梁霏飛

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

管道輸煤是我國(guó)新興的煤炭輸送方式，與其他輸送方式相比具有占地少、成本低、節(jié)能環(huán)保、抗災(zāi)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但長(zhǎng)距離輸煤管道技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用剛起步[1，2]，世界規(guī)模最大、中國(guó)第一條長(zhǎng)距離輸煤管道是由中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱武漢院)總承包(EPC)的神渭管道輸煤工程。

管道輸煤是將煤以水為載體用管道輸送至用戶，煤漿制備是煤進(jìn)入管道輸送前的關(guān)鍵工藝。長(zhǎng)距離管輸煤漿的特性指標(biāo)中，濃度和粒度組成至關(guān)重要。長(zhǎng)距離輸煤管道煤漿制備工藝的設(shè)計(jì)取決于管輸煤漿對(duì)特性的要求，需既能安全、經(jīng)濟(jì)輸送，又方便終端用戶使用，與氣化水煤漿、燃料水煤漿等高濃度水煤漿制備工藝差異較大[3，4]。

因此，需分析煤漿特性對(duì)長(zhǎng)距離管輸?shù)挠绊?，選取適合的濃度及粒度組成，設(shè)計(jì)合理的煤漿制備工藝，以制備合格管輸煤漿，以期對(duì)長(zhǎng)距離輸煤管道煤漿制備技術(shù)的發(fā)展提供技術(shù)參考[5]。

1 長(zhǎng)距離管輸煤漿重要特性指標(biāo)選取

1.1 濃度選取

濃度是長(zhǎng)距離管輸煤漿的重要特性，對(duì)管道運(yùn)行的可靠性和管輸能耗有重要影響。通常，水煤漿包括高濃度水煤漿和常規(guī)濃度水煤漿[4]。其中，高濃度水煤漿主要包括燃料水煤漿和氣化水煤漿。高濃度水煤漿與常規(guī)濃度水煤漿特性對(duì)比見表1。

表1 高濃度水煤漿與常規(guī)濃度水煤漿特性對(duì)比

燃料水煤漿、氣化水煤漿由于濃度高，導(dǎo)致其粘度也高，即使加入添加劑降粘后仍難以滿足長(zhǎng)距離管輸?shù)囊?，用管道輸送時(shí)是層流輸送，通常經(jīng)濟(jì)流速為0.5～1.0m/s，管中心流速最大，到管壁逐漸減小至 0，煤漿開始在管壁滯留，后期將在中心滯留[4]。因此，高濃度煤漿很難長(zhǎng)距離管輸，容易堵塞管道，不宜選用。而常規(guī)濃度水煤漿具有紊流性，適合長(zhǎng)距離管輸。

長(zhǎng)距離管輸煤漿濃度選取研究結(jié)果表明，煤漿濃度太低時(shí)，穩(wěn)定性不好，顆粒沉降速度快，易形成非均質(zhì)流；而煤漿濃度太高時(shí)，粘度大，摩擦阻力大，運(yùn)輸能耗大，成本高。對(duì)比重為1.3～1.4的原料煤制備長(zhǎng)距離管輸煤漿時(shí)，設(shè)計(jì)濃度可考慮選取的范圍為45%～55%。因此，長(zhǎng)距離管輸適合選用常規(guī)濃度水煤漿[6]。例如，美國(guó)Black Mesa管道的煤漿濃度范圍為46%～48%[7]。

武漢院管道實(shí)驗(yàn)中心針對(duì)神渭管道輸煤工程的煤樣進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)試驗(yàn)、制漿試驗(yàn)及大樣環(huán)管試驗(yàn)，目的是確定既能安全、經(jīng)濟(jì)輸送，又有利于終端脫水的長(zhǎng)距離管輸煤漿設(shè)計(jì)濃度[5]。研究結(jié)果表明，合理的濃度范圍為51%～55%，該濃度范圍的煤漿粘度低、磨蝕小、穩(wěn)定性好，漿體為偽均質(zhì)狀態(tài)，能采用管道進(jìn)行紊流狀態(tài)長(zhǎng)距離大運(yùn)量輸送[4]。在神木首端制漿車間制備合格管輸煤漿，輸送至各終端后，用戶根據(jù)各自化工廠工藝要求，再二次制漿為所需濃度的氣化水煤漿[7]。

1.2 粒度組成選取

粒度組成也是長(zhǎng)距離管輸煤漿的重要特性，合理的粒度組成能提高煤漿濃度、降低顆粒沉降速度、提高管輸效率。在設(shè)計(jì)粒度組成時(shí)，考慮保證良好的水力特性，降低制漿、輸送和終端脫水費(fèi)用[8，9]，以及防止顆粒沉降和管道堵塞[10]。

長(zhǎng)距離管輸煤漿粒度組成選取研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，粒度組成越細(xì)，消耗能量、輸送費(fèi)用越少，制漿、脫水費(fèi)用越多；而粒度組成越粗，消耗能量、輸送費(fèi)用越多，制漿、脫水費(fèi)用越少。

