李建民，潘新龍

（1.中國(guó)石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163714；2.西安艾貝爾科技發(fā)展有限公司，西安 710065）

球磨機(jī)失效鋼球動(dòng)態(tài)剔除技術(shù)的應(yīng)用

李建民1，潘新龍2

（1.中國(guó)石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163714；2.西安艾貝爾科技發(fā)展有限公司，西安 710065）

以中國(guó)石油大慶石化公司熱電廠＃1鍋爐的球磨機(jī)為例，采用失效鋼球自動(dòng)剔除技術(shù)對(duì)DTM350／600球磨機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制，在球磨機(jī)出口端安裝自動(dòng)剔除裝置，在線清理球磨機(jī)的失效鋼球及雜物，克服了傳統(tǒng)篩選方法的缺點(diǎn)，同時(shí)降低了球磨機(jī)能耗，提高了球磨機(jī)的出力，延長(zhǎng)了球磨機(jī)構(gòu)件的使用壽命，避免了鍋爐結(jié)渣，在達(dá)到建設(shè)目標(biāo)的同時(shí)保證了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的安全和穩(wěn)定。

球磨機(jī)；失效鋼球；自動(dòng)剔除；篩選；鋼球配比

0 引言

鋼球球磨機(jī)是制粉系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，自身體積和質(zhì)量較大，是發(fā)電廠的耗電大戶。球磨機(jī)利用旋轉(zhuǎn)滾筒帶動(dòng)筒內(nèi)的研磨體運(yùn)動(dòng)，對(duì)原煤進(jìn)行撞擊、擠壓和研磨，破碎煤塊，最終研磨成煤粉，在制粉系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。標(biāo)準(zhǔn)鋼球直徑為30～60mm，球磨機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，筒體內(nèi)鋼球由于磨損而逐漸變小，當(dāng)鋼球直徑小于25mm后，鋼球?qū)γ侯w粒的撞擊作用基本消失，不僅失去磨煤作用，而且增加電耗。

目前恢復(fù)球磨機(jī)功能的傳統(tǒng)方法是停磨后進(jìn)行人工清理，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，約每年1次。由于清理鋼球前、后球磨機(jī)出力相差較大，如果廢球未能及時(shí)處理，隨著廢球量的增加，球磨機(jī)的出力逐漸減小，造成球磨機(jī)在絕大部分工作周期中都不在最佳工況下運(yùn)行，導(dǎo)致電耗增高，直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

本文以中國(guó)大慶石化公司熱電廠（以下簡(jiǎn)稱大慶石化熱電廠）＃1鍋爐為例，采用失效鋼球自動(dòng)剔除技術(shù)對(duì)每臺(tái)鍋爐球磨機(jī)的失效鋼球進(jìn)行自動(dòng)剔除。自動(dòng)剔除技術(shù)能夠在線剔除球磨機(jī)內(nèi)失效鋼球。球磨機(jī)運(yùn)行2500～3000 h后，篩選稱量鋼球一次，將不合格的鋼球、金屬?gòu)U物、礦石及木塊等雜物消除干凈。系統(tǒng)投入使用后，不僅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且降低了球磨機(jī)能耗和鋼球損耗，提高了球磨機(jī)運(yùn)行效率，提高了制粉系統(tǒng)出力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 傳統(tǒng)球磨機(jī)磨煤過(guò)程

1.1 磨煤過(guò)程分析

球磨機(jī)研磨體（鋼球）的體積根據(jù)入磨原料的粒徑大小而定，大鋼球沖擊動(dòng)能大，主要對(duì)大塊原料起破碎作用；小鋼球沖擊能量小，但小鋼球能補(bǔ)充大鋼球之間的空隙，對(duì)小原料顆粒進(jìn)行擠壓和研磨，對(duì)粉料的細(xì)度控制至關(guān)重要。為使球磨機(jī)高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，球磨機(jī)內(nèi)鋼球要按一定的大小配比添加，添加量也要控制在合適的范圍內(nèi)。

