水煤浆制备过程的研究与实践..

水煤浆制备过程的研究与实践

张永1、李洪峰2、郑学鹏1、张钊1、董浩1

（1.山东华鲁恒升化工股份有限公司 德州 253024；2.宁波万华聚氨酯有限公司 宁波

315800）

摘要：通过对制浆过程的分析，明确了棒磨机、球磨机的运行原理及优缺点。用实践案例，说明了棒磨机的参数匹配及运行状态的改进方法，并对磨煤机的继续改进和分段研磨技术开发提出了期望。 关键词：磨煤机 改进 参数匹配 分段研磨

Study and Practice

of the Coal Water Slurry Making Practice

Abstract: Through the analysis of the slurrying process, it defines the operating principle of rod mill and ball mill, it elaborates the advantages and disadvantages of this principle clearly. The practical case has explained the parameter match and improved method of rod mill’s operation. Besides, continuing improvement and the segmented grinding technology development of the coal mill are expected. Keywords: coal mill, improvement, parameter match, segmented grinding

1. 前言

在当前的煤浆加压气化装置中，无论是GE和西北院的单烧嘴顶喷结构，还是华东理工大学的四烧嘴对喷结构，其煤浆的制备工序基本都采用棒磨机为主体设备，少数单位采用球磨机、立式搅拌磨机等设备与棒磨机配合使用。而制售商品煤浆的单位，因为煤浆的储运时间较长，对稳定性要求非常高，通常采用球磨机制浆。

2. 两种磨煤机的工作原理

2.1 球磨机的工作原理

球磨机以研磨球为磨介，磨介球以半抛落方式运行，有较多的球被抛出做自由落体运动，落到底部和其它球产生撞击，靠球与球之间的撞击和挤压实现研磨效果。磨介球在材质选择方面，可以选择高硬度、耐磨性好的材料。

钢球和物料运动图

球磨机磨介为球状，接触点狭小而研磨刚性大，研磨效率较低，均匀性低，煤浆中粗粒子和超细粒子均较多，制出的煤浆粒度分布曲线较宽，流动性、稳定性较好。但筛分出的粗粒子废浆量大，且由于大量的机械功被消耗在磨介球的无效碰撞中，其设备处理能力小，单位成品煤浆的功耗高。 2.2 棒磨机的工作原理

棒磨机以钢棒为磨介，磨棒在磨机内以滑落和滚落方式运动，宏观的表现和山体滑坡中的土石流动类似，它是靠棒与棒之间的挤、搓、捻来实现研磨效果的。在选用磨棒的材质时，不但要考虑磨棒的耐磨性，还要保证具有足够的韧性，避

免磨棒受冲击断裂。

筒体旋转方向钢棒和物料运动图

棒磨机研磨的摩擦副是一条线，接触线长而均匀，接触线上的挤压强度较低。因此棒磨机研磨面积大，磨制均匀，对于适当粒径的煤颗粒，其研磨效率较高，其出口粗粒子少，制浆的功耗相对较低，相同功率的棒磨机处理能力比球磨机高出很多。

因为棒磨接触线长，所以挤压强度低，当粒子直径小到一定程度时，粒子和粒子表层吸附的水膜的强度都会升高，磨棒接触线上的挤压强度就不足以再将这些微小粒子继续磨碎。另外，在棒磨机的接触线上有较大粒子被挤压研磨的过程中，这些较大粒子也会形成支撑垫，两条研磨棒就会在该粒子附近形成一定的缝隙，相对更小的粒子就会从这条缝隙中漏过而不被研磨。因此，棒磨机制出的煤浆中，超细粒子较少，其粒度分布曲线虽然也呈正态分布形状，但峰值高而窄，说明煤浆中的粒子直径大多集中在较窄的范围内。这样一来，煤浆中粒子的堆积密度不易提高，煤浆浓度、粘度和稳定性指标均较差。

3. 棒磨机的运行要求

球磨机在运行中要求一部分磨球做抛物线运动，而在棒磨机的操作中，必须保证磨棒整体以滑落、滚落方式运动，所有磨棒均不允许出现抛落。

如果自身参数匹配不合理(比如磨机转速太快、提升条高度太高、装棒数量不合适等)造成棒磨机以磨棒抛落的方式运行，或安装操作不当(比如倾斜度大)，就容易引发乱棒、断棒等故障，而且磨棒的直径也会快速磨细。因为磨棒比较长，在被抛落的过程中，总会有一端先落地，一段后落地，形成小幅弹跳，磨棒自身承受较大的冲击弯曲力矩，频繁的冲击弯矩作用必然导致磨棒的疲劳断裂。先落地端和其它磨棒的撞击强度很高，又造成了磨棒的快速磨损。正常运行状态下磨棒的表面是光滑的磨砂状表面，而磨棒抛落情况下的目标表面则会在很多区域形成有较多凹坑的不光滑表面。

