式细磨机。立式细磨机通过机体内的研磨介质对煤浆进行超细研磨，使煤浆颗粒不断磨细，煤浆在细磨机筒体内自下往上运动，被磨细的细浆经细磨机上部出口筛网过滤后溢流至细浆槽，此时的煤浆已被研磨成平均粒径在15 μm～30 μm 的超细浆。超细浆通过细浆泵经计量后输送至棒磨机入口溜槽和滚筒筛内部，并与煤、水、分散剂混合，最终优化煤浆粒度级配，提高水煤浆浓度。

1.1.2 立式细磨机技术特点

立式细磨机结构较为简单，采用立式布置，主轴上的研磨棒外沿与筒体保持一定距离，基本保证内壁不磨损；立式细磨机通过研磨棒不断进行搅拌，其下部的几层研磨叶片由于要承受研磨介质的重力，所以需要克服的摩擦力更大，更易磨损。机组高度大概在15 m～18 m，原有磨机厂房一般不能满足其安装要求，必须在原厂房旁边新建框架才能布置，适合新建项目配套建设。

由于粗浆泵要克服一定阻力才能将煤浆从底部加进立式细磨机机组下部，因此粗浆泵使用的是容积式螺杆泵，该泵具有自吸功能，吸入性能好，流量均匀连续，但是其转子和定子等过流部分易受煤浆颗粒的磨损，使用周期短，转子更换比较频繁。

立式细磨机采用常压溢流出料，筛网的磨损程度小，使用周期长。研磨介质使用的是三氧化二铝球，堆积密度是2.7 t/m3～3.0 t/m3，但加入的粗浆质量分数不能超过40%，否则就会出现筛网堵塞和煤浆溢流现象，需要操作工定期冲洗滤网。

立式细磨机研磨介质添加比较方便，过程控制简单，可在不停机的情况下通过自动称重系统将研磨介质从设备顶部加入，减少了工人添加研磨介质的劳动强度。

1.2 卧式细磨机技术

1.2.1 卧式细磨机水煤浆提浓工艺流程

卧式细磨机制浆工艺流程示意图见图2。

图2 卧式细磨机制浆工艺流程示意图

从低压煤浆槽抽出的部分煤浆通过配浆泵计量后，与生产工艺水在粗浆槽内混合配成质量分数45%～50%的煤浆，并通过粗浆泵计量后输送至卧式细磨机。卧式细磨机机组内部通过水平单悬臂轴带着研磨盘一起旋转，带动研磨介质和煤浆进行圆周运动，利用研磨介质和煤浆比重不同产生的速度差，实现研磨介质与煤粒挤压、碰撞和研磨。细颗粒在动态分离器产生的离心力作用下聚集在单悬臂轴的附近，粗颗粒在外围靠近筒壁，细浆通过内部筛网排出机体。此时的煤浆已被研磨成平均粒径在15 μm～30 μm 的细浆，合格的细浆通过管道泵输送至棒磨机入口和出口滚筒筛处。

1.2.2 卧式细磨机技术特点

卧式细磨机采用密闭式连续生产，产品研磨分散粒度均匀，煤浆在机组内部于密闭状态下进行研磨，有效防止了煤浆的干涸、结皮和堵网。轴的动力端采用双端面机械密封，煤浆泄漏率低，动态涡轮分离后的煤浆带压出料，无需用细浆槽储备，直接通过管道泵将煤浆送至棒磨机进口溜槽和出口滚筒筛处。研磨介质使用的是耐磨轴承钢1Cr15，堆积密度是4.6 t/m3～4.8 t/m3，加球过程中需要细磨机减量降压运行。

卧式细磨机机组整体采用撬装，可以根据各个厂家不同的场地要求变更安装位置，出口管线布置随意，基本不受空间位置影响，适合气化水煤浆制备老系统改造用。

1.3 粒控级配制浆技术

1.3.1 粒控级配制浆工艺流程

该工艺分为超细煤浆制备环节、粗粉制备环节和产品浆混合制备环节，工艺流程示意图见图3。

图3 粒控级配制浆工艺流程示意图

（1）超细煤浆制备环节

总投煤量30%～40%的原料煤与一定量的水和添加剂混合成质量分数为50%～55%的煤浆，经过棒磨机处理后进入粗浆槽，通过粗浆泵输送至卧式细磨机，经研磨合格（平均粒径≤20 μm）后的细浆通过管道泵输送至双轴搅拌器，与合格煤粉混合搅拌。

（2）粗粉制备环节

60%～70%的原料煤从现有煤仓经称重给料机计量，利用高度位差，经过一级破磨机破碎到粒度＜5 mm 的煤颗粒，然后进入二级破磨机，破磨制备出粒度≤1 mm 在95%以上的粗煤粉；不合格的煤颗粒经过煤粉筛分离出来，运至原煤仓重新破碎。