當(dāng)球磨機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，鋼球由于磨損而逐漸變小，對(duì)原料的撞擊作用也逐漸減小。當(dāng)鋼球小到一定程度后，研磨的作用變得很小，成為球磨機(jī)內(nèi)的有害負(fù)載，增加球磨機(jī)能耗，降低球磨機(jī)的效率。球磨機(jī)內(nèi)大鋼球量由于磨損而逐漸變小，鋼球大小配比偏離最佳級(jí)配，研磨效率大幅降低，直接影響后續(xù)產(chǎn)能。因此，為提高球磨機(jī)的制粉效率，使球磨機(jī)高效、穩(wěn)定工作，球磨機(jī)內(nèi)研磨體（鋼球）的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制至關(guān)重要。

1.2 傳統(tǒng)的鋼球篩選方法

目前，國(guó)內(nèi)粉磨行業(yè)剔除失效鋼球大多數(shù)采用人工篩選或半自動(dòng)篩選的方法。

1.2.1 人工篩選方法

人工篩選方法是在檢修期間停運(yùn)球磨機(jī)并打開(kāi)人孔門(mén)和入料斗，操作人員進(jìn)入球磨機(jī)內(nèi)，將所有鋼球清理出來(lái)，放到固定場(chǎng)地后，再由有經(jīng)驗(yàn)的人員對(duì)鋼球進(jìn)行分類，將直徑小于25mm的失效鋼球及煤矸石等雜物逐個(gè)清理，然后將合格的鋼球重新裝填至球磨機(jī)內(nèi)，繼續(xù)發(fā)揮研磨作用。

1.2.2 半自動(dòng)篩選方法

半自動(dòng)篩選方法也是在檢修期間將人工清理出來(lái)的所有鋼球輸送到相應(yīng)的篩選設(shè)備中，通過(guò)篩選設(shè)備將失效鋼球篩出，即可達(dá)到對(duì)失效鋼球剔除的目的。

這2種方法都存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高、時(shí)效性差、易造成環(huán)境污染等缺陷。由于每臺(tái)球磨機(jī)內(nèi)裝入的鋼球重達(dá)幾十噸，導(dǎo)致人工清理工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性差。因此，實(shí)際生產(chǎn)中不可能頻繁地靠停機(jī)檢修來(lái)剔除廢鋼球，球磨機(jī)內(nèi)失效鋼球不能及時(shí)剔除，總有一定量的廢鋼球在球磨機(jī)內(nèi)存在，占據(jù)球磨機(jī)有效容積，增加球磨機(jī)無(wú)功能耗，使球磨機(jī)不能在最優(yōu)狀態(tài)工作，球磨機(jī)效率降低，能耗增大，經(jīng)濟(jì)效益很差。

2 鋼球篩選優(yōu)化控制方案

2.1 鋼球篩選控制原理

原煤與鋼球均由球磨機(jī)入口加入，隨著球磨機(jī)的運(yùn)行，鋼球逐漸被磨損，新球的加入與原煤的進(jìn)入推動(dòng)球磨機(jī)筒體內(nèi)鋼球向出口運(yùn)動(dòng)；另外，球磨機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)拋起的鋼球在空中受到流動(dòng)風(fēng)力負(fù)壓的作用，產(chǎn)生指向出口的流動(dòng)泳力，使鋼球向出口運(yùn)動(dòng)。小鋼球質(zhì)量小，比大鋼球更容易被風(fēng)力推動(dòng)；另一方面，球磨機(jī)入口平均進(jìn)煤粒徑約為15mm，而合格煤粉的平均粒徑（R90＞10%）為0.01mm，煤粉的表面積增加了1 500倍，由于煤粉的可磨系數(shù)不變，球磨機(jī)出口處鋼球的磨損比入口高1 500倍，大部分小鋼球都集中在球磨機(jī)出口處，所以應(yīng)對(duì)球磨機(jī)出料端進(jìn)行改造。

利用失效鋼球趨向球磨機(jī)出口端的特點(diǎn)，在球磨機(jī)出口端襯板上開(kāi)出適當(dāng)尺寸的孔徑，使失效鋼球在球磨機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中自動(dòng)從筒體內(nèi)流出，并沿設(shè)計(jì)好的流道從球磨機(jī)出口筒內(nèi)適當(dāng)位置拋出，在通過(guò)計(jì)算并設(shè)計(jì)安裝的接球裝置將其接住并輸送出球磨機(jī)，最終進(jìn)入廢球的儲(chǔ)箱。

失效鋼球尺寸定為25mm，其設(shè)計(jì)依據(jù)為根據(jù)研磨理論，可計(jì)算出球磨機(jī)有效鋼球的最小直徑dmin，其計(jì)算公式為

