水煤浆制备中磨机的改型及运行结果.docx
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水煤浆制备中磨机的改型及运行结果
水煤浆制备中磨机的改型及运行结果
石逢年潘俊顾劲飚（上海焦化有限公司，上海200241）2005-10-16
引 言
上海焦化有限公司新系统采用美国德士古水煤浆加压气化技术，共有四套装置，现为三开一备。
磨煤系统为两台球磨机、一台棒磨机。
在实际运行及调研过程中，我们发现棒磨机具有比球磨机更省电、煤浆大颗粒少等优点。
随着气化系统负荷的升高，而磨煤系统球磨机的负荷不易提高。
为了满足三台气化炉同时高负荷运行而不改变原来磨煤系统运行模式，故决定将一台球磨机改为棒磨机。
1 球、棒磨机的工作原理及对比
1.1 磨机中破碎介质的运动分析
在磨机中，破碎介质的运动状态与简体的转速和破碎介质与简体衬板的摩擦系数有关。
破碎介质在筒体中的运动状态有三种。
1.1.1 泻落式运动状态（棒磨机的工作状态）
磨机在低速运转时，全部介质顺简体旋转方向转一定的角度，自然形成的各层介质基本上按同心圆分布，并沿同心圆的轨迹升高，当介质超过自然休止角后，则像雪崩似地泻落下来，这样不断地反复循环。
在泻落式工作状态下，物料主要因破碎介质相互滑动时产生压碎和研磨作用而粉碎。
因棒磨机用棒的全长来压碎煤，因此在大块煤没有破碎前，细粒煤很少受到棒的冲压，这样减少了煤的过粉碎，煤的粒度分布较集中。
大颗粒较少，负荷容易提高。
1.1.2 抛落式运动状态（球磨机的工作状态）
当破碎介质在高速运动时，任何一层介质的运动轨迹都可以分为：
上升时，介质从落回点到脱离点是绕圆形轨迹运动，但从脱离点到落回点则按抛物线轨迹下落，以后又沿圆形轨迹运动，反复循环。
在抛落式工作状态下，物料主要靠介质群落下时产生的冲击力而粉碎。
由于球磨机主要靠钢球的冲击力和小部分研磨，因此，颗粒分布较宽大颗粒较多，负荷不易提高。
1.1.3 离心式运动状态（略）
1.2 磨机的临界转速与工作转速
当筒体的转速达到某一数值，钢球在筒体内沿圆轨迹上升到最高点，并开始和筒体。
一起回转，而不离开筒壁。
这时的转速叫做临界转速n0。
我公司磨机的临界转速为23.35r／min。
根据计算，球磨机的工作转速为n=（76％～88％）n0而棒磨机考虑到钢棒的相互于扰，其工作转速取n=（65％－70％）n0工作转速降低20％左右，其电机功率随着降低，较大幅度地降低了电费。
2 磨煤系统简介
我公司磨机是溢流型橡胶衬板水煤浆磨机，它适用于煤的湿法开路粉磨，生产固体质量分数＞58％的水煤浆。
制出的煤浆作为德士古气化炉生产煤气的原。
煤浆制备的主要工艺流程：
煤、水、添加剂混合后进入磨机，经过滚筒筛除去大颗粒后进入磨机出料槽，再通过低压煤浆泵将煤浆送入煤浆振动筛再次除去大颗粒，煤浆流入煤浆槽，然后用高压煤浆泵打入气化炉的工艺烧嘴（见图1）。
3 棒磨机改造后主要问题与解决途径
根据理论分析，在满足气化要求的情况下，球磨机改棒磨机将具有较大的优势，因此我公司对其进行改造并取得了成功，但也存在了一些问题。
3.1 振动幅度大
开始运行期间，磨机极不稳定，经常会由于小齿轮等温度高导致磨机跳车。
经研究发现，磨机的振动幅度较大及润滑油选型不当可能是引起小齿轮等温度偏高的主要原因。
因此，我们将磨机的基础进行了加固并改变了润滑油的型号，效果明显，基本上解决了磨机的跳车问题。
3.2 钢棒易弯曲及断裂
运行一段时间后，发现煤浆的粒度变化很大。
如粒度＜325目的煤浆从开始运行时的35％～40％下降到25％～30％，经过多方面的分析，发现是由于钢棒的弯曲及断裂而引起的。
对弯曲的钢棒进行了更换，并将断裂的钢棒全部从磨机中取出，运行后粒度分布又恢复了稳定。
但时间不长，又出现了同样的现象。
经研究发现，原加入的65Mn圆钢未经调质，大部分硬度偏低，只有HBll0-HBl60，运转一段时间后出现弯棒现象，个别的圆钢硬度过高，出现断棒现象，后全部更换为调质后的65Mn圆钢，问题得以解决。
