周念鑫 駱振福 何亞群 謝衛(wèi)寧 王 帥

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

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中速磨煤機(jī)內(nèi)原煤研磨過程的試驗(yàn)研究

周念鑫 駱振福 何亞群 謝衛(wèi)寧 王 帥

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

基于MPS型中速磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和研磨機(jī)理，設(shè)計(jì)制造了實(shí)驗(yàn)室輥磨試驗(yàn)系統(tǒng)，用于模擬、研究封閉磨煤機(jī)內(nèi)物料的粒度減小與能量消耗問題，分別利用3組窄粒級(jí)煤樣對(duì)加載力、磨盤轉(zhuǎn)速及填充率對(duì)顆粒破碎行為的影響進(jìn)行考察，同時(shí)利用功率測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)磨煤機(jī)的研磨能耗。研究揭示了不同試驗(yàn)條件下研磨能耗隨時(shí)間的變化規(guī)律；經(jīng)典的煤粉細(xì)度-能耗數(shù)學(xué)模型能夠很好的描述僅加載力或填充率變化的試驗(yàn)過程，擬合精度R2大于0.96；不同磨盤轉(zhuǎn)速條件下煤粉細(xì)度-能耗曲線出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)致模型不能使用?；陬w粒破碎能量效率隨著粒度的變化呈正相關(guān)變化，將粒度嵌入經(jīng)典破碎模型中，實(shí)現(xiàn)在相同磨盤轉(zhuǎn)速條件下，針對(duì)不同粒度、加載力和填充率時(shí)能量-粒度減小過程的表征。

中速磨煤機(jī) 模擬研究 研磨過程 破碎能量

我國(guó)每年電力消耗巨大，雖然近年來核能、風(fēng)能和太陽能等新興發(fā)電技術(shù)逐步推廣應(yīng)用，但火力發(fā)電依舊占有極大份額。2015年我國(guó)火電發(fā)電量達(dá)4.21萬億kWh，占總發(fā)電量的74.94%。統(tǒng)計(jì)資料顯示中國(guó)燃煤電廠總發(fā)電量的5%～10%都被消耗在電能生產(chǎn)的過程中，其中磨煤制粉系統(tǒng)的能耗最大，全國(guó)火力發(fā)電機(jī)組平均發(fā)電煤耗達(dá)327 g/kWh，較世界先進(jìn)水平高出近90 g/kWh。因此，亟需研究中速磨煤機(jī)內(nèi)原煤細(xì)顆粒的生成以及能耗特性。

中速磨煤機(jī)根據(jù)磨輥和磨盤結(jié)構(gòu)的差異可分為中速球式(E型)磨煤機(jī)、中速輥環(huán)式(MPS型)磨煤機(jī)和中速輥碗式(RP型)磨煤機(jī)，各類磨煤機(jī)均具有相同的研磨機(jī)理，其中我國(guó)燃煤電廠廣泛使用的是MPS型中速磨煤機(jī)，其運(yùn)行原理圖如圖1所示。

由圖1可以看出，燃煤經(jīng)落煤管進(jìn)入磨盤中部的錐形體后均勻進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的研磨環(huán)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磨輥和研磨環(huán)在液壓加載力的作用下，將其間的原煤擠壓碾碎，破碎后的煤粉被甩出磨盤進(jìn)入風(fēng)環(huán)室，流經(jīng)風(fēng)環(huán)室的熱空氣將煤粉帶到磨煤機(jī)上部的煤粉分離器，過粗的煤粉則經(jīng)由分離器底部的出口落入磨盤再磨。