式中：dmax為磨制煤塊的最大粒徑；d為球磨機(jī)滾筒直徑；σ為煤塊因壓縮而破壞的瞬間阻力；ε為楊氏彈性模量；c為楊氏模量變化系數(shù)；β為鋼球下落能量；ρ為鋼球?qū)嶋H密度。

根據(jù)計(jì)算可得出球磨機(jī)有效鋼球的最小直徑為25mm。

2.2 自動(dòng)剔除技術(shù)與傳統(tǒng)方法的對(duì)比

對(duì)于人工篩選和半自動(dòng)篩選方法，篩選鋼球只能通過(guò)人工操作將所有鋼球向外清理，而清理出來(lái)的鋼球再經(jīng)過(guò)人工或借助篩選設(shè)備將失效鋼球及雜物逐個(gè)清除，最終完成合格鋼球的裝填工作。鋼球裝載量一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及球磨機(jī)規(guī)程中的額定裝載量來(lái)設(shè)定，并非球磨機(jī)的最佳鋼球裝載量，裝填量過(guò)多或過(guò)少，運(yùn)行均不經(jīng)濟(jì)。平時(shí)的鋼球添加也是依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法保證加入鋼球量的準(zhǔn)確性，添加時(shí)間也不夠及時(shí)、準(zhǔn)確。

鋼球自動(dòng)剔除系統(tǒng)是目前剔除失效鋼球最為先進(jìn)和專業(yè)的方法，其在克服了人工篩選方法和半自動(dòng)篩選方法缺點(diǎn)的同時(shí)又降低了成本，能夠優(yōu)質(zhì)、高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)失效鋼球、煤矸石等雜物的在線清理，并且保證了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的安全和穩(wěn)定。

2.3 鋼球篩選方案實(shí)施

大慶石化熱電廠＃1鍋爐容量410 t／h，配備2套中間儲(chǔ)倉(cāng)式鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)，鍋爐采用熱風(fēng)送粉，磨煤機(jī)型號(hào)為DTM-350／600，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為17.69 r／min，最大裝球量為64 t，傳動(dòng)比為6.74，筒體直徑為3500mm，有效容積為57.73m3，機(jī)器總質(zhì)量為137.9 t；配用電動(dòng)機(jī)型號(hào)為JSQ15B-6，額定功率為2×550 kW，采用7075-B650型號(hào)皮帶給煤機(jī)。2.3.1 技術(shù)方案

球磨機(jī)失效研磨體自動(dòng)剔除裝置包括帶篩孔的端襯板、內(nèi)螺旋管、外螺旋管、收球斗、導(dǎo)球管、收球箱、檢查門(mén)、輔助導(dǎo)球管等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 球磨機(jī)失效研磨體自動(dòng)剔除裝置

球磨機(jī)出口端與帶篩孔的襯板連接，帶篩孔的襯板與外螺旋管連接，外螺旋管內(nèi)安裝有內(nèi)螺旋管，內(nèi)螺旋管的出口端連接收球斗，收球斗與導(dǎo)球管一端連接，導(dǎo)球管的另一端與收球箱連接，導(dǎo)球管上設(shè)有檢查門(mén)。輔助導(dǎo)球管連接于出料斗轉(zhuǎn)角處。帶篩孔的襯板上設(shè)有多個(gè)梯形條形孔，襯板后部設(shè)有通道。內(nèi)螺旋管與外螺旋管之間設(shè)有螺旋通道，螺旋通道的出口為封閉端，在內(nèi)螺旋管的出口端圓周上設(shè)有多個(gè)出口。收球斗設(shè)計(jì)為33°～38°漏斗形狀，在球磨機(jī)出口端旋轉(zhuǎn)方向上與球磨機(jī)水平中心成55°～80°夾角。導(dǎo)球管與球磨機(jī)出口端彎頭焊接連接。輔助導(dǎo)球管上安裝閘板閥。

