何亞群，謝衛(wèi)寧，王 帥，黃 勇，魏 華，王海鋒，張峰彬

(1.中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業(yè)大學 現(xiàn)代分析與計算中心，江蘇 徐州 221116；3. 北京電力設備總廠有限公司，北京 102488)

作為傳統(tǒng)能源的煤炭是我國能源的基礎，約占一次能源消費的68%左右。以煤炭為主的能源格局決定了我國以煤電為主的基本現(xiàn)狀[1]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2017年我國煤炭產(chǎn)量達到34.45億t，其中65%用于電廠發(fā)電；全國發(fā)電裝機容量達到178.25萬MW，同比增長7.6%，總發(fā)電量6.42萬億kWh?；痣娧b機容量為110.60萬MW，同比增長4.94%，占全部裝機容量的62.05%；全國累計火力發(fā)電量為4.61萬億kWh，同比增長4.6%，占比高達71.81%。 目前，我國每年需消耗原煤近25億t用于發(fā)電，超過90%的燃煤電廠采用煤粉燃燒方式。煤粉制備是燃煤電廠的必備環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)約消耗0.5%～2%的發(fā)電量，因此探索燃煤電廠在煤粉制備過程中的節(jié)能問題意義重大。

1 煤粉制備及分析

燃煤電廠普遍使用中速磨煤機進行煤粉制備，雖然各類磨機間存在研磨介質(zhì)及磨輥受力加載方式等區(qū)別，但運行原理相似。如圖1所示：原煤經(jīng)落煤管進入旋轉(zhuǎn)磨盤的研磨環(huán)，三組相對運動的磨輥在彈簧力、液壓力或其他外力作用下，將研磨環(huán)上的原煤擠壓、碾磨成煤粉；研磨后的煤粉被旋轉(zhuǎn)磨盤甩出，由一次熱風輸送至錐形體區(qū)域；自磨盤到錐形體入料區(qū)域，截面突然擴大，致使風速降低，較粗顆粒在重力作用下返回磨盤再磨，細顆粒煤粉則經(jīng)由錐形體上部導向擋板引流，切向進入煤粉分離器進一步分級；合格煤粉經(jīng)煤粉管道進入鍋爐燃燒，粗顆粒則從分離器底部重返磨盤[2]。

中速磨煤機磨盤待磨物料組成相對復雜，包括錐形體和分離器返料以及新鮮入料，故待磨物料處于多相混合的破碎環(huán)境。為確保鍋爐燃燒效率，降低粗顆粒錯配至合格煤粉概率，煤粉分離器分離粒度需低于合格煤粉粒度上限，部分超過分離粒度但符合燃燒細度的煤粉將返回磨盤繼續(xù)研磨[3]。

圖1 中速磨煤機運行原理圖Fig.1 Working principle of the medium-speed vertical-spindle coal mill

我國燃煤政策規(guī)定電廠以燃用劣質(zhì)煤為主[4]。高灰煤中伴生礦物質(zhì)的可磨性差，一般需多次研磨-分級后，才能滿足鍋爐燃燒的細度要求。煤粉分離器相對較低的分級效率以及伴生礦物質(zhì)的循環(huán)研磨，最終將導致磨機循環(huán)負荷偏大。這不僅降低磨機運行效率，增加設備磨損和保養(yǎng)維修壓力，而且煤中伴生有害礦物質(zhì)除少量以石子煤(磨機入料的0.001%，甚至更低)形式排出外，大多數(shù)則被磨制成粉后進入鍋爐燃燒，會降低鍋爐燃燒效率，增加污染物和粉塵排放。以黃鐵礦為例，經(jīng)過初步分選僅能部分去除，剩余的將在全部磨制成粉后進入爐膛燃燒，不僅產(chǎn)生SO2污染大氣，還將生成附著物貼于爐膛內(nèi)壁，結成高硬鐵渣，降低燃燒效率，縮短鍋爐使用壽命。煤中伴生的其他微量或痕量元素也將在燃燒中逐步轉(zhuǎn)換為毒性氣體直排，其危害難以準確評估。

