周念鑫 駱振福 何亞群 謝衛(wèi)寧 王 帥

(中國礦業(yè)大學化工學院，江蘇省徐州市，221116)

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中速磨煤機內原煤研磨過程的試驗研究

周念鑫 駱振福 何亞群 謝衛(wèi)寧 王 帥

(中國礦業(yè)大學化工學院，江蘇省徐州市，221116)

基于MPS型中速磨煤機的結構特點和研磨機理，設計制造了實驗室輥磨試驗系統，用于模擬、研究封閉磨煤機內物料的粒度減小與能量消耗問題，分別利用3組窄粒級煤樣對加載力、磨盤轉速及填充率對顆粒破碎行為的影響進行考察，同時利用功率測量儀監(jiān)測磨煤機的研磨能耗。研究揭示了不同試驗條件下研磨能耗隨時間的變化規(guī)律；經典的煤粉細度-能耗數學模型能夠很好的描述僅加載力或填充率變化的試驗過程，擬合精度R2大于0.96；不同磨盤轉速條件下煤粉細度-能耗曲線出現波動，導致模型不能使用?；陬w粒破碎能量效率隨著粒度的變化呈正相關變化，將粒度嵌入經典破碎模型中，實現在相同磨盤轉速條件下，針對不同粒度、加載力和填充率時能量-粒度減小過程的表征。

中速磨煤機 模擬研究 研磨過程 破碎能量

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

中速磨煤機根據磨輥和磨盤結構的差異可分為中速球式(E型)磨煤機、中速輥環(huán)式(MPS型)磨煤機和中速輥碗式(RP型)磨煤機，各類磨煤機均具有相同的研磨機理，其中我國燃煤電廠廣泛使用的是MPS型中速磨煤機，其運行原理圖如圖1所示。

由圖1可以看出，燃煤經落煤管進入磨盤中部的錐形體后均勻進入旋轉的研磨環(huán)，相對運動的磨輥和研磨環(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入風環(huán)室，流經風環(huán)室的熱空氣將煤粉帶到磨煤機上部的煤粉分離器，過粗的煤粉則經由分離器底部的出口落入磨盤再磨。

由于中速磨煤機始終在高溫高壓的封閉環(huán)境內運行，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運行機理的基礎上，利用改進型哈氏可磨儀模擬研究E型中速磨煤機的研磨過程；美國賓夕法尼亞大學的L.G.Austin、日本學者K.Sato以及澳大利亞昆士蘭大學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裝置開展窄粒級原煤破碎試驗，研究顆粒破碎行為及能耗特性。但哈氏可磨儀與MPS型中速磨煤機在介質角度和磨盤運動狀態(tài)上存在差異，且目前針對在國內燃煤電廠廣泛使用的MPS型磨煤機的研究相對較少。

本文模擬研究了中速磨煤機內燃煤粒度減小與能量消耗關系，規(guī)避封閉磨煤機內高溫高壓的復雜環(huán)境，基于MPS型中速磨煤機的結構特點和研磨機理，設計制造了一套實驗室輥磨試驗系統。通過對窄粒級燃煤進行破碎試驗并監(jiān)測能耗，探討出了顆粒破碎過程中的能量消耗規(guī)律，為進一步研究燃煤電廠工業(yè)中速磨煤機提供參考。

1 試驗

1.1 試驗樣品

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

1.2 試驗系統

實驗室輥磨系統結構圖如圖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速可分別通過彈簧秤和變頻器調節(jié)，磨輥可根據研磨環(huán)床層厚度差異在豎直方向上自由移動；磨盤外側為煤粉收集槽，用于收集試驗中被甩離的煤粉；功率測量儀在線監(jiān)測試驗中的能量消耗，并通過電腦終端記錄能耗數據。為了確保能耗數據的精確，研磨試驗前率先空載運行5 min，待功率測量儀監(jiān)測運行穩(wěn)定后再進行窄粒級物料破碎試驗。

1.3 試驗步驟

為了研究中速磨煤機不同參數對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進行不同磨輥加載力、磨盤轉速和填充率的研磨試驗。試驗時間分別為0.5 min、1 min、1.5 min、2 min和3 min，詳細試驗安排如表1所示。試驗結束后采用振篩機和套篩對物料進行篩分試驗，記錄功率數據與時間積分可得能耗數據，裝載煤樣后的磨煤機總能耗減去磨煤機空載能耗即可得到煤樣的破碎能耗。

表1 試驗安排表

1.4 煤粉細度評價指標

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

2 試驗結果與分析

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內的累積破碎能耗隨時間的變化關系如圖3所示。

圖3 不同加載力條件下每30 s內的累積破碎能耗隨時間的變化關系

由圖3可知，隨著研磨時間的增加，破碎能量呈現先減小后增加的趨勢，在相同的研磨時間前提下，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；

r——磨盤半徑，mm。

由式(1)可以看出，在煤樣A的破碎試驗中隨著加載力的逐漸增加，破碎能量也將逐漸變大，與試驗結論相符；燃煤顆粒的摩擦系數隨粒度的增加而增加，因此顆粒粒度隨著研磨時間的延長而逐漸減小的同時，摩擦系數也逐漸降低，輸入破碎能量也將呈下降趨勢，但當研磨時間超過2 min時，每30 s內累積的破碎能量又在逐漸增加，分析認為床層顆粒粒度隨研磨時間的增加而變細，顆粒逐漸向研磨環(huán)徑向分布致使床層變??；同時可自由移動磨輥隨床層變薄而向下移動，磨輥與磨盤接觸的研磨面被細顆粒煤粉包裹；受細顆粒床層緩沖作用的影響，研磨能量的作用效率降低；此外細顆粒的抗壓強度較粗顆粒大，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在不同磨盤轉速條件下每30 s內破碎能耗隨時間的變化關系如圖4所示。