2.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）端襯板。新設(shè)計(jì)的端襯板替換原球磨機(jī)端襯板，使用材料為中鉻合金鋼40Cr5Mo，此材料硬度不小于44HRC，抗沖擊吸收能量不小于25 J／cm2，可以承受磨煤機(jī)內(nèi)鋼球與端襯板碰撞、摩擦，可使用5年以上，符合GB／T 26651—2011《耐磨鋼鑄件》的要求。端襯板上帶有條形篩孔，篩孔尺寸不大于25 mm，可將磨煤機(jī)內(nèi)小于25mm的失效鋼球篩出；篩孔形狀為內(nèi)小外大，呈漏斗狀，可保證篩出的鋼球不會(huì)再次進(jìn)入磨煤機(jī)。

（2）內(nèi)螺旋錐管。新設(shè)計(jì)的雙螺旋錐管替換原球磨機(jī)螺旋管，采用16Mn材料，此材料屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，化學(xué)成分及機(jī)械性能符合GB／T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的要求。雙螺旋錐管內(nèi)、外設(shè)計(jì)為螺旋葉，螺旋葉與錐管軸向成45°夾角，內(nèi)螺旋葉與外螺旋葉方向相反，內(nèi)螺旋葉可將進(jìn)入雙螺旋錐管的有效鋼球通過(guò)磨煤機(jī)旋轉(zhuǎn)重新推入磨煤機(jī)筒體內(nèi)；外螺旋葉可將從端襯板篩出的失效鋼球推至雙螺旋錐管小端排出磨煤機(jī)。

（3）收球斗。收球斗采用16Mn材料，化學(xué)成分及機(jī)械性能符合GB／T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的要求。收球斗設(shè)計(jì)成圓弧形，外輪廓尺寸與內(nèi)螺旋錐管直徑尺寸相配合，截面為梯形，可接住從內(nèi)螺旋錐管處甩出的失效鋼球，并通過(guò)導(dǎo)球管排出磨煤機(jī)，并能有效擋住煤粉。

（4）導(dǎo)球管與輔助導(dǎo)球管。使用材料為Q235-A，外壁使用D256耐磨焊條堆焊，化學(xué)成分及機(jī)械性能符合GB／T 8163—2008《無(wú)縫鋼管》的要求。導(dǎo)球管上設(shè)計(jì)有檢查門(mén)，可檢查磨煤機(jī)出球情況，在堵塞時(shí)，可在檢查門(mén)處疏通。輔助導(dǎo)球管上連接有閘板閥，可將出料斗拐角處堆積的煤矸石、失效小球等雜物排出。閘板閥平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，定時(shí)開(kāi)啟排出雜物。

（5）接球箱與接球小車。采用材料為Q235-A，化學(xué)成分及機(jī)械性能符合GB／T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》的要求。接球箱頂端連接導(dǎo)球管與輔助導(dǎo)球管，內(nèi)部放置接球小車，失效鋼球通過(guò)導(dǎo)球管與輔助導(dǎo)球管排入小車內(nèi)。接球小車設(shè)計(jì)人性化，方便清理。

3 項(xiàng)目效果分析

大慶石化熱電廠使用球磨機(jī)型號(hào)為DTM350／700，每臺(tái)球磨機(jī)制粉出力41 t／h，球磨機(jī)單耗22（kW·h）／t，電價(jià)為0.52元／（kW·h），2臺(tái)球磨機(jī)年運(yùn)行8000 h。

2013年11月28日至12月10日，按照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)＃1鍋爐2臺(tái)磨煤機(jī)鋼球自動(dòng)篩選裝置進(jìn)行了考核標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出：＃1磨煤機(jī)累計(jì)運(yùn)行117.0 h，累計(jì)篩選出廢舊鋼球、煤矸石61.8 kg，平均每小時(shí)篩出廢舊鋼球、煤矸石0.53 kg；＃2磨煤機(jī)累計(jì)運(yùn)行79.6 h，累計(jì)篩選出廢舊鋼球、煤矸石102.0 kg，平均每小時(shí)篩出廢舊鋼球、煤矸石1.28 kg。按照每天累計(jì)工作22h計(jì)算，＃1鍋爐2臺(tái)磨煤機(jī)日均篩出廢舊鋼球約39.82 kg，每周可篩出278.74 kg；篩出的鋼球、煤矸石直徑尺寸小于25mm，達(dá)到了項(xiàng)目的預(yù)期指標(biāo)。

表1＃1鍋爐自動(dòng)篩球裝置標(biāo)定統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)測(cè)算，年末鋼球因磨損平均球徑降低到初裝球徑的81%，出力為初始球磨機(jī)出力的89%。