由國家能源局等三部委聯(lián)合印發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)的通知》中要求，到2020年，力爭使煤炭占一次能源消費比重下降到62%以內(nèi)，電煤占煤炭消費比重保持在60%以上。該文件頒布的目的在于提高煤炭資源利用效率，旨在通過高效利用，降低煤炭燃燒帶來的霧霾、污染性氣體排放等環(huán)境問題。

煤炭制粉與鍋爐燃燒是實現(xiàn)燃煤電廠節(jié)能減排與提效工作中需要重點關注的兩個環(huán)節(jié)。科研工作者已在鍋爐燃燒效率與減排方面做了大量的工作，但煤炭研磨制粉領域的研究相對滯后?，F(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)顯示：燃煤電廠中速磨煤機在煤粉磨制過程中約消耗0.5%～2%的發(fā)電量，節(jié)能空間巨大，中速磨煤機工作效率直接影響電廠的發(fā)電成本和節(jié)能降耗目標的實現(xiàn)。2017年，我國6 000 kW及以上發(fā)電機組供電煤耗已降低至309 g/kWh，但同世界先進水平280 g/kWh仍有一定距離[5]。此外，我國不同集團和地域電廠的技術水平發(fā)展很不均衡，小型發(fā)電機組或矸石電廠的供電煤耗會超過380 g/kWh。2017年，燃煤電廠磨制煤粉所用電量達0.09萬億kWh，需消耗4 500萬t煤炭。據(jù)此估算，如果中速磨煤機煤炭研磨效率提高20%，即可節(jié)省原煤近千萬噸，節(jié)約成本數(shù)十億元。因此，煤炭研磨制粉提效是除燃燒控制之外實現(xiàn)燃煤電廠節(jié)能減排的重要途徑和手段。

受工業(yè)型磨機高溫高壓封閉環(huán)境的限制，科研人員目前多利用具有相同工作原理的實驗室研磨單元或者借助離散元模擬軟件開展相關研究[6-9]。工業(yè)型中速磨煤機的研究多停留在分析磨機操作參數(shù)變化對煤粉細度和產(chǎn)率的影響層面，尚缺乏對磨機磨煤動力學及節(jié)能降耗基礎研究的關注。本研究團隊與澳大利亞昆士蘭大學JK礦物研究中心及北京電力設備總廠合作，在國內(nèi)外首次進行了工業(yè)運轉(zhuǎn)的MPS型中速磨煤機開孔改造，完成了磨機入料、錐形體和分離器入料和返料采集工作[10]。工業(yè)磨機采樣工況條件如表1所示。結合采樣條件以及磨機內(nèi)外物料性質(zhì)，Shi和Kojovic聯(lián)合建立了包括磨機能耗預測、能量-粒度破碎模型、破碎產(chǎn)物粒度模型以及錐形體和煤粉分離器分級的子模型[11-12]。在模型校驗的基礎上，分別進行了E型、MPS型和CKP型立式輥磨機研磨和分級過程預測，發(fā)現(xiàn)一次風速對磨機操作具有顯著影響，并建立了各個子模型參數(shù)與一次風速的關系[13-14]。同時，研究團隊還根據(jù)不同類型中速磨煤機的工業(yè)采樣和實驗室模擬試驗，通過能耗-破碎模型，對比分析了E型和MPS型中速磨煤機的運行和能量效率[6,15-16]。

工業(yè)型中速磨煤機的開孔采樣獲取了磨機內(nèi)部料流信息，進而實現(xiàn)了磨機運行過程的模型化與能量效率的對比分析，但仍需針對中速磨煤機內(nèi)顆粒破碎過程開展基礎研究，以分析影響煤炭研磨制粉效率的因素，并制定相關改善策略。

表1 MPS型中速磨煤機在各采樣工況下的運行參數(shù)[10]

