关洪洋 ,张文杰,李红旭,张 妍,刘明新
(1.沈阳隆基电磁科技股份有限公司,辽宁 抚顺 113122;2.内蒙古博大实地化学有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 017300)
水煤浆作为一种新型、高效、清洁型煤基燃料,不仅能够作为燃料燃烧提供热值,还被广泛应用于煤制油、煤制气等化工领域,是煤化工重要的原材料。国家能源局、环保部、工信部三部委发布的《促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》明确提出“积极推进先进的型煤和水煤浆技术”,再次将水煤浆列入鼓励推广类技术,因此水煤浆的利用问题尤其突出[1]。
在水煤浆制备过程中,由于原料煤中未被清理的小块杂铁和磨制过程中磨料损失产生的杂铁会掺杂到水煤浆中,在水煤浆的运输及后续使用时,杂铁将会伴随物料进入到生产的各环节中,尤其在煤化工企业煤炭气化过程中,会造成后续烧嘴堵塞、隔膜泵关闭不严、隔膜泵损坏等问题(见图1、图2),同时还会造成水煤浆在管道运输过程中压力波动,进而影响气化炉的稳定运行,极大地降低生产效率。因此水煤浆除铁问题亟待解决。
图1 杂铁垫缸情况
图2 杂铁损坏隔膜泵情况
水煤浆的制备是由65%~70%的煤、29%~34%的水和小于1%的化学添加剂进行一定的工艺流程加工而成[2]。其中对于磨煤主要采用大型棒磨机或球磨机对原料煤进行磨制,该过程中需要添加大量铁质磨材。由于磨材的磨损导致大量铁削进入到水煤浆中,物料混合后很难将铁件进行清除。
目前水煤浆中杂铁的清除主要采用滚筒筛出口周围安装单体磁块形式,物料通过时依靠磁块的吸附分离其中的铁件(见图3)。但由于磁块为裸露结构,长时间浸泡在水煤浆中,极易出现粉化破损的情况。并且磁块外磁场未进行工艺设计,表面磁场呈放射状,如果表面被细碎杂铁覆盖后,形成磁场屏蔽现象就不会再有吸附效果,极大地降低了磁块除铁能力,实际使用时能够被吸附的铁件远低于要求。并且在需要清理时,需要人工进入滚筒筛内部进行收集。不仅收集效果不理想,而且存在一定的危险。并且收集时间受到生产的限制,只有停产时才能够进行收集工作。同时人工清理时周围布满煤浆,工作环境恶劣,因此该种除铁方式是不适合长期维持的工作方式。
另一种清除方案,采用低压煤浆泵之后增加圆筒过滤器形式,物料通过圆筒过滤器时铁件被过滤器中筛网分离(见图4)。但该种形式杂铁清除是比较困难的,需要停产时将圆筒过滤器拆开,受到生产节奏的限制。当不能够及时清理时,极易造成过滤筛网被堵塞,造成低压煤浆泵压力升高,煤浆流量降低等情况,影响气化炉的稳定运行。并且磨材磨损后的铁件呈沫状或针状,很难被筛网进行分离,铁屑可以通过筛网缝隙进入到后续生产环节产生不利影响,因此圆筒过滤器实际并不能起到分离铁件的目的,并且在长时间运行过程中还会增加维修难度,是一种极不推荐的除铁方式。
图4 圆筒过滤器除铁方案
在煤化工企业,水煤浆的生产主要采用磨机进行磨制后,通过滚筒筛进行筛分,部分的大铁件和大颗粒杂质被去除。带有沫状铁或细小铁件的水煤浆进入小煤浆槽进行初步暂存。小煤浆槽中的水煤浆通过尾部连接的管道进入低压煤浆泵进行加压后输送到大煤浆槽进行存储,该过程水煤浆通常会被加压至0.4 MPa以内。由于铁件的密度较大,在搅拌不良时,极易出现铁件和煤浆的混合物在煤浆槽底部聚集,造成后续堵塞情况。由于煤化工企业生产规模不同,通常规模较大企业会在大煤浆槽之前布置分料器,以便于能够根据气化炉使用情况,切换物料输送至不同的大煤浆槽。大煤浆槽中的煤浆经过高压煤浆泵再次加压至6.5 MPa后,通过烧嘴后在气化炉中进行燃烧[4],燃烧后气体在经过复杂化学反应制成相应产品或中间产品用于销售。