（3）产品浆混合制备环节

制备的粗粉和超细煤浆按一定比例进入双轴搅拌器，经高速搅拌、混合后，落入均质槽进一步进行均质和熟化，煤浆完全混匀后通过合格浆泵输送至气化炉前大煤浆槽，作为气化原料浆备用。

1.3.2 粒控级配制浆技术特点

该技术是针对改造和新建项目的煤化工企业为提高煤浆浓度而开发的第三代高浓度水煤浆制备技术，以隔层堆积理论为指导，由第一代常规棒磨机制浆技术和第二代超细煤浆技术相结合，分别制备粗粉和超细浆，升级转变为第三代粒控级配制浆工艺，实现水煤浆粒度的高效紧密堆积。

传统单棒（球）磨机工艺生产的水煤浆粒度属于连续分布状态，其中不适合成浆的粒级（0.075 mm～0.100 mm）占比较大，这是造成连续分布的煤粉成浆浓度低的主要原因。粒控级配制浆工艺尽量剔除连续分布在0.075 mm～0.100 mm 的颗粒段，使粗颗粒的最小粒径比细颗粒的最大粒径大，这种间断粒度分布可以使细磨机研磨的细颗粒完全填充到粗颗粒中，这样就可以使颗粒间的堆积状态达到最紧密，从而使制备出的水煤浆具有较高的浓度。

2 三种制浆技术的对比分析

2.1 立式细磨机技术与卧式细磨机技术的特点

2.1.1 设备结构和运行方式

立式细磨机由于采用上部悬挂结构，避免了轴端密封方面的问题，且制造容易、成本低；但其机组高大，需要克服研磨介质的重量，研磨方式是上下不停地翻滚搅动，不仅效率较低，而且能耗偏高。磨腔内的研磨介质受到重力的影响滞后，介质填充率低，而且分布也不均匀。立式细磨机采用常压过滤出料，煤浆浓度偏高时会出现筛网堵塞和研磨介质溢流逃逸现象，清理难度大，容易污染环境；其下端的研磨叶片要承受更大的摩擦力，因此更易磨损，平均运行不到一年就要更换下部叶片。

卧式细磨机采用全封闭带压出料，其筛网安装在机体内部，压力一般可达0.20 MPa，煤浆都封闭在机组内部，轴端机械密封能保证无煤浆泄漏，防止煤浆溢出而污染生产界区，但机械密封的使用成本略高。卧式细磨机内部的研磨介质在研磨盘带动下，在径向做圆周运动，主要功耗消耗在研磨上，研磨效率高。卧式细磨机内部研磨介质填充率在70%～80%，整体研磨盘磨损是均匀的。

2.1.2 进料浓度和研磨介质

立式细磨机进料质量分数控制在38%～40%，浓度过高时，煤浆密度增大，研磨瓷球被动上浮，研磨效率严重下降，并且大量研磨介质会从顶部溢出，现场污染严重；浓度过低时，会造成研磨介质瓷球周围煤粒包裹不完全，瓷球之间互相磨损，研磨介质消耗加大。

而卧式细磨机进料质量分数一般控制在45%～50%，浓度过低时，也会造成研磨介质之间互相磨损；浓度过高时，黏度增加，研磨介质与煤粒速度差减小，研磨效率明显下降。

2.2 粒控级配制浆技术的主要特点

一级破碎采用的是反击式破碎机，通过控制破碎机内部的筛板，保证不让＞5 mm 的煤颗粒进入下一级破碎机；采用多级反击腔，适于较大煤颗粒的破碎，反击板角度可以根据需要进行调整，可以有效提高破碎效率。

二级破碎采用的是四辊三碎式破磨机，该机组的优点是：结构紧凑、重量轻、体积小，占用空间小，操作维修方便、简单，故障率低；根据破碎粒度要求调整辊子之间的间隙，颗粒由机体上部落入，在多个辊子之间经过挤压成为粉状，破碎粒度可以得到有效控制。该机组存在的不足是：处理能力低，辊子外表面易出现破损，入料粒度必须均匀，不能有超过15 mm 的大颗粒，适合煤炭这种中等硬度的破碎材料，另外要求喂料连续，如果辊面出现磨损，要及时调整辊子之间的间隙，否则会造成煤粉粒度偏大。

粒控级配制浆技术是近几年开发出来的新工艺，该工艺使用的反击式和四辊三碎式破碎机可有效对粗粉进行分级，真正实现煤浆的粒度控制和更合理的粒度级配，可制备成品水煤浆，是比较有发展前景的制浆技术，配套机组性能需要继续完善。

3 结 语

煤浆提浓技术的发展使得水煤浆气化的优越性越发明显，煤浆浓度的提高可使气化的比氧耗和比煤耗下降、有效气含量增加，使得整个装置产能大幅提高，最终达到节能、减排、高产的目的。煤化工企业可根据自身实际，选择适合本企业的高浓度水煤浆制备新工艺、新设备，提高水煤浆的质量、扩宽水煤浆制浆煤种的选择范围、降低制浆能耗、提高水煤浆的燃烧、气化效率和经济性。