由于中速磨煤機(jī)始終在高溫高壓的封閉環(huán)境內(nèi)運(yùn)行，直接展開其研磨過程的研究面臨諸多困難。為此，科研人員在分析此類磨機(jī)運(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)型哈氏可磨儀模擬研究E型中速磨煤機(jī)的研磨過程；美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的L.G.Austin、日本學(xué)者K.Sato以及澳大利亞昆士蘭大學(xué)JK礦物研究中心的施逢年教授先后利用哈氏可磨儀及其改進(jìn)裝置開展窄粒級(jí)原煤破碎試驗(yàn)，研究顆粒破碎行為及能耗特性。但哈氏可磨儀與MPS型中速磨煤機(jī)在介質(zhì)角度和磨盤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上存在差異，且目前針對(duì)在國(guó)內(nèi)燃煤電廠廣泛使用的MPS型磨煤機(jī)的研究相對(duì)較少。

本文模擬研究了中速磨煤機(jī)內(nèi)燃煤粒度減小與能量消耗關(guān)系，規(guī)避封閉磨煤機(jī)內(nèi)高溫高壓的復(fù)雜環(huán)境，基于MPS型中速磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和研磨機(jī)理，設(shè)計(jì)制造了一套實(shí)驗(yàn)室輥磨試驗(yàn)系統(tǒng)。通過對(duì)窄粒級(jí)燃煤進(jìn)行破碎試驗(yàn)并監(jiān)測(cè)能耗，探討出了顆粒破碎過程中的能量消耗規(guī)律，為進(jìn)一步研究燃煤電廠工業(yè)中速磨煤機(jī)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)煤樣均采自安徽省淮北渦北選煤廠重介旋流器中煤產(chǎn)品脫介篩，樣品干燥后篩制成了5.6～4 mm、8～5.6 mm和11.2～8 mm這3個(gè)窄粒級(jí)，樣品灰分分別為26.05%、22.74% 和 20.00%。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室輥磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

由圖2可以看出，磨盤和磨輥直徑分別為260 mm和200 mm，研磨環(huán)體積為780 cm3，磨盤轉(zhuǎn)速在25～90 rpm，磨輥加載力為200～400 N，胎狀磨輥與豎直方向呈7°夾角，磨輥所受加載力和磨盤轉(zhuǎn)速可分別通過彈簧秤和變頻器調(diào)節(jié)，磨輥可根據(jù)研磨環(huán)床層厚度差異在豎直方向上自由移動(dòng)；磨盤外側(cè)為煤粉收集槽，用于收集試驗(yàn)中被甩離的煤粉；功率測(cè)量?jī)x在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中的能量消耗，并通過電腦終端記錄能耗數(shù)據(jù)。為了確保能耗數(shù)據(jù)的精確，研磨試驗(yàn)前率先空載運(yùn)行5 min，待功率測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)運(yùn)行穩(wěn)定后再進(jìn)行窄粒級(jí)物料破碎試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)步驟

為了研究中速磨煤機(jī)不同參數(shù)對(duì)顆粒破碎行為和能量消耗的影響，分別利用3組煤樣，即煤樣A、B和C進(jìn)行不同磨輥加載力、磨盤轉(zhuǎn)速和填充率的研磨試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間分別為0.5 min、1 min、1.5 min、2 min和3 min，詳細(xì)試驗(yàn)安排如表1所示。試驗(yàn)結(jié)束后采用振篩機(jī)和套篩對(duì)物料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，記錄功率數(shù)據(jù)與時(shí)間積分可得能耗數(shù)據(jù)，裝載煤樣后的磨煤機(jī)總能耗減去磨煤機(jī)空載能耗即可得到煤樣的破碎能耗。

表1 試驗(yàn)安排表

1.4 煤粉細(xì)度評(píng)價(jià)指標(biāo)

在燃煤電廠，中速磨煤機(jī)用于磨制細(xì)粉供鍋爐燃燒，考察研磨能耗和煤粉細(xì)度的關(guān)系將有助于揭示中速磨煤機(jī)的破碎特性。因此，選擇參數(shù)t10用來表征煤粉細(xì)度，t10是指破碎產(chǎn)物中小于初始粒級(jí)幾何平均尺寸1/10的物料累積含量。由于未配備有相應(yīng)尺寸的套篩，故在煤粉粒度分析基礎(chǔ)上利用羅辛-拉姆勒爾曲線(R-R)擬合后獲得各試驗(yàn)條件下相應(yīng)的t10。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同條件下研磨能耗的變化

