球磨機失效鋼球動態(tài)剔除技術的應用

李建民，潘新龍

（1.中國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）

球磨機失效鋼球動態(tài)剔除技術的應用

李建民1，潘新龍2

（1.中國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）

以中國石油大慶石化公司熱電廠＃1鍋爐的球磨機為例，采用失效鋼球自動剔除技術對DTM350／600球磨機進行優(yōu)化控制，在球磨機出口端安裝自動剔除裝置，在線清理球磨機的失效鋼球及雜物，克服了傳統(tǒng)篩選方法的缺點，同時降低了球磨機能耗，提高了球磨機的出力，延長了球磨機構件的使用壽命，避免了鍋爐結渣，在達到建設目標的同時保證了整個生產過程的安全和穩(wěn)定。

球磨機；失效鋼球；自動剔除；篩選；鋼球配比

0 引言

鋼球球磨機是制粉系統(tǒng)中的關鍵設備，自身體積和質量較大，是發(fā)電廠的耗電大戶。球磨機利用旋轉滾筒帶動筒內的研磨體運動，對原煤進行撞擊、擠壓和研磨，破碎煤塊，最終研磨成煤粉，在制粉系統(tǒng)中應用非常廣泛。標準鋼球直徑為30～60mm，球磨機運行一段時間后，筒體內鋼球由于磨損而逐漸變小，當鋼球直徑小于25mm后，鋼球對煤顆粒的撞擊作用基本消失，不僅失去磨煤作用，而且增加電耗。

目前恢復球磨機功能的傳統(tǒng)方法是停磨后進行人工清理，費時費力，約每年1次。由于清理鋼球前、后球磨機出力相差較大，如果廢球未能及時處理，隨著廢球量的增加，球磨機的出力逐漸減小，造成球磨機在絕大部分工作周期中都不在最佳工況下運行，導致電耗增高，直接影響企業(yè)的經濟效益。

本文以中國大慶石化公司熱電廠（以下簡稱大慶石化熱電廠）＃1鍋爐為例，采用失效鋼球自動剔除技術對每臺鍋爐球磨機的失效鋼球進行自動剔除。自動剔除技術能夠在線剔除球磨機內失效鋼球。球磨機運行2500～3000 h后，篩選稱量鋼球一次，將不合格的鋼球、金屬廢物、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強度，而且降低了球磨機能耗和鋼球損耗，提高了球磨機運行效率，提高了制粉系統(tǒng)出力，具有顯著的經濟效益和社會效益。

1 傳統(tǒng)球磨機磨煤過程

1.1 磨煤過程分析

球磨機研磨體（鋼球）的體積根據入磨原料的粒徑大小而定，大鋼球沖擊動能大，主要對大塊原料起破碎作用；小鋼球沖擊能量小，但小鋼球能補充大鋼球之間的空隙，對小原料顆粒進行擠壓和研磨，對粉料的細度控制至關重要。為使球磨機高效、經濟運行，球磨機內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。

當球磨機運行一段時間后，鋼球由于磨損而逐漸變小，對原料的撞擊作用也逐漸減小。當鋼球小到一定程度后，研磨的作用變得很小，成為球磨機內的有害負載，增加球磨機能耗，降低球磨機的效率。球磨機內大鋼球量由于磨損而逐漸變小，鋼球大小配比偏離最佳級配，研磨效率大幅降低，直接影響后續(xù)產能。因此，為提高球磨機的制粉效率，使球磨機高效、穩(wěn)定工作，球磨機內研磨體（鋼球）的動態(tài)優(yōu)化控制至關重要。

1.2 傳統(tǒng)的鋼球篩選方法

目前，國內粉磨行業(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球磨機并打開人孔門和入料斗，操作人員進入球磨機內，將所有鋼球清理出來，放到固定場地后，再由有經驗的人員對鋼球進行分類，將直徑小于25mm的失效鋼球及煤矸石等雜物逐個清理，然后將合格的鋼球重新裝填至球磨機內，繼續(xù)發(fā)揮研磨作用。

1.2.2 半自動篩選方法

半自動篩選方法也是在檢修期間將人工清理出來的所有鋼球輸送到相應的篩選設備中，通過篩選設備將失效鋼球篩出，即可達到對失效鋼球剔除的目的。

這2種方法都存在勞動強度大、危險性高、時效性差、易造成環(huán)境污染等缺陷。由于每臺球磨機內裝入的鋼球重達幾十噸，導致人工清理工作量大、勞動強度大、耗時長、經濟性差。因此，實際生產中不可能頻繁地靠停機檢修來剔除廢鋼球，球磨機內失效鋼球不能及時剔除，總有一定量的廢鋼球在球磨機內存在，占據球磨機有效容積，增加球磨機無功能耗，使球磨機不能在最優(yōu)狀態(tài)工作，球磨機效率降低，能耗增大，經濟效益很差。