2 入料煤特征

工業(yè)磨機開孔采樣試驗結果表明：錐形體入料粒度上限高達2 mm，其R200(粒徑>200 μm的顆粒質(zhì)量分數(shù))和R90(粒徑>90 μm的顆粒質(zhì)量分數(shù))分別為25%和70%。雖然在錐形體的預先分級作用下部分粗顆粒重返磨盤，但分離器入料R200和R90變化不大[10]。煤粉分離器入料、返料以及煤粉產(chǎn)品的R90分別為68%、76%和13%，分離器入料和返料粒度組成相差較小。

在獲取中速磨煤機入料流量以及內(nèi)部各節(jié)點粒度分布之后，根據(jù)質(zhì)量平衡分別計算了錐形體和煤粉分離器的入料、出料和返料的質(zhì)量流量[17]。圖2所示為采樣工況4的計算結果。

圖2 采樣工況4的磨機各節(jié)點的質(zhì)量流量及灰分

計算結果表明：中速磨煤機磨盤待磨物料中分離器返料占比最高；當磨機出力為24.6 t/h時，實際待磨物料質(zhì)量流高達221.3 t/h。此工況下磨機的循環(huán)倍率(分離器入料與合格煤粉質(zhì)量流量之比)為7.43；其余各工況循環(huán)倍率在8～10之間。在煤炭循環(huán)的研磨-分級過程中，伴生礦物逐漸解離并在磨機內(nèi)部累積。由圖2可以看到采樣工況4的各節(jié)點物料灰分，雖然合格煤粉灰分僅為34.06%，但受煤中伴生高密度礦物質(zhì)、煤粉分離器分級效率和分離粒度的綜合影響，過量煤粉的循環(huán)研磨-分級致使錐形體和分離器返料灰分較磨機入料提高20個百分點。

綜合上述分析，中速磨煤機內(nèi)待磨物料中粗細顆粒質(zhì)量含量差異顯著，且細粒級物料的灰分較粗顆粒高。本研究率先利用哈氏可磨儀開展粗粒煤炭和細粒煤粉的混合破碎試驗，以考察細粒級煤粉對粗顆粒破碎特性以及能量消耗的影響。

3 破碎能量響應

選取5種不同哈氏可磨性指數(shù)煤樣，混合破碎中粗顆粒選取各煤樣破碎后篩取的1.25～0.63 mm窄粒級物料，細顆粒為第五種煤樣的<0.074 mm粒級物料。本環(huán)節(jié)細顆粒物料加入的前提是僅占據(jù)粗顆粒間的空隙而不會對混合物體積產(chǎn)生影響。通過測定加入不同質(zhì)量細顆粒時的物料體積，最終確定加入上限為10 g。在研磨試驗中，細粒物料的加入質(zhì)量分別為2.5、5、7.5、10 g[18]。

細顆粒加入后，粗顆粒殘余量的變化在半對數(shù)直角坐標系中仍呈直線，故符合一級動力學模型。計算各條件下粗顆粒的破碎速率(表2)，結果表明：在前兩組試驗中，細顆粒加入量相對較少，粗顆粒破碎對添加煤粉的響應較弱；當煤粉添加量增至7.5 g和10 g時，五個煤樣的破碎速率降幅均較大。分析認為，除細顆粒加入所引起的緩沖效應外，與粗顆粒單獨破碎相比，粗細混合破碎中粗顆粒所分配的能量降低也是造成破碎速率減小的主要原因。

表2 不同細顆粒煤粉加入量情況下各煤樣的破碎速率

床層中添加的細顆粒除降低粗顆粒破碎速率外，還對細顆粒產(chǎn)率產(chǎn)生影響。<0.074 mm粒級的生成量隨細顆粒加入量的增加而增加。隨著破碎時間延長，試驗物料由窄粒級煤樣演變?yōu)榱６确植驾^寬的顆粒群。物料粉碎是一個粒度逐級減小的過程，初始粒級物料逐漸碎散成各個細粒級而不能直接跳躍破碎成<0.074 mm粒級煤粉。