3.3 磨机出现喷浆
在相同的生产情况下，球磨机运行正常，而棒磨机出现喷浆现象。
棒磨机与球磨机滚筒筛的开孔情况相同，而球磨机的折流挡板高l00mm，棒磨机的折流挡板高50mm，因此考虑到可能是折流挡板低而引起喷浆，并将棒磨机滚筒筛的折流挡板从50mm增加至l00mm。
但加高后，效果并不明显，仍出现喷浆现象。
后经综合分析，折流挡板的高低并不是主要影响因素，关键是球磨机的转速为18.1r／min，线速度为102.4m／min，棒磨机的转速为14.6r／min，线速度降为82.6m／min，过筛面积减少了19.4％。
磨机滚筒筛采用不锈钢板冲孔的筛网，孔的方向按径向布置（见图2），孔的宽度3.2mm，开孔率42.6％。
实际上球磨机改为棒磨机后，水煤浆的流通面积减少了8.3％。
经过参考鲁化、淮化、渭化磨机的一些参数及分析与计算，对原筛网进行了改造（见图3），改造后孔的宽度为4.6mm，开孔率为59.0％，筛网的开孔率增加16.4％。
筛网改造后，水煤浆的流通面积比球磨机滚筒筛增加了16.4％，几乎是原来的2倍。
所以，喷浆问题解决了，进煤量可提高到50t／h以上，水煤浆只流到滚筒筛筛网长度的1/3就全部通过筛网，大颗粒几乎无，彻底解决了原来的瓶颈问题。
磨机的制浆能力增大了，煤浆浓度也提高了。
4 棒磨机滚筒筛改造后运行情况
4.1 制浆能力
改造前后球磨机运行相关数据见表1、表2。
由表1、表2可以看出，棒磨机滚筒筛改造前进煤量40t／h时，制出的浆能满足工艺要求。
而负荷达到45t／h时，制出的煤浆浓度明显偏低，达不到工艺指标，不利于气化，使气化的氧耗上升。
说明此时棒磨机的最高负荷为40t／h。
而棒磨机滚筒筛改造后，负荷为50t／h时，制出的煤浆仍能达到工艺要求。
而析水率、黏度也没有出现偏高现象。
说明滚筒筛改造后，棒磨机完全能在50t／h的负荷下正常运行。
4.2 添加剂耗量
我们在负荷为50t／h时，通过改变添加剂的添加量，来测出磨机所能承受的最低添加剂单耗（见表3）。
通过试验，我们得出当添加剂单耗＞6.5kg／t干煤时，煤浆黏度较稳定，基本上维持在0.9Pa·s以下。
而当再降低添加剂单耗时，煤浆的黏度明显上升，滚筒筛处虽没有喷浆，但已有喷浆的趋势，而振动筛处已无法全部通过。
因此，添加剂的单耗应大于6.5kg／t干煤，这样才能使制出的煤浆黏度控制在较理想的状态，对煤浆的输送有利。
5 讨论
5.1 粒度分布的变化
通过工艺查定及平时积累的数据，可看出在正常运转情况下，只要控制好添加剂的用量，进煤量的大小对煤浆粒度分布的影响不大，当煤浆粒度分布变化较大时，需对钢棒级配、是否有断棒或杂物进行检查。
5.2 黏度的变化
更换滚筒筛后，煤浆的黏度普遍比更换前的略高。
这是由于以前滚筒筛的孔径较小，絮凝在一起黏度较高的煤浆无法通过，都从滚筒筛的顶部溢出，成为所谓的“大颗粒”。
而改造后，滚筒筛的孔径放大了，开孔率也增加了，所以“大颗粒”也进入了煤浆槽内。
因为这部分煤浆的黏度较高，并导致磨的煤浆整体黏度升高。
因此，煤浆黏度的高低与滚筒筛孔径的大小关系在一定的范围内成正比。
6 结论
公司进行技改后，磨机运行较稳定，基本上没有再出现喷浆现象，进煤量也增大了，磨出的煤浆质量有所提高，降低了产品成本。
每年节约资金417万元左右。
目前仍存在的问题及解决思路。
6.1 振动筛的制约
虽然煤浆质量分数偏低这一问题已经解决，但又出现新的问题。
当煤浆质量分数>62％时，振动筛处出现喷浆现象，有少量的煤浆从振动筛处溢出，增加了煤耗。
考虑到棒磨机制出的煤浆无大颗粒这一事实，我们计划将煤浆不通过振动筛直接进入煤浆大槽。
但又怕对高压煤浆泵有影响，故暂时没有实施。
如果不用振动筛，每年可节电约15万kW／h，价值约7万元。
6.2 低压煤浆泵的制约