3.1.1 球磨機(jī)節(jié)電效益

穩(wěn)定后球磨機(jī)單耗＝初始球磨機(jī)單耗×（1-年末球磨機(jī)出力／初始球磨機(jī)出力）+初始球磨機(jī)單耗＝22×（1-0.89）+22＝24.42（（kW·h）／t）。

年耗煤150萬(wàn)t，按照4.5臺(tái)鍋爐運(yùn)行計(jì)算，平均每臺(tái)鍋爐年耗煤33萬(wàn)t。

＃1鍋爐2臺(tái)球磨機(jī)年累計(jì)節(jié)約電耗＝年制粉量×（穩(wěn)定后球磨機(jī)單耗-初始球磨機(jī)單耗）＝330000×（24.42-22）＝798600（kW·h）。

＃1鍋爐2臺(tái)球磨機(jī)平均每年節(jié)電費(fèi)用798600× 0.52×10-4＝41.53（萬(wàn)元）。

3.1.2 廢料收集效益

去掉篩出廢鋼球中的煤矸石，改造后每天每臺(tái)鍋爐可收集廢鋼5 kg，按每3元／kg計(jì)算，年產(chǎn)生效益＝每天廢鋼收集量×廢鋼價(jià)格×年收集天數(shù)＝5×3×300×10-4＝0.45（萬(wàn)元）。

年度總經(jīng)濟(jì)效益＝球磨機(jī)節(jié)電效益+廢料收集效益＝41.53+0.45＝41.98（萬(wàn)元）。

綜合上述分析，僅考慮節(jié)電和廢料收集兩項(xiàng)，項(xiàng)目每年即可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約42萬(wàn)元，同時(shí)，球磨機(jī)失效鋼球動(dòng)態(tài)剔除系統(tǒng)的使用能夠提高球磨機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)化程度，降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人工成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，也能夠使球磨機(jī)不再停機(jī)剔除失效研磨體，降低煤粉含鋼量，有效緩解鍋爐結(jié)焦、結(jié)渣，減少停機(jī)損失，延長(zhǎng)了設(shè)備大修周期?？紤]到項(xiàng)目實(shí)施后使整個(gè)制粉系統(tǒng)設(shè)備壽命提高，制粉系統(tǒng)運(yùn)行更加協(xié)調(diào)、高效等因素，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益更加可觀。

3.2 環(huán)境效益

項(xiàng)目環(huán)境效益主要體現(xiàn)在節(jié)電減排方面，根據(jù)節(jié)能評(píng)價(jià)規(guī)范，每節(jié)約1 kW·h電，就相應(yīng)節(jié)約了0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)少排放0.272 kg炭粉塵，1.468 kg CO2，0.030 kg SO2及0.015 kg NOx。每年減排CO2量＝798600×1.468×10-3＝1172.34（t）。

3.3 社會(huì)效益

項(xiàng)目的社會(huì)效益在于提高球磨機(jī)自動(dòng)化水平。在線剔除失效鋼球，簡(jiǎn)化了操作，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了工人成本；實(shí)現(xiàn)了鋼球的動(dòng)態(tài)管理，減少了鋼球使用量；降低了球磨機(jī)噪聲，改善了工作環(huán)境，提高了管理水平；使煤粉細(xì)度均勻、穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將失效鋼球自動(dòng)剔除技術(shù)應(yīng)用于DTM350／600球磨機(jī)并進(jìn)行優(yōu)化控制，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，自動(dòng)剔除系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)、高效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)失效鋼球及雜物的在線清理，克服了人工篩選方法和半自動(dòng)篩選方法的缺點(diǎn)，同時(shí)降低了能耗，減輕了工人勞動(dòng)輕度，延長(zhǎng)了設(shè)備大修周期。僅節(jié)電與廢料回收年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)42萬(wàn)元，年減少CO2排放量1172.34 t，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

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（本文責(zé)編：弋洋）

TM 621.3

：B

：1674-1951（2015）01-0058-04

李建民（1965—），男，黑龍江大慶人，技師，從事鍋爐轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備方檢維修管理方面的工作（E-mail：85657122＠qq. com）。

2014-07-07；

2014-10-25

潘新龍（1981—），男，陜西西安人，工程師，從事鍋爐系統(tǒng)節(jié)能改造工作（E-mail：xinlongpan＠126.com）。