煤樣A在不同加載力條件下每30 s內(nèi)的累積破碎能耗隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同加載力條件下每30 s內(nèi)的累積破碎能耗隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖3可知，隨著研磨時(shí)間的增加，破碎能量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，在相同的研磨時(shí)間前提下，顆粒所受加載力越大，研磨能量越高。通常，顆粒在立式輥磨機(jī)中破碎所消耗的能量見式(1)：

(1)

式中：E——顆粒破碎所消耗的能量，kWh/t；

P——顆粒破碎所消耗的功率，W；

F——顆粒所受加載力，N；

f——顆粒摩擦系數(shù)；

r——磨盤半徑，mm。

由式(1)可以看出，在煤樣A的破碎試驗(yàn)中隨著加載力的逐漸增加，破碎能量也將逐漸變大，與試驗(yàn)結(jié)論相符；燃煤顆粒的摩擦系數(shù)隨粒度的增加而增加，因此顆粒粒度隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小的同時(shí)，摩擦系數(shù)也逐漸降低，輸入破碎能量也將呈下降趨勢(shì)，但當(dāng)研磨時(shí)間超過2 min時(shí)，每30 s內(nèi)累積的破碎能量又在逐漸增加，分析認(rèn)為床層顆粒粒度隨研磨時(shí)間的增加而變細(xì)，顆粒逐漸向研磨環(huán)徑向分布致使床層變薄；同時(shí)可自由移動(dòng)磨輥隨床層變薄而向下移動(dòng)，磨輥與磨盤接觸的研磨面被細(xì)顆粒煤粉包裹；受細(xì)顆粒床層緩沖作用的影響，研磨能量的作用效率降低；此外細(xì)顆粒的抗壓強(qiáng)度較粗顆粒大，因此在破碎階段后期，破碎難度的提高也增加了能量消耗。

煤樣B在不同磨盤轉(zhuǎn)速條件下每30 s內(nèi)破碎能耗隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同磨盤轉(zhuǎn)速條件下每30 s內(nèi)破碎能耗隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖4可以看出，與煤樣A的變化規(guī)律類似，當(dāng)磨盤轉(zhuǎn)速低于41.6 rpm時(shí)，每30 s內(nèi)的累積破碎能量隨時(shí)間變化呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。磨盤轉(zhuǎn)速越高，顆粒經(jīng)歷的破碎事件越多，磨后煤粉細(xì)度相應(yīng)越大，所以在研磨時(shí)間相同時(shí)，高轉(zhuǎn)速條件下得到較多細(xì)顆粒煤粉，磨輥與煤樣間的摩擦系數(shù)降低致使破碎能量降低。然而在磨盤轉(zhuǎn)速為50 rpm時(shí)，隨時(shí)間延長(zhǎng)破碎能量一直呈上升趨勢(shì)，且較相同時(shí)間下低轉(zhuǎn)速時(shí)的破碎能量高。粒度分析表明：當(dāng)磨盤轉(zhuǎn)速為50 rpm時(shí)，煤粉細(xì)度參數(shù)t10較其他條件高出5%～20%，而-90 mm累積產(chǎn)率也較之高出了3%～10%，細(xì)粒物料較高的抗壓強(qiáng)度及床層的緩沖作用綜合導(dǎo)致了在50 rpm轉(zhuǎn)速條件下有較高的破碎能量輸入。