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入口加入，隨著球磨機的運行，鋼球逐漸被磨損，新球的加入與原煤的進入推動球磨機筒體內鋼球向出口運動；另外，球磨機旋轉時拋起的鋼球在空中受到流動風力負壓的作用，產生指向出口的流動泳力，使鋼球向出口運動。小鋼球質量小，比大鋼球更容易被風力推動；另一方面，球磨機入口平均進煤粒徑約為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出口處，所以應對球磨機出料端進行改造。

利用失效鋼球趨向球磨機出口端的特點，在球磨機出口端襯板上開出適當尺寸的孔徑，使失效鋼球在球磨機旋轉過程中自動從筒體內流出，并沿設計好的流道從球磨機出口筒內適當位置拋出，在通過計算并設計安裝的接球裝置將其接住并輸送出球磨機，最終進入廢球的儲箱。

失效鋼球尺寸定為25mm，其設計依據為根據研磨理論，可計算出球磨機有效鋼球的最小直徑dmin，其計算公式為

式中：dmax為磨制煤塊的最大粒徑；d為球磨機滾筒直徑；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為鋼球實際密度。

根據計算可得出球磨機有效鋼球的最小直徑為25mm。

2.2 自動剔除技術與傳統(tǒng)方法的對比

對于人工篩選和半自動篩選方法，篩選鋼球只能通過人工操作將所有鋼球向外清理，而清理出來的鋼球再經過人工或借助篩選設備將失效鋼球及雜物逐個清除，最終完成合格鋼球的裝填工作。鋼球裝載量一般根據經驗及球磨機規(guī)程中的額定裝載量來設定，并非球磨機的最佳鋼球裝載量，裝填量過多或過少，運行均不經濟。平時的鋼球添加也是依靠操作人員的經驗，無法保證加入鋼球量的準確性，添加時間也不夠及時、準確。

鋼球自動剔除系統(tǒng)是目前剔除失效鋼球最為先進和專業(yè)的方法，其在克服了人工篩選方法和半自動篩選方法缺點的同時又降低了成本，能夠優(yōu)質、高效地實現(xiàn)對失效鋼球、煤矸石等雜物的在線清理，并且保證了整個生產過程的安全和穩(wěn)定。

2.3 鋼球篩選方案實施

大慶石化熱電廠＃1鍋爐容量410 t／h，配備2套中間儲倉式鋼球磨煤機制粉系統(tǒng)，鍋爐采用熱風送粉，磨煤機型號為DTM-350／600，設計轉速為17.69 r／min，最大裝球量為64 t，傳動比為6.74，筒體直徑為3500mm，有效容積為57.73m3，機器總質量為137.9 t；配用電動機型號為JSQ15B-6，額定功率為2×550 kW，采用7075-B650型號皮帶給煤機。2.3.1 技術方案

球磨機失效研磨體自動剔除裝置包括帶篩孔的端襯板、內螺旋管、外螺旋管、收球斗、導球管、收球箱、檢查門、輔助導球管等，結構如圖1所示。

圖1 球磨機失效研磨體自動剔除裝置

球磨機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，外螺旋管內安裝有內螺旋管，內螺旋管的出口端連接收球斗，收球斗與導球管一端連接，導球管的另一端與收球箱連接，導球管上設有檢查門。輔助導球管連接于出料斗轉角處。帶篩孔的襯板上設有多個梯形條形孔，襯板后部設有通道。內螺旋管與外螺旋管之間設有螺旋通道，螺旋通道的出口為封閉端，在內螺旋管的出口端圓周上設有多個出口。收球斗設計為33°～38°漏斗形狀，在球磨機出口端旋轉方向上與球磨機水平中心成55°～80°夾角。導球管與球磨機出口端彎頭焊接連接。輔助導球管上安裝閘板閥。

2.3.2 關鍵技術

（1）端襯板。新設計的端襯板替換原球磨機端襯板，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，可以承受磨煤機內鋼球與端襯板碰撞、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，可將磨煤機內小于25mm的失效鋼球篩出；篩孔形狀為內小外大，呈漏斗狀，可保證篩出的鋼球不會再次進入磨煤機。

（2）內螺旋錐管。新設計的雙螺旋錐管替換原球磨機螺旋管，采用16Mn材料，此材料屬于低合金高強度結構鋼，化學成分及機械性能符合GB／T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》的要求。雙螺旋錐管內、外設計為螺旋葉，螺旋葉與錐管軸向成45°夾角，內螺旋葉與外螺旋葉方向相反，內螺旋葉可將進入雙螺旋錐管的有效鋼球通過磨煤機旋轉重新推入磨煤機筒體內；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。

（3）收球斗。收球斗采用16Mn材料，化學成分及機械性能符合GB／T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》的要求。收球斗設計成圓弧形，外輪廓尺寸與內螺旋錐管直徑尺寸相配合，截面為梯形，可接住從內螺旋錐管處甩出的失效鋼球，并通過導球管排出磨煤機，并能有效擋住煤粉。