長(zhǎng)距離管輸煤漿粒度組成選取研究結(jié)果表明，粒度大于一定范圍的粗顆粒不能均勻懸浮，有阻留在管底的趨勢(shì)，會(huì)導(dǎo)致管道堵塞和管底磨損，而細(xì)顆?？稍龃竺簼{比重，使粗顆粒不易沉淀[4]。

根據(jù)武漢院管道實(shí)驗(yàn)中心針對(duì)神渭管道輸煤工程的研究結(jié)果，合理的粒度組成應(yīng)符合：0.044mm以下的細(xì)顆粒占比不少于20%[4]，1.2mm以上的粗顆粒僅極少量，該粒度組成能保證顆粒穩(wěn)定懸浮。這是由于粒度大于1.2mm的粗顆粒不能均勻懸浮，而粒度在0.044mm以下的細(xì)顆粒可增大煤漿比重，使粗顆粒不易沉淀，保證其占比很重要，因此應(yīng)嚴(yán)格控制粗顆粒和0.044mm以下細(xì)顆粒的占比[4]，但允許有一定的波動(dòng)范圍。

2 長(zhǎng)距離管輸煤漿制備方案、工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇

2.1 高濃度水煤漿制備工藝

高濃度水煤漿制備工藝通常需要添加劑系統(tǒng)(如分散劑系統(tǒng)、穩(wěn)定劑系統(tǒng)等)，工藝環(huán)節(jié)多。

高濃度水煤漿制備工藝是將煤、水和分散劑一起送入磨機(jī)研磨，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)攪拌、穩(wěn)定性等處理后即為合格水煤漿。高濃度水煤漿制備工藝流程如圖1所示。

圖1 高濃度水煤漿制備工藝流程

2.2 長(zhǎng)距離管輸煤漿制備工藝

2.2.1 煤漿制備方案選擇

長(zhǎng)距離輸煤管道煤漿制備方案的設(shè)計(jì)考慮直流式和分流式兩種方案。

直流式制漿方案為：破碎—濕法棒磨—檢查篩分。將原料煤破碎后，濕法棒磨，篩檢出粗顆粒返回磨機(jī)再磨，篩下物調(diào)制為合格煤漿。

分流式制漿方案為：預(yù)先篩分—破碎—濕法棒磨—檢查篩分。將原料煤進(jìn)行預(yù)先篩分，篩上物進(jìn)入破碎機(jī)破碎，再與篩下物混合濕法棒磨，調(diào)制為合格煤漿[4]。兩種制漿方案對(duì)比見表2。

表2 制漿方案對(duì)比

綜合對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，直流式制漿方案工藝流程簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高，工藝環(huán)節(jié)少，占地面積小；而分流式制漿方案由于增加了篩分作業(yè)而導(dǎo)致廠房、設(shè)備投資增加，且易產(chǎn)生粉塵，對(duì)工作環(huán)境影響大，還需增加除塵系統(tǒng)，也不利于生產(chǎn)管理。

因此，確定采用直流式制漿方案。

2.2.2 煤漿制備工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇

長(zhǎng)距離管輸煤漿制備工藝通常不需要添加劑系統(tǒng)，工藝環(huán)節(jié)少。根據(jù)所選擇的制漿方案，工藝設(shè)計(jì)如下：

原料煤自儲(chǔ)煤倉(cāng)下(或儲(chǔ)煤場(chǎng))，經(jīng)帶式輸送機(jī)送至破碎車間破碎后，經(jīng)帶式輸送機(jī)送至制漿車間，由配倉(cāng)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至緩沖煤倉(cāng)，緩沖煤倉(cāng)內(nèi)的煤由定量給料機(jī)給入棒磨機(jī)，加水研磨成一定濃度和粒度組成的煤漿。研磨后的煤漿經(jīng)安全篩檢查篩分后，篩上不合格煤漿通過(guò)返漿罐返回棒磨機(jī)再磨，篩下煤漿經(jīng)緩沖煤漿罐緩沖后泵送至儲(chǔ)漿罐攪拌儲(chǔ)存，此后送至泵輸系統(tǒng)輸送。長(zhǎng)距離輸煤管道煤漿制備工藝流程如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)距離輸煤管道煤漿制備工藝流程

長(zhǎng)距離管輸煤漿制備主要設(shè)備包括帶式輸送機(jī)、破碎機(jī)、緩沖煤倉(cāng)、定量給料機(jī)、棒磨機(jī)、安全篩、緩沖煤漿罐、返漿罐、儲(chǔ)漿罐[11，12]等。其中，以棒磨機(jī)為主設(shè)備的磨煤系統(tǒng)為主工藝系統(tǒng)，給煤系統(tǒng)、給水系統(tǒng)及返漿系統(tǒng)等為輔助配套系統(tǒng)[3]。