虽然现在煤浆质量分数可以达到64％，但是低压泵的泵送能力却达不到，如2003年1月3日进煤量30t／h、添加剂量6.5kg／t干煤，制出的煤浆质量分数为64％、黏度为1.325Pa·s，低压煤浆泵的出口压力达到1.8MPa，比正常情况下高出1.2MPa，最终导致低压煤浆泵跳车。
现有些单位尝试使用离心泵，如成功既能降低成本，又能使煤浆的输送不受浓度、黏度的限制。
6.3 磨机简体漏浆
由于震动比球磨机大，长时间运行后，棒磨机筒体经常出现漏浆，导致煤浆进入齿轮箱，将齿轮箱中的油全部吸干，长时间运转，会磨损大小齿轮。
为了避免造成较大的损失，必须经常停车检修。
这样不但增加检修费用，且对生产也造成很大的影响。
建议增加紧固螺栓数的强度，使简体漏浆的问题能得以解决。
四喷嘴对置式粉煤加压气化技术的研究与开发
郭晓镭1，代正华1，李玮锋1，陈雪莉1，龚欣1，于遵宏1；赵瑞同2，李磊2，侯志旭2，李元2，傅进军2，张大晶2，赵旨厚2，彭启蒙2，闫凤芹2，郭宝贵2；贺克农3，赵柱3，林彬彬3，孙铭绪3；谭可荣4（1.华东理工大学，上海200237；2.兖矿鲁2006-09-30
［摘要］介绍了我国自主创新的气流床粉煤加压气化制备合成气新技术，给出了该技术在国内首套中试装置上的运行数据与工艺技术指标；运行结果表明，其合成气中有效气成分为89%～93％，碳转化率≥98％，各项技术指标达到国际先进水平，具有广阔的应用前景。
另外，还介绍以CO2为粉煤输送介质进行气化反应的合成气成分。
［关键词］粉煤加压气化；气流床气化；煤气化
0 绪 言
气流床煤气化技术具有气化温度与压力高、碳转化率高、生产强度大、易于大型化等特点，已经应用于化肥和甲醇等大宗化工产品的生产。
与水煤浆气化技术相比，粉煤气流床气化技术具有煤种适应性广、原料消耗低、碳转化率高、冷煤气效率高等技术优势，有更强的市场竞争力。
为了尽快开发自主知识产权的粉煤加压气化技术，国家科技部将“粉煤加压气化制合成气新技术研究与开发”列为“十五”国家重点科技攻关课题。
2004年末，在华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂（水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心）、中国天辰化学工程公司三家单位通力合作下，建于兖矿鲁南化肥厂的国内首套具有自主知识产权的粉煤加压气化中试装置（见图1）顺利通过72小时专家现场考核，率先在国内展示了气流床粉煤加压气化技术的优越性能。
课题验收专家委员会认定，本气化技术“填补了国内空白，工艺指标达到了国际先进水平”，“该项成果适用于大规模煤气化装置，前景十分广阔”。
图1粉煤加压气化中试装置
1 粉煤加压气化技术研究开发
1.1实验室研究，重点攻克关键技术
粉煤密相输送是粉煤气流床气化过程的核心技术之一。
在多年探索研究基础上，我们建成了采用DCS控制的大型粉煤密相气力输送装置（如图2），并开展了大量富有成效的研究工作。
通过研究输送料罐结构形式、输送管道尺寸、弯管形式、输送气体分配方式、粉煤均匀分配方法、喷嘴结构尺寸、粉煤流量稳定控制方法等，掌握了粉煤密相输送过程规律，形成了专利技术，提出了中试装置粉煤加压密相输送工艺，为高压下将粉煤密相、稳定可控地输送入气化炉奠定了坚实基础。
另外，对关键的阀门仪表，特别是固体粉煤流量的计量做了大量摸索与研究工作，确保了中试装置的顺利开车运行。
图2粉煤密相气力输送实验装置
1.2 建立中试装置，探索并掌握整体技术
粉煤加压气化中试装置建于兖矿鲁南化肥厂，在“九五”国家重点科技攻关计划项目支持下建设的新型（多喷嘴对置）水煤浆气化炉框架上扩建而成。
系统分新建单元和利旧改造单元。
其中新建单元为粉煤制备单元、粉煤输送与循环单元以及安全与运行控制单元；利旧整改单元包括气化单元、合成气初步净化和含渣水处理单元。