煤樣C在不同填充率條件下每30 s內(nèi)累積破碎能耗隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同填充率條件下每30 s內(nèi)累積破碎能耗隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖5可以看出，與此前兩種條件下的試驗(yàn)現(xiàn)象類似是：床層顆粒細(xì)度及抵抗破碎能力的變化致使破碎能量隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。床層厚度也對(duì)研磨能耗產(chǎn)生影響，即較高的填充率表明入磨煤樣質(zhì)量高，床層較厚；破碎過程中細(xì)顆粒的積聚使破碎能量并不能有效的加載到所有顆粒中，而產(chǎn)生能量緩沖效應(yīng)；床層越厚，此現(xiàn)象將更加明顯。因此相比較另兩個(gè)試驗(yàn)條件，當(dāng)填充率為0.2時(shí)，破碎能量始終維持在一個(gè)較高的水平。

2.2 不同條件下的煤粉細(xì)度與研磨能耗關(guān)系

為了表征破碎能量和產(chǎn)品細(xì)度間的關(guān)系，澳大利亞昆士蘭大學(xué)JK礦物研究中心在礦物落錘試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了用于表征自磨機(jī)/半自磨機(jī)破碎過程的數(shù)學(xué)模型見式(2)：

(3)

式中：t10——煤粉細(xì)度參數(shù)，%；

A、b——礦物沖擊破碎參數(shù)；

Ecs——物料破碎過程中所消耗的能量，kWh/t。

落錘試驗(yàn)裝置及自磨機(jī)/半自磨機(jī)主要依靠沖擊作用實(shí)現(xiàn)礦物破碎，而中速磨煤機(jī)則依靠擠壓作用，不同設(shè)備之間破碎機(jī)理的差異將考驗(yàn)該粒度-能耗模型對(duì)中速輥磨機(jī)破碎過程的適用性。在分析煤粉細(xì)度參數(shù)t10和破碎能量關(guān)系基礎(chǔ)上，借助Matlab軟件，分別得到不同加載力和填充率下t10和破碎能量間的試驗(yàn)和擬合曲線如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在加載力或填充率改變的試驗(yàn)條件下，該數(shù)學(xué)模型能夠很好的描述煤粉細(xì)度t10和破碎能量的關(guān)系，且R2大于0.96。

圖6 不同破碎條件下t10與破碎能量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線

不同磨盤轉(zhuǎn)速條件下能量效率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同磨盤轉(zhuǎn)速條件下能量效率隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖7可以看出，磨盤轉(zhuǎn)速不同時(shí)，煤粉細(xì)度與破碎能量的關(guān)系較為離散。在t10均為62%的前提下，33.3 rpm和50 rpm時(shí)所需的破碎能量分別為1.41 kWht和0.94 kWht；而當(dāng)破碎能量均為1.50 kWht時(shí)，25 rpm和50 rpm下煤粉細(xì)度參數(shù)t10分別為36.60%和80.38%。對(duì)于立式輥磨機(jī)而言，磨盤轉(zhuǎn)速的差異代表顆粒所經(jīng)歷破碎事件不同。當(dāng)破碎時(shí)間相同時(shí)，顆粒因破碎次數(shù)不同導(dǎo)致碎后產(chǎn)品細(xì)度差異；而磨盤粒度組成又將影響破碎能量輸入。破碎進(jìn)程中床層粒度和輸入能量的連鎖變化致使不同磨盤轉(zhuǎn)速條件下煤粉細(xì)度—能耗曲線上下波動(dòng)，經(jīng)典的能耗數(shù)學(xué)模型無法有效的描述該破碎過程。

雖然經(jīng)典破碎模型已能夠應(yīng)用于表征窄粒級(jí)物料的粉碎過程，其能否描述多組窄粒級(jí)物料的能量—粒度減小過程值得討論。昆士蘭大學(xué)Frank Shi開展了多組窄粒級(jí)物料破碎試驗(yàn)，并將粒度以與破碎能量相乘的方式納入破碎模型以表征物料的破碎行為。而圖6也顯示，在煤粉細(xì)度相同的前提下，大顆粒所需能量較小顆粒少，即兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?；谏鲜龇治?，對(duì)原有的經(jīng)典破碎模型進(jìn)行優(yōu)化，加入物料粒度參量。改進(jìn)后的破碎模型見式(3)：

(3)