圖4 不同磨盤轉速條件下每30 s內破碎能耗隨時間的變化關系

由圖4可以看出，與煤樣A的變化規(guī)律類似，當磨盤轉速低于41.6 rpm時，每30 s內的累積破碎能量隨時間變化呈現先減小后增加的趨勢。磨盤轉速越高，顆粒經歷的破碎事件越多，磨后煤粉細度相應越大，所以在研磨時間相同時，高轉速條件下得到較多細顆粒煤粉，磨輥與煤樣間的摩擦系數降低致使破碎能量降低。然而在磨盤轉速為50 rpm時，隨時間延長破碎能量一直呈上升趨勢，且較相同時間下低轉速時的破碎能量高。粒度分析表明：當磨盤轉速為50 rpm時，煤粉細度參數t10較其他條件高出5%～20%，而-90 mm累積產率也較之高出了3%～10%，細粒物料較高的抗壓強度及床層的緩沖作用綜合導致了在50 rpm轉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內累積破碎能耗隨時間的變化關系如圖5所示。

圖5 不同填充率條件下每30 s內累積破碎能耗隨時間的變化關系

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

2.2 不同條件下的煤粉細度與研磨能耗關系

為了表征破碎能量和產品細度間的關系，澳大利亞昆士蘭大學JK礦物研究中心在礦物落錘試驗的基礎上，建立了用于表征自磨機/半自磨機破碎過程的數學模型見式(2)：

(3)

式中：t10——煤粉細度參數，%；

A、b——礦物沖擊破碎參數；

Ecs——物料破碎過程中所消耗的能量，kWh/t。

落錘試驗裝置及自磨機/半自磨機主要依靠沖擊作用實現礦物破碎，而中速磨煤機則依靠擠壓作用，不同設備之間破碎機理的差異將考驗該粒度-能耗模型對中速輥磨機破碎過程的適用性。在分析煤粉細度參數t10和破碎能量關系基礎上，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和擬合曲線如圖6所示。試驗結果表明，在加載力或填充率改變的試驗條件下，該數學模型能夠很好的描述煤粉細度t10和破碎能量的關系，且R2大于0.96。

圖6 不同破碎條件下t10與破碎能量的試驗數據與擬合曲線

不同磨盤轉速條件下能量效率隨時間的變化關系如圖7所示。

圖7 不同磨盤轉速條件下能量效率隨時間的變化關系

由圖7可以看出，磨盤轉速不同時，煤粉細度與破碎能量的關系較為離散。在t10均為62%的前提下，33.3 rpm和50 rpm時所需的破碎能量分別為1.41 kWht和0.94 kWht；而當破碎能量均為1.50 kWht時，25 rpm和50 rpm下煤粉細度參數t10分別為36.60%和80.38%。對于立式輥磨機而言，磨盤轉速的差異代表顆粒所經歷破碎事件不同。當破碎時間相同時，顆粒因破碎次數不同導致碎后產品細度差異；而磨盤粒度組成又將影響破碎能量輸入。破碎進程中床層粒度和輸入能量的連鎖變化致使不同磨盤轉速條件下煤粉細度—能耗曲線上下波動，經典的能耗數學模型無法有效的描述該破碎過程。

雖然經典破碎模型已能夠應用于表征窄粒級物料的粉碎過程，其能否描述多組窄粒級物料的能量—粒度減小過程值得討論。昆士蘭大學Frank Shi開展了多組窄粒級物料破碎試驗，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，在煤粉細度相同的前提下，大顆粒所需能量較小顆粒少，即兩者呈負相關關系?；谏鲜龇治?，對原有的經典破碎模型進行優(yōu)化，加入物料粒度參量。改進后的破碎模型見式(3)：

(3)

式中：x——初始粒級的幾何平均粒度，mm。

考慮到不同磨盤轉速下顆粒破碎行為的差異，本次數據處理的對象包含煤樣A、煤樣B以及煤樣C在磨盤轉速為41.4 rpm時的試驗結果。單位輸入能量與顆粒粒度的乘積與煤粉細度t10的關系以及公式(3)對其的擬合結果如圖8所示，改進后的破碎模型的數據擬合相關系數為0.92，表明加入粒度參量的改進破碎模型可說明物料粒度對能量—粒度減小過程的影響。

圖8 改進型破碎模型對自制輥磨裝置試驗數據的擬合結果

3 結論

選取國內燃煤電廠普遍使用的MPS型中速磨煤機為研究對象，采用試驗模擬研究的方法，選取多組窄粒級物料分別進行變參數、多時間批次的破碎試驗，分析顆粒的破碎行為及能耗特性。本文主要研究結論如下：

(1)實驗室輥磨系統的破碎試驗表明，由于細顆粒較高的抵抗破碎能力及細顆粒床層的緩沖效應，破碎能量隨著時間的延長呈先減小后增加的趨勢。

(2)經典的煤粉細度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，但由于不同磨盤轉速條件下煤粉細度和輸入能量關系較為離散，t10和破碎能量曲線波動致使經典破碎模型無法表達該過程。

(3)將顆粒粒度嵌入經典能量—粒度減小模型后，可實現對相同磨盤轉速，不同粒度、磨輥加載力和磨盤填充率條件下的描述，拓展了經典破碎模型在表征輥磨機中顆粒破碎過程的應用。

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(責任編輯 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

國家自然科學基金(51274196，51404267)

周念鑫，駱振福，何亞群等. 中速磨煤機內原煤研磨過程的試驗研究[J].中國煤炭，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，湖南長沙人，博士研究生，主要從事中速磨煤機內顆粒破碎及分級機理方面的研究。