与大多数国产化技术采取的引进－消化吸收－创新模式不同，粉煤加压气化技术是在国内尚无任何设计、建设与运行工程经验参照情况下自主创新形成的。
经过中试实践探索，在工程方面积累了许多宝贵经验。
（1）工艺参数与操作方法
摸索了磨煤干燥制粉、粉煤密相输送的稳定可控供料、气化及激冷洗涤等工艺条件，特别是粉煤密相输送核心技术经受了考验。
通过装置运行，掌握了制粉工艺条件及其调控方法，粉煤输送与气化炉压力同步协调的控制，气化炉运行操作参数，气化工艺指标的调节优化方法等；并且实现了四喷嘴运行与两喷嘴运行间的快速、方便切换，使该技术在操作负荷调整上具有更大的灵活性。
（2）设备与仪表
粉煤介质不同于气体、液体与浆体，对设备与仪表有更特殊的要求。
在中试装置上，重点对粉煤加料与输送关键设备和仪表性能进行了全面考察。
及时解决了部分仪表、阀门在运行中暴露出的异常现象和问题，为该技术的产业化和仪表设备国产化积累了经验。
特别是对进口固体质量流量的性能识别与把握、标定与使用方法上教训与收获颇多。
（3）安全与控制
系统安全运行与控制是确保中试装置运行的关键。
针对粉煤气化系统的特殊安全要求，经过分析研究与实践探索，制定出一整套控制连锁方案。
包括开停车物流配送、切断顺序与时间，系统升降压控制联锁程序，粉煤输送程控方案等。
中试装置安全平稳运行的实践结果表明，该系统安全运行与控制技术已得到掌握。
2驶粉煤加压气化中试装置工艺流程
2.1工艺流程
粉煤加压气化中试装置工艺流程示意图如图3所示。
原煤由运输设施送至磨煤机破碎，同时由加热的低压氮气将其干燥带出，制备出的合格煤粉存于低压料仓中。
热的低压氮气大部分可循环使用。
低压料仓中的煤粉先后在低压氮气和高压氮气的输送下经过粉煤锁斗进入加料罐，加料罐内的粉煤被均匀分配成四路，通过四个对置排列在同一平面上的气化喷嘴进入气化炉。
气化剂氧气、蒸汽也通过喷嘴进入气化炉，在高温、高压下与煤粉进行气化反应。
出气化炉的高温合成气经激冷、洗涤后进入初步净化单元，最终并入兖矿鲁南化肥厂造气车间合成气管线。
熔融灰渣在气化炉激冷室中被激冷固化，经锁斗收集，定期排放。
从激冷室和洗涤塔排出的黑水进入含渣水处理单元，最终送污水处理系统。
2.2气化炉
气化炉为多喷嘴对置式结构，四个喷嘴位于气化炉上部，呈水平对置式，任意两相邻喷嘴间夹角为90°。
气化炉上部为燃烧室，内衬耐火砖，气化炉下部为激冷室，结构示意图如图4所示。
该气化炉通过喷嘴配置、优化炉型结构及尺寸，在炉内形成撞击流，以强化热质传递过程，形成合理的流场结构，从而达到良好的工艺与工程效果，提高有效气成分，增加碳转化率，延长耐火砖使用寿命。
图3粉煤加压气化中试装置流程示意图
1－除尘设备；2－低压粉仓；3－粉煤锁斗；4－加料罐；5－气化炉
6－排渣锁斗；7－磨煤机；8－换热器；9－引风机；10－洗涤塔
图4气化炉结构示意图
3中试装置运行结果
中试装置气化温度为1300～1400℃，气化压力2.0~3.0MPa，根据一对喷嘴或四个喷嘴运行情况不同，装置操作负荷可调范围较大，为15～45t/d煤。
氧煤比主要操作范围为0.5～0.6m3/kg，蒸汽煤比操作范围为0～0.3kg/kg。
3.1煤质分析
粉煤加压气化中试装置气化用煤为兖矿鲁南化肥厂气化分厂Texaco水煤浆气化工业装置用煤，进气化炉的煤粉煤质分析结果如表1所示。
表1 煤质分析结果 %
煤质分析项目
分析结果
工业分析
水分（Mad）
灰分（Aad）
挥发分（Vad）
固定碳（FCad）
元素分析
全硫（St,d）
碳（Cad）
氢（Had）
氮（Nad）
氧（Oad）
0.76
9.14
37.38
52.73
3.51
73.5
4.98
1.28
6.86
3.2合成气成分
该中试装置获得的合成气成分如表2所示，其中以二氧化碳为输送载气进行气流床粉煤加压气化的运行数据在国际上还未见报道。
显然，采用二氧化碳为输送载气后，合成气中的氮气含量明显降低，这对于粉煤加压气化技术更好地应用于生产甲醇、二甲醚、醋酸、烯烃、F-T合成等具有重要意义。