干煤输送过程中存在一定的大铁件和一些螺栓、垫片等小铁件。输送过程中常见的除铁方式为使用除铁器进行清除。根据HGT20518—2008《化工粉体工程设计通用规范》要求:在每路运煤系统中,宜在卸煤设施后的第一个转运站、煤场带式输送机出口处和碎煤机前各装设一级除铁器。当采用中速磨煤机或高速磨煤机时,应在碎煤机后再增设一级除铁器[3]。同时根据除杂领域厂家推荐及国标要求,在输煤系统中需要满足三级除铁,在输煤一二级采用盘式或带式除铁器,建议在带式输送机机头处设置,通过物料的多次翻转能够有效清理大量的铁件,在进入到制浆系统以前增设大功率的盘式除铁器,盘式除铁器与带式除铁器相同性能时能够更贴近物料,达到更优的除铁效果。以便在输煤系统中将全部大铁件进行清除,防止铁件进入到制浆系统[5]。
对于水煤浆制备系统中杂铁去除,目前由沈阳隆基电磁科技股份有限公司研发一种水煤浆杂铁分离器,该装置能够有效清除水煤浆中的细小杂铁,并且设备已经投产使用,达到预期效果。
电磁水煤浆杂铁分离装置由3部分构成,包含主机,配套冷却系统,电控控制柜。其中主机能够形成足够的背景磁场,通过设备内部高聚磁格栅形成高梯度磁场,物料通过时能被吸附。吸附一定时间后,设备可采用断电去磁方式,达到卸铁目的。并且卸铁时可同时配合水路或气路进行辅助卸铁。电控控制柜采用PLC编程形式,能够实现现场或集控控制,并且通过逻辑控制可实现设备自动运行,自动清理停止,满足煤化工企业追求高自动化的要求。
目前设备安装位置为3处,具体情况如下:
(1)滚筒筛后,小煤浆槽前管道位置。该位置安装能够有效地保证后续隔膜泵及气化炉装置的稳定运行,起到源头控制杂铁的目的。并且该位置设备离地距离较小,更适合布置排铁管路,使得吸附后的杂铁更便于排除。
(2)低压煤浆泵之后,大煤浆槽之前的管路。该位置空间较大,并且管道内压力较小,能够满足水煤浆电磁杂铁分离器的处理要求。由于很多现场低压煤浆泵由隔膜泵改为离心泵,因此低压煤浆泵的风险降低,设备只需保证高压煤浆泵及气化炉的稳定运行即可。
(3)分料器和大煤浆槽之间(对于存在分料器的现场)。该处位置物料为自由落体运输,设备不需要考虑承压问题,并且相对物料通过时速度较低,能够有效地被处理,也是比较理想的布置位置。杂铁被清除后,能够使得后续的高压隔膜泵在清洁环境下运行,减少由于铁件造成的隔膜损坏。
对于需要改造的现场,只需要在现场管道中增加设备,并且设备采用上下法兰连接方式。改造时在设备外围增加旁路,设置相应管道阀门,通过PLC控制阀门开启和关闭状态,达到对物料进入的控制(见图5)。清除杂铁后的水煤浆燃烧后,能够保证气化炉炉内的清洁,减少由于铁件被高温融化造成的底部炉灰和铁水混合物的存在,减少清理炉灰的难度。除铁后会极大改善气化炉耐火砖由于铁水侵蚀造成的断砖等现象,提升耐火砖的使用寿命。
图5 电磁水煤浆杂铁分离装置系统
水煤浆杂铁分离器目前已经在现场进行安装,经实际检测,能够达到设计要求。对于大于2mm×5mm杂铁的清除率大于72%,小于2mm×5mm的杂铁清除率大于76%(见表1),现场杂铁影响生产的现象极大地得到改善,降低了设备故障率,设备能够实现自动控制,满足现阶段煤化工企业追求自动化生产的需求。设备能够实现与现场DCS数据传输,实现中控控制,减少人工干预等情况。
表1 水煤浆杂铁分离装置使用后杂铁收集情况
图6所示为现场收集铁件情况,设备工作时能够将存在较大危害的杂铁进行清理,极大地提升了设备稳定运行状态。
图6 水煤浆杂铁分离装置清除的杂铁
总之,水煤浆除铁是目前煤化工企业亟待解决的问题,电磁水煤浆杂铁分离器的推出,能够方便地解决该问题,是一种可推广的实用性设备。通过现场改造,降低水煤浆运输过程中杂铁对于关键设备的影响,极大地提高生产效率,减少人工劳动强度,同时能够实现自动化控制,满足现阶段煤化工企业的自动化愿景。