基于物料粉碎理論對磨煤機(jī)高效新型碾磨研究

朱新平，壽奎原，張治鋒，王 皓，聶縣會，黃金龍

（1.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江金華 321100，2.北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京 102401）

0 引言

制粉系統(tǒng)是電廠重要的組成部分，也是電廠能源消耗占比較高的系統(tǒng)之一，對制粉系統(tǒng)的優(yōu)化升級對于電廠而言意義重大。磨煤機(jī)主要設(shè)備在長期的實(shí)踐過程中自我優(yōu)化，提效升級技術(shù)也在不斷的探索中。

磨煤機(jī)碾磨效率主要由碾磨件決定，國內(nèi)關(guān)于提升碾磨效率的研究主要在集中在磨盤轉(zhuǎn)速和碾磨型線兩方面，通過改變碾磨件型線的方式達(dá)到增加碾磨效率的目的，是提升碾磨效率的重要手段之一。本文對磨煤機(jī)碾磨機(jī)理及核心零部件進(jìn)行深入研究，找到磨煤機(jī)提升出力、降低單耗，提高磨盤中部區(qū)域攜粉能力，降低磨煤機(jī)壓差，降低磨煤機(jī)殼體磨損的方法，開發(fā)磨煤機(jī)碾磨耦合裝置，對磨煤機(jī)碾磨裝置及旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)部分進(jìn)行耦合設(shè)計，并在現(xiàn)有磨煤機(jī)上應(yīng)用，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論并修正研究參數(shù)，此技術(shù)可在同類型設(shè)備上推廣應(yīng)用。

1 概述

某公司4×660 MW 超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐為B&WB-1903/25.4-M 型超臨界參數(shù)SWUP 鍋爐，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架全懸吊結(jié)構(gòu)Π 型鍋爐，制粉系統(tǒng)采用中速輥式磨煤機(jī)配冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式系統(tǒng)，每臺鍋爐配6 臺磨煤機(jī)，5 運(yùn)1 備。

磨煤機(jī)采用北京電力設(shè)備總廠有限公司生產(chǎn)的ZGM113G型中速輥式磨煤機(jī)，液壓變加載方式，擋板式靜態(tài)分離器，磨盤額定轉(zhuǎn)速24.2 r/min，設(shè)計煤質(zhì)下磨煤機(jī)最大出力57.67 t/h。

1.1 磨煤機(jī)運(yùn)行原理

原煤通過磨煤機(jī)的落煤管落到磨盤上，磨盤轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力使煤均勻地進(jìn)入碾磨區(qū)域，通過碾磨裝置（磨輥和磨盤）的相互作用，對原煤進(jìn)行碾磨。一次熱風(fēng)經(jīng)旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)后攜帶著煤粉由下往上螺旋運(yùn)動，在分離器部分進(jìn)行煤粉的分離，合格的煤粉吹入鍋爐燃燒，不合格的煤粉重新進(jìn)入磨盤重新碾磨[1]。以上過程會因磨煤機(jī)分離器、碾磨裝置和旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生不同的結(jié)果，如分離效率低，合格煤粉循環(huán)往復(fù)碾磨，碾磨裝置的碾磨面積和型線直接影響磨煤機(jī)的制粉出力，碾磨效率低，磨煤機(jī)制粉電耗增加。旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的結(jié)構(gòu)的差異同樣影響著磨煤機(jī)的中部流場分布，一次風(fēng)粉混合物如不能很好的攜帶煤粉進(jìn)行分離，磨煤機(jī)整體阻力變大，出力同樣降低。磨煤機(jī)如圖1 所示。

圖1 磨煤機(jī)

1.2 磨煤機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀及研究內(nèi)容

近年由于原煤價格的上漲導(dǎo)致煤質(zhì)變差，雜質(zhì)增加，磨煤機(jī)的實(shí)際出力偏離原設(shè)計出力，燃煤電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行受到燃用煤種與設(shè)計煤種特性吻合度降低、機(jī)組負(fù)荷率降低等不利因素。磨煤機(jī)長期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，極大的影響磨煤機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對現(xiàn)有磨煤機(jī)設(shè)備的研究迫在眉睫。為解決以上系列性問題，提出以下研究內(nèi)容，以獲得提高磨煤機(jī)出力、節(jié)能優(yōu)化、提升磨煤機(jī)煤種適應(yīng)性的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

（1）基于邦德（F.C.Bond）物料粉碎理論對磨煤機(jī)碾磨型線進(jìn)行研究：研究磨煤機(jī)碾磨型線對出力的影響，合理優(yōu)化碾磨型線，提高碾磨效率，增強(qiáng)碾磨適應(yīng)性，提升碾磨出力。磨煤機(jī)的碾磨主要取決于研磨件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計有自己的理論模型，磨輥直徑、寬度、輥套外圓弧半徑及襯板半徑，輥套與襯板的配合直接影響著碾磨的效率理論模型，從而影響磨煤機(jī)的出力。

（2）基于伯努利方程和文丘里原理，研發(fā)更適合碾磨與流通的新型噴嘴環(huán)流道，在提高出力同時，為保證煤粉輸送能力，需要增加一次風(fēng)量和重新設(shè)計噴嘴環(huán)流道。對其進(jìn)行流速及阻力優(yōu)化研究，新設(shè)計預(yù)期可有效降低排渣量，降低磨煤機(jī)的通風(fēng)阻力及單耗。

2 研究理論基礎(chǔ)

2.1 邦德物料粉碎理論

2.1.1 粉碎的含義

固體物料在外力作用下，克服分子間的內(nèi)聚力，使固體物料外觀尺寸由大變小，物料的比表面積由小變大的過程，稱之為粉碎[3]。粉碎過程的實(shí)質(zhì)是克服物料表面質(zhì)點(diǎn)的表面張力和克服物料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)聚力。粉碎的目的在于減小固體物料的尺寸，使之變?yōu)楹细竦姆哿稀?/p>

對于原煤來說主要將其粉碎至細(xì)小的煤粉顆粒，通過選粉機(jī)將不同大小的顆粒進(jìn)行篩選，然后輸送至鍋爐進(jìn)行燃燒，煤粉顆粒尺寸越細(xì)，整個過程消耗的功較大[4]。

2.1.2 粉碎比

為了定量描述固體物料經(jīng)某粉碎機(jī)械粉碎后顆粒尺寸變化的大小，特引