神渭管道主要設(shè)備的選型沒(méi)有相同工況可參照，主要依據(jù)類似工況運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。選型原則包括選擇運(yùn)行穩(wěn)定、技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)合理、高效節(jié)能的設(shè)備，考慮通用性和一致性的情況下盡量選用同系列、同型號(hào)的設(shè)備，以便設(shè)備維護(hù)和零配件的備用，充分考慮實(shí)際煤質(zhì)變化情況，處理能力留有充足的富余，并補(bǔ)充了試驗(yàn)研究加以論證[8]。

研究結(jié)果表明，為保證磨煤系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，將緩沖倉(cāng)容量設(shè)計(jì)為2h以上用煤量。制備管輸煤漿的磨機(jī)所需的入料粒度較細(xì)，常用的破碎機(jī)無(wú)法保證其入料粒度，因此設(shè)計(jì)選用可逆錘式細(xì)碎機(jī)作為破碎設(shè)備。磨機(jī)是控制煤漿粒度級(jí)配的關(guān)鍵設(shè)備，為滿足漿體粒度級(jí)配要求，保證粒度均勻分布并嚴(yán)格控制其上限粒度，設(shè)計(jì)選用棒磨機(jī)進(jìn)行制漿。鑒于選型時(shí)國(guó)內(nèi)磨機(jī)廠家均無(wú)磨制管輸煤漿的業(yè)績(jī)，設(shè)計(jì)主要借鑒美國(guó)Black Mesa管道的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)際煤質(zhì)資料，同時(shí)考慮足夠的裕量和備用系數(shù)。為嚴(yán)格控制煤漿產(chǎn)品中超限顆粒的含量，設(shè)計(jì)在棒磨機(jī)出料端設(shè)有安全篩，以防止超限顆粒和研磨過(guò)程中產(chǎn)生的雜物進(jìn)入管輸系統(tǒng)，從而保證煤漿在管道內(nèi)的安全輸送。

3 長(zhǎng)距離輸煤管道煤漿制備技術(shù)工程應(yīng)用成果

煤漿制備技術(shù)是長(zhǎng)距離輸煤管道工藝的重要組成部分，煤漿制備方案、制備工藝、設(shè)備選擇對(duì)長(zhǎng)距離管輸十分重要，其技術(shù)應(yīng)滿足管道輸送要求和減少管道磨損。

就目前我國(guó)已提出的8條輸煤管道設(shè)想來(lái)看，制漿系統(tǒng)基建投資估算一般占總投資的14%～20%。由于制漿系統(tǒng)基建投資、營(yíng)運(yùn)費(fèi)用占比較大，合理的管輸煤漿制備技術(shù)至關(guān)重要[13]。

武漢院通過(guò)理論計(jì)算、試驗(yàn)研究，并結(jié)合神渭管道輸煤工程的設(shè)計(jì)、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了較完善的長(zhǎng)距離輸煤管道煤漿制備技術(shù)，可滿足工程和行業(yè)發(fā)展需求。

神渭管道輸煤工程煤漿制備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用了高效率、低能耗、可靠運(yùn)行的設(shè)備，并考慮了足夠的備用系數(shù)，設(shè)置集中控制和監(jiān)控系統(tǒng)。神渭管道某制漿生產(chǎn)線已調(diào)試完成并制備出煤漿，全方位化驗(yàn)結(jié)果表明，所有特性指標(biāo)均符合長(zhǎng)距離管輸條件，是中國(guó)第一條完成工業(yè)化調(diào)試的長(zhǎng)距離管輸煤漿制備生產(chǎn)線，不僅滿足設(shè)計(jì)要求，還積累了寶貴的數(shù)據(jù)，為投運(yùn)和行業(yè)發(fā)展邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。

4 長(zhǎng)距離輸煤管道煤漿制備技術(shù)發(fā)展方向及前景

目前，長(zhǎng)距離輸煤管道煤漿制備技術(shù)的制漿濃度和輸送濃度偏低，終端用戶需脫水、提濃處理后才可使用。今后，可向提高制漿濃度和輸送濃度的方向發(fā)展，研究適合高濃度輸送的長(zhǎng)距離輸煤管道煤漿制備、輸送技術(shù)，以便輸送至終端的煤漿可直接供化工廠、電廠等用戶使用，例如，進(jìn)行添加不同方案添加劑提濃、降粘的研究，尋求合理的、適合高濃度輸送的適配方案[14，15]，并需要提高效率和降低成本。另外，今后可研究長(zhǎng)距離輸送矸石及電廠、煤化工尾渣等更多種類物料。

隨著環(huán)保要求的提高、技術(shù)的進(jìn)步、科技的發(fā)展，管輸煤漿作為煤基流體燃料，具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，還提供了更多新的研究方向。長(zhǎng)距離輸煤管道能耗低、占地少、工藝環(huán)節(jié)少、勞動(dòng)定員少、受地形條件限制小、運(yùn)輸和運(yùn)營(yíng)成本低、抗災(zāi)能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、能保證連續(xù)供給用戶的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越顯著，符合產(chǎn)業(yè)政策發(fā)展方向，具有廣闊的研究空間和應(yīng)用、發(fā)展前景。