式中：x——初始粒級(jí)的幾何平均粒度，mm。

考慮到不同磨盤轉(zhuǎn)速下顆粒破碎行為的差異，本次數(shù)據(jù)處理的對(duì)象包含煤樣A、煤樣B以及煤樣C在磨盤轉(zhuǎn)速為41.4 rpm時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。單位輸入能量與顆粒粒度的乘積與煤粉細(xì)度t10的關(guān)系以及公式(3)對(duì)其的擬合結(jié)果如圖8所示，改進(jìn)后的破碎模型的數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)為0.92，表明加入粒度參量的改進(jìn)破碎模型可說明物料粒度對(duì)能量—粒度減小過程的影響。

圖8 改進(jìn)型破碎模型對(duì)自制輥磨裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

3 結(jié)論

選取國(guó)內(nèi)燃煤電廠普遍使用的MPS型中速磨煤機(jī)為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)?zāi)M研究的方法，選取多組窄粒級(jí)物料分別進(jìn)行變參數(shù)、多時(shí)間批次的破碎試驗(yàn)，分析顆粒的破碎行為及能耗特性。本文主要研究結(jié)論如下：

(1)實(shí)驗(yàn)室輥磨系統(tǒng)的破碎試驗(yàn)表明，由于細(xì)顆粒較高的抵抗破碎能力及細(xì)顆粒床層的緩沖效應(yīng)，破碎能量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈先減小后增加的趨勢(shì)。

(2)經(jīng)典的煤粉細(xì)度t10和破碎能量模型能夠很好的描述僅加載力或填充率變化的破碎過程，但由于不同磨盤轉(zhuǎn)速條件下煤粉細(xì)度和輸入能量關(guān)系較為離散，t10和破碎能量曲線波動(dòng)致使經(jīng)典破碎模型無法表達(dá)該過程。

(3)將顆粒粒度嵌入經(jīng)典能量—粒度減小模型后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)相同磨盤轉(zhuǎn)速，不同粒度、磨輥加載力和磨盤填充率條件下的描述，拓展了經(jīng)典破碎模型在表征輥磨機(jī)中顆粒破碎過程的應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯 王雅琴)

Experimental study on breakage process of raw coal in medium speed mill

Zhou Nianxin, Luo Zhenfu, He Yaqun, Xie Weining, Wang Shuai

(School of Chemical Engineering &Technology, China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

Based upon structure characteristics and grinding mechanism of MPS medium speed mill, a lab-scale roller-race mill was designed to simulate reducing particle size and energy consumption in closed coal mill. The authors inspected influences on particle breakage behavioral of loading force, millstone rotate speed and filling rate of three narrow fraction coal sample, meanwhile, monitor grinding energy consumption of the mill by using power measurement. The results showed changing rule between grinding energy consumption and time in different experimental conditions. In the rule, the classical fineness of pulverized coal energy consumption mathematical model could describe the experimental process that only changing the loading force or filling rate withR2>0.96 fitting precision, the energy consumption curve of fineness of pulverized coal was fluctuated with different millstone rotate speeds which leads to the model out of commission. According to positive correlation between particle sizes and energy efficiencies of broken particle, the authors implanted particle size into classical breakup model which achieving process representation of energy particle reduction with various particle sizes, loading forces and filling rates under same millstone rotate speed.

medium speed mill, simulation study, grinding process, grinding energy

國(guó)家自然科學(xué)基金(51274196，51404267)

周念鑫，駱振福，何亞群等. 中速磨煤機(jī)內(nèi)原煤研磨過程的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)煤炭，2017，43(3)：99-103. Zhou Nianxin, Luo Zhenfu, He Yaqun, et.al. Experimental study on breakage process of raw coal inmedium speed mill[J].China Coal，2017，43(3)：99-103.

TK223

A

周念鑫(1985-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，博士研究生，主要從事中速磨煤機(jī)內(nèi)顆粒破碎及分級(jí)機(jī)理方面的研究。