相比于僅由粗顆粒組成的料床，加入的細顆粒將占據(jù)顆粒與顆粒、顆粒與研磨介質(zhì)間的空隙，降低料層與研磨介質(zhì)接觸面的粗糙程度，摩擦系數(shù)也相應減小。對固定操作參數(shù)的哈氏可磨儀而言，破碎能量僅與摩擦系數(shù)有關，因此細顆粒加入減小了摩擦系數(shù)，進而降低輸入能量。

與料層中加入細顆粒相反，粗顆粒破碎過程中新生細顆粒的及時移除可促使輸入能量的增加。煤樣A在哈氏可磨儀研磨1 min后，將生成的<0.074 mm顆粒篩除并添加同等質(zhì)量的原始煤樣，重復兩次上述步驟直至最終的研磨時間為3 min。與單獨破碎相比，新生細顆粒去除分別使第二和第三階段的輸入能量提高129.6 W和140.4 W。粗顆粒破碎時細顆粒添加和去除對比試驗中輸入能量的變化表明，分離細顆粒產(chǎn)品，可優(yōu)化破碎環(huán)境，增加輸入能量，提高顆粒破碎速率。

中速磨煤機待磨物料中的細顆粒主要是煤粉分離器的返料，即循環(huán)負荷，通過提高分離器分離效率，可減少返回重復研磨的物料質(zhì)量。但分離器返料的灰分較原煤高20個百分點，已解離礦物的密度高于煤炭，其被分級成為合格煤粉的臨界細度要低于低密度燃煤，降低分離粒度會增加分離器返料質(zhì)量。因此，對于循環(huán)負荷的控制不僅需要提高分離器分級效率，同時還要去除已解離礦物，以減少重復研磨。為研究循環(huán)負荷控制對顆粒破碎速率和能耗的影響，本研究還進行了多組粗細顆粒質(zhì)量比不同、細粒級灰分和硫分也不同的混合破碎試驗，以實現(xiàn)對循環(huán)負荷控制的節(jié)能效益的評估。

4 循環(huán)負荷控制的節(jié)能效應

為確保粗顆粒與煤粉混合后粗顆粒破碎產(chǎn)品粒度分析的準確性，試驗采用了單次處理量相對較高的自制輥磨機。煤粉中0.5～0.2 、0.2～0.09、<0.09 mm粒級物料質(zhì)量分數(shù)分別為20%、50%、30%，三種煤粉灰分分別為30%、45%、60%，硫分分別為1%、5.23%、9.09%。三種煤粉與5.6～4 mm粒級原煤混合比例分別為6∶1、8∶1、11∶1，單次破碎物料質(zhì)量為120 g，混合物破碎時間分別選取20、30、40、60、90、120 s。在分析混合破碎中粗顆粒所消耗能量及其破碎產(chǎn)物粒度組成時，忽略粗顆粒對煤粉破碎的影響，直接將煤粉單獨破碎相同時間的能量消耗和粒度分布從混合破碎中剔除，以間接獲得粗顆粒破碎能耗及產(chǎn)品粒度組成[19]。

在試驗過程中，磨盤上的物料始終以細顆粒為主，粗顆粒碎裂后對料層粒度組成的影響較小。而在模擬循環(huán)物料控制的節(jié)能效應中，磨輥加載力、旋轉(zhuǎn)半徑及磨輥個數(shù)均為定值，輸入能量主要受摩擦系數(shù)影響。在磨盤物料粒度組成相似的前提下，各試驗物料與磨盤及磨輥間的摩擦系數(shù)相差較少，輸入能量亦表現(xiàn)出相似的規(guī)律。但循環(huán)負荷控制會引起破碎能量效率變化(即單位破碎能量相同時，煤粉細度t10的差異)。煤粉細度t10同單位破碎能量關系如圖3所示。對比分析表明：當單位破碎能量為1 kWh/t時，細粗顆粒質(zhì)量比為6∶1和8∶1時的煤粉細度t10分別較質(zhì)量比為11∶1時高15個百分點和30個百分點。粗顆粒質(zhì)量含量較低時，較多的細顆粒使床層變軟，緩沖作用明顯；在床層受擠壓作用而產(chǎn)生體積收縮時，作用在粗顆粒上的破碎能量逐漸被細顆粒分散，從而導致其能量效率較低，并最終表現(xiàn)為粗顆粒具有較高的抵抗破碎的能力以及較低的t10值。