另外，磨棒频繁的弹跳过程中，也破坏了棒与棒之间起研磨作用的接触线，使得磨煤机研磨效果降低。当弹跳高度超过一定极限时，必然会破坏磨棒堆积的顺向排列，造成乱棒。

4. 现场实践及改进案例

华鲁恒升大氮肥装置在建设过程中，先后安装了8台棒磨机，根据装置分批设计时对磨煤机负荷的不同要求，共有3种规格，分别是Φ3200×5000mm，Φ3600×6000mm和Φ4300×6000mm。这些棒磨机在开车时，都曾出现过不同程度的乱棒和断棒情况。为了消除乱棒倾向，2004年和2006年分两批将橡胶提升条反方向安装，并将钢提升条的提升陡边用气焊现场割掉一部分，使之形成斜坡状，减少提升力度，改装完成后棒磨机运行比较平稳，乱棒、断棒倾向大幅降低，磨棒寿命明显延长。

橡胶提升条正装、反装结构对比如：

磨机旋转方向设计安装方向现场反装方向

钢提升条割削前后截面形状对比如下：

磨机旋转方向切割前切割后

2012年12月---2013年4月，在新安装棒磨机的试运行阶段，同样出现了乱棒、断棒倾向大，控制难度大的问题。2013年4月份对一台棒磨机进行内部检查时，发现断棒数量很多，总计拣出断棒280余段，按每根5.8m折合，约合整根的磨棒120多根，占到装棒总根数的30%以上。而且磨棒表面有很多凹坑和擦痕，直径平均减小5mm以上。磨棒的材质选用是按以往惯例采用的上海宝钢65Mn棒，热处理方式为正火处理，使用前后我们对磨棒材质、表面硬度都进行过检测，

硬度分别为HB 280和HB 265，磨棒材质和硬度方面不存在质量问题。而磨棒在筒体内的抛落点明显偏高，若以磨机筒体横截面为参考面，以横截面的圆心为原点建立平面直角坐标系(x轴水平)，从磨煤机进料端看，有的磨棒随筒体旋转到接近竖直点(超过70°)才开始抛落，磨棒表面形成大量的冲击凹坑和擦痕，磨棒两端端面因长期铆击使得边沿高起来，形成杯形坑。由此可以间接判断，磨棒在运行中抛落频繁。

断棒表面冲击凹痕及现场断棒端面如下图：

表面凹痕图片 磨棒端面杯形坑图片

2013年5月份，华鲁恒升对4台新棒磨机的提升条全部进行了改装，改装后磨棒异常弹跳现象基本消除，断棒出现概率减小，研磨效果也有了改善，在同等的制浆负荷下，煤浆中细粒子含量明显增加。

实际上，即使棒磨机提升条经过以上的改装之后，其提升强度还是相对比较高的。目前行业内有很多棒磨机采用了全部的钢衬板结构，不带专门的提升条，从钢衬板的形状可以明显看出，钢衬板的提升强度比华鲁恒升磨煤机所用的橡胶提升条小很多。另外，橡胶提升条的形状、尺寸设计也可以改进一下，比如宁波万华棒磨机所选用的橡胶提升条就采取了双面缓斜边结构，其截面形状和华鲁恒升割削修正后的钢提升条形状相近，乱棒、断棒倾向也大幅消减。

钢衬板结构形状及实物如下图：

5. 棒磨机的改进建议

尽管棒磨机还存在一些不足，但因其功耗低、处理能力大的优点倍受各个煤气化制浆单位的青睐。从煤炭进入棒磨机被搓捻研磨成浆的过程来分析，棒磨机还存在很多改进的空间，将现存缺点消减或弱化，使其综合优势更加显著。下面介绍一种实行分段研磨的简单方案：

将目前的全长度单一研磨改造为分段研磨，在结构上将磨煤机沿长度方向分为2段或3段，相当于在目前的普通磨煤机中增加1---2(或更多)个环形带衬隔板，将磨煤机内腔做成2—3(或更多)个短小的腔室。根据磨煤机进料粒度需要的研磨力大小，在3个腔室中分别配置不同直径的磨棒。因进料端煤的颗粒较大，需要配置较大直径的磨棒，向出口端依次减小直径。相对来说，磨棒直径越小，磨机腔室内装的磨棒根数就越多，磨棒之间的接触线的数量就越多，使得研磨强度提高。但是随着小直径磨棒的重量变轻，其研磨力量却随着研磨强度的提高在下降。所以，粗磨棒一般适用于粗研，细磨棒一般适用于细研。

分段研磨还可以根据需要制成前段球磨后段棒磨的形式。不过为了满足磨介球和磨棒不同的运动方式(抛落、滚落)，磨机筒体需要做成不同直径的分段，球

磨段较粗而棒磨段细，以获得各自需要的向心加速度。棒磨段的提升条也需要设计的相对低矮一些。

分段研磨优点有三个方面：

第一，可以根据煤颗粒的粒度变化配用粗细合适的磨棒，在满足研磨力量的前提下，后段可以采用较细磨棒，使得磨煤机的总体研磨强度进一步提高，制浆能量消耗下降。

第二，分段研磨尤其是后段的细研增加了煤浆中细粒子的含量，改善了煤浆的粒度分布，使得煤浆品质提高，稳定性、流动性更好，浓度也会有一定提升。

第三，因为分段后磨棒变短，断棒问题也会减少，磨棒寿命延长； 分段研磨的缺点是磨棒的检查和抽棒、加棒的工作要复杂一些，维修工作量也有一定程度的增加。

6. 结语

以上只是根据日常运行情况总结出的一些拙识浅见，尤其是棒磨机的改造建议尚未经过实践测试，希望能给有实力进行开发的单位提供一种思路，能给有备用设备改造的单位提供一定的参考。