表2还同时列出了其他国外气流床煤气化技术公开的合成气成分。
可以看到，该气化技术的合成气中有效气成分较水煤浆气化高出6～10个百分点，而和Shell、GSP技术基本一致。
表3还给出了以二氧化碳为输送载气、气化炉压力在1.0MPa时蒸汽碳比变化对合成气成分的影响。
可见，随蒸汽煤比的降低，有效气成分呈上升趋势，CO含量明显增加，同时H2和CO2含量下降；表明CO2不仅作为输送粉煤的载气，同时也参与了气化反应。
值得指出的是，二氧化碳为输送载气时气化炉操作压力最高达到了3.0MPa。
表2中试装置合成气成分及其比较 %
技术种类
CO
H2
CO2
N2
（CO+H2）
本装置（N2输送）
58~62
29~32
2~4
4~7
89~93
本装置（CO2输送）
59~64
28~31
1.5~7
0.7~0.9
89~95
Shell［1］气化技术（N2输送）
64.6
27.2
1.53
4.18
91.8
GSP［2］气化技术
（N2输送）
68.9
23.6
3.1
4.0
92.5
表3以二氧化碳为输送载气时的合成气成分
序号
粉煤流量/kg/h
氧碳比
蒸汽碳比
合成气成分（干基）/%
CO
H2
CO2
N2
1
1043
0.39
0.25
60.33
32.10
6.78
0.79
2
1051
0.39
0.20
62.53
31.27
5.39
0.81
3
1041
0.39
0.13
63.20
30.84
5.26
0.70
4
1037
0.37
0.10
64.79
30.15
4.32
0.74
5
1037
0.31
0.00
69.59
27.88
1.48
1.08
3.3工艺技术指标
通常用有效气（CO+H2）成分、单位有效气产量的煤耗与氧耗即比氧耗与比煤耗以及碳转化率等几项技术指标考察气流床煤气化技术的性能。
表4给出了本装置的工艺技术指标，以及其他技术的相应指标，包括相同煤种的兖矿鲁南化肥厂水煤浆气化工业装置同时期运行指标，以及Shell、GSP粉煤气化技术指标。
表4几种不同气化装置运行指标比较
装置
原料
形态
（CO+H2）/%
碳转
化率
/%
比氧耗/m3/km3
比煤耗/kg/km3
煤种
多喷嘴对置式
气化炉
粉煤
89~93
>98
300~320
530~540
鲁化生产装置用煤
（灰分9.14％）
水煤浆
83
>98
380
550
原鲁化生产装置用煤
（灰分7.67％）
Shell[1]
粉煤
90
>99
340
590
灰分18％
GSP[2]
粉煤
92.5
>99
315
564
/
鲁化生产装置
水煤浆
83
/
399
644
鲁化生产装置用煤
（灰分9.14％）
由表3数据可见，本技术的各项工艺技术指标与Shell和GSP煤气化技术基本上处于同一水平。
与多喷嘴对置式气化炉的水煤浆气化技术指标相比，该技术节煤2%～4％，节氧16%～21％，表现出明显的低消耗优势。
4结语
通过中试装置的成功运行，自主创新的气流床粉煤加压气化技术展现出强大的生命力，其煤种适应性强，技术指标先进，工程上易于放大，操作安全，负荷调节灵活，必将扭转我国煤气化技术长期依赖引进的局面，为企业提供更多先进、经济的技术。
本粉煤气化技术采用技术成熟且投资较低的耐火砖结构气化炉和适合化工生产的激冷流程，不涉及投资大、结构复杂的水冷壁和废锅。
期待在国家相关政策的支持下，加快该技术的产业化步伐，使其在解决我国化肥企业原料问题和发展煤基能源化工等方面大有作为。
［参考文献］
［1］徐海龙，壳牌煤气化技术及其应用［J］，中国煤炭,2004,30（增刊）:
113～130.
［2］FritzWill,GSP煤气化技术的应用［A］，中国生物质能/煤转油技术交流及投资研讨会.上海.
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