圖3 煤粉細度t10和單位破碎能量間的關系

煤粉細度t10所對應的特征粒度(0.47 mm)相對較粗，而燃煤電廠合格煤粉細度的評價通常選取0.09 mm。因此，進一步討論了<0.09 mm粒級煤粉產(chǎn)率同單位破碎能量的關系，也得到了與圖3所示相同的結論，限于篇幅此處不再贅述。雖然循環(huán)負荷控制的模擬研究與工業(yè)型中速磨煤機內(nèi)顆粒粉碎不同，但從定性分析的角度仍可說明循環(huán)物料的控制具有良好的節(jié)能效果。

5 制粉系統(tǒng)降耗對策

5.1 提高分離效率

6個采樣工況中分離器的實際分離效率曲線如圖4所示。分離效率曲線均呈扭曲的反“S”形，分離效率先隨粒度的減小而增大，至某一極大值后逐漸減小，呈現(xiàn)明顯的“魚鉤效應”。6個工況中粒度>70 μm 物料的分離效率非常接近，而粒度<70 μm 物料的分離效率顯著不同，并且隨著粒度降低，分離效率的差距增大。因此，風速和液壓加載力對分離效率產(chǎn)生很大影響，對細粒級影響尤為顯著。

在工況2、3、4、6中，當風量從5.23×104m3/h降低到4.46×104m3/h時，分離效率變化不大。但當風量降低到3.67×104m3/h時，細粒級分離效率明顯降低。為了保證顆粒在分離器內(nèi)的分離效果，必需提供足夠大的離心力，才可使不同粒度的顆粒有效分離。

圖4 分離器實際分離效率曲線

盡管磨輥液壓加載力不能直接影響分離器的分離效率，但工況4中<55 μm各粒度分離效率明顯比工況5高。在較大的液壓加載力作用下，煤炭會生成更細的物料，分離器入料也變細，返料減少。在新添加入料后，磨盤上物料的粒度組成變粗，加之返料對分離器入料生成速率的延緩作用，最終導致工況4分離器入料速率低、分離效率高。液壓加載力通過影響分離器的入料速率，間接對分離器分離效率產(chǎn)生影響[10]。

5.2 改變流場形態(tài)

圖5為靜態(tài)分離器的擋板角度由15°改變至65°時的磨機內(nèi)部壓降分布云圖，結果顯示壓降在軸向上總體呈現(xiàn)先減小后增大的分布趨勢。在磨機磨輥附近，壓降在同一水平面變化劇烈，呈現(xiàn)不均勻分布的狀態(tài)；隨著垂直高度的增加，壓降分布的均勻性得到改善。對比圖5(a)和圖5(b)，在磨機內(nèi)部不同平面上，壓降均隨擋板角度的增加而增大。風阻的增加直接導致磨機一次風機能耗增大，且隨著擋板角度增大，出口物料變粗，返料增加，循環(huán)負荷增大，進一步導致磨機能耗的升高。磨機內(nèi)部結構復雜，導致壓降不均勻分布，致使流場紊亂，容易形成大尺度漩渦，裹挾“跟隨性好”的細粒級煤粉停留在磨機內(nèi)部，增加顆粒運動方向的不確定性，使能量效率降低。

圖5 ZGM16型磨機壓降分布云圖Fig.5 Pressure drop distribution in the ZGM16 vertical spindle mill