（4）導球管與輔助導球管。使用材料為Q235-A，外壁使用D256耐磨焊條堆焊，化學成分及機械性能符合GB／T 8163—2008《無縫鋼管》的要求。導球管上設計有檢查門，可檢查磨煤機出球情況，在堵塞時，可在檢查門處疏通。輔助導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。閘板閥平時處于關閉狀態(tài)，定時開啟排出雜物。

（5）接球箱與接球小車。采用材料為Q235-A，化學成分及機械性能符合GB／T 700—2006《碳素結構鋼》的要求。接球箱頂端連接導球管與輔助導球管，內部放置接球小車，失效鋼球通過導球管與輔助導球管排入小車內。接球小車設計人性化，方便清理。

3 項目效果分析

大慶石化熱電廠使用球磨機型號為DTM350／700，每臺球磨機制粉出力41 t／h，球磨機單耗22（kW·h）／t，電價為0.52元／（kW·h），2臺球磨機年運行8000 h。

2013年11月28日至12月10日，按照驗收標準對＃1鍋爐2臺磨煤機鋼球自動篩選裝置進行了考核標定，標定結果見表1。

從表1可以看出：＃1磨煤機累計運行117.0 h，累計篩選出廢舊鋼球、煤矸石61.8 kg，平均每小時篩出廢舊鋼球、煤矸石0.53 kg；＃2磨煤機累計運行79.6 h，累計篩選出廢舊鋼球、煤矸石102.0 kg，平均每小時篩出廢舊鋼球、煤矸石1.28 kg。按照每天累計工作22h計算，＃1鍋爐2臺磨煤機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，達到了項目的預期指標。

表1＃1鍋爐自動篩球裝置標定統(tǒng)計結果

3.1 經濟效益分析

經測算，年末鋼球因磨損平均球徑降低到初裝球徑的81%，出力為初始球磨機出力的89%。

3.1.1 球磨機節(jié)電效益

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

年耗煤150萬t，按照4.5臺鍋爐運行計算，平均每臺鍋爐年耗煤33萬t。

＃1鍋爐2臺球磨機年累計節(jié)約電耗＝年制粉量×（穩(wěn)定后球磨機單耗-初始球磨機單耗）＝330000×（24.42-22）＝798600（kW·h）。

＃1鍋爐2臺球磨機平均每年節(jié)電費用798600× 0.52×10-4＝41.53（萬元）。

3.1.2 廢料收集效益

去掉篩出廢鋼球中的煤矸石，改造后每天每臺鍋爐可收集廢鋼5 kg，按每3元／kg計算，年產生效益＝每天廢鋼收集量×廢鋼價格×年收集天數(shù)＝5×3×300×10-4＝0.45（萬元）。

年度總經濟效益＝球磨機節(jié)電效益+廢料收集效益＝41.53+0.45＝41.98（萬元）。

綜合上述分析，僅考慮節(jié)電和廢料收集兩項，項目每年即可產生經濟效益約42萬元，同時，球磨機失效鋼球動態(tài)剔除系統(tǒng)的使用能夠提高球磨機運行的自動化程度，降低員工的勞動強度，節(jié)省人工成本，減輕工人勞動強度，也能夠使球磨機不再停機剔除失效研磨體，降低煤粉含鋼量，有效緩解鍋爐結焦、結渣，減少停機損失，延長了設備大修周期?？紤]到項目實施后使整個制粉系統(tǒng)設備壽命提高，制粉系統(tǒng)運行更加協(xié)調、高效等因素，項目經濟效益更加可觀。

3.2 環(huán)境效益

項目環(huán)境效益主要體現(xiàn)在節(jié)電減排方面，根據節(jié)能評價規(guī)范，每節(jié)約1 kW·h電，就相應節(jié)約了0.4 kg標準煤，同時少排放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 社會效益

項目的社會效益在于提高球磨機自動化水平。在線剔除失效鋼球，簡化了操作，減輕了操作人員的勞動強度，節(jié)省了工人成本；實現(xiàn)了鋼球的動態(tài)管理，減少了鋼球使用量；降低了球磨機噪聲，改善了工作環(huán)境，提高了管理水平；使煤粉細度均勻、穩(wěn)定。

4 結束語

本文將失效鋼球自動剔除技術應用于DTM350／600球磨機并進行優(yōu)化控制，在經過一段時間的運行后，自動剔除系統(tǒng)優(yōu)質、高效地實現(xiàn)了對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篩選方法的缺點，同時降低了能耗，減輕了工人勞動輕度，延長了設備大修周期。僅節(jié)電與廢料回收年經濟效益可達42萬元，年減少CO2排放量1172.34 t，具有顯著的經濟效益和良好的社會效益。

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（本文責編：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，從事鍋爐轉動設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）。