5.3 減少循環(huán)負荷

煤炭經(jīng)中速磨煤機研磨-分級后，以合格煤粉的形式進入燃煤鍋爐燃燒，僅有約0.004%的高密度高硬煤粒以石子煤的形式排出。在中速磨煤機近似“單進單出”的工藝體系中，煤中伴生礦物解離后仍停留在磨機內(nèi)部，不僅難以分離成為合格煤粉，返回磨盤后還會減緩入料煤炭的破碎速率。石子煤質(zhì)量流量過小，因而可攜帶外排的高密度礦物質(zhì)有限。根據(jù)煤粉顆粒在磨機內(nèi)的運動特點，通過改進磨機局部結構促進高密度物料成為石子煤外排，是降低煤粉分離器和研磨構件壓力，減少循環(huán)負荷的一種有效手段。

煤粉在甩離磨盤后，由一次熱風攜帶依次進入錐形體和煤粉分離器分級，其中煤粉分離器的粗顆粒產(chǎn)品返回磨盤，成為石子煤的可能性不大。一次熱風是由設置在磨盤下側(cè)的噴嘴環(huán)噴出，在磨輥與筒體間的空隙區(qū)域?qū)⒚悍蹘е铃F形體。一次熱風除了負責輸送煤粉外，還需為煤粉分離器顆粒分離提供離心力，因此風速處于相對較高的狀態(tài)，煤粉中的高密度礦物質(zhì)難以落到研磨環(huán)下方的傳動盤被收集為石子煤。為此，可通過改變噴嘴環(huán)出口風速、氣流流態(tài)或噴射角度，強化一次熱風對煤粉的“初篩”作用，使部分高密度礦物質(zhì)落入傳動盤成為石子煤。高密度礦物質(zhì)分級成為合格煤粉的臨界細度要低于低密度煤粉，高密度礦物去除后可改善進入分離器的煤粉性質(zhì)，緩解分級壓力，因此適當?shù)靥岣叻旨壛６?，可以減少符合合格煤粉細度卻被返回重磨的循環(huán)負荷質(zhì)量。

6 結論

研究以工業(yè)MPS型中速磨煤機開孔采樣試驗為基礎，結合一系列相關試驗模擬研究，揭示了磨機內(nèi)待磨物料性質(zhì)及其對粗顆粒破碎行為和能耗的影響，提出了循環(huán)負荷控制方法，并進行了模擬試驗驗證。得出的主要結論如下：

(1)中速磨煤機待磨物料中分離器返料(即循環(huán)負荷)占比近90%；受重復研磨中已解離礦物的密度較高及分離器分級效率制約，循環(huán)負荷的灰分比原煤高20個百分點。

(2)粗細顆粒的混合破碎試驗研究表明：加入到粗顆粒床層中的細煤粉占據(jù)粗顆粒與研磨介質(zhì)以及粗顆粒之間的空隙，降低了料層與研磨介質(zhì)接觸面的粗糙度，導致床層摩擦系數(shù)減小，引起輸入能量降低，粗顆粒破碎速率減緩以及<0.074 mm煤粉生成量減少。

(3)基于細顆粒對破碎過程的影響，提出可通過提高分離器分級效率和去除循環(huán)負荷中礦物質(zhì)的方法來降低待磨物料中循環(huán)負荷的占比及其灰分。驗證試驗顯示：循環(huán)負荷與灰分的降低增加了粗顆粒的單位破碎能量，并增加了煤粉細度和破碎能量效率。

(4)結合工業(yè)采樣和數(shù)值模擬，提出了實現(xiàn)燃煤電廠節(jié)能降耗的對策：通過綜合調(diào)節(jié)風速和液壓加載力，提高分離器分級效率，減少細顆粒返回再磨，降低循環(huán)負荷；保證磨機內(nèi)流場的均勻性，減少旋渦產(chǎn)生；改變噴嘴環(huán)出口風速、氣流流態(tài)或噴射角度，增加石子煤排放量，降低煤粉中高密度礦物含量，減少循環(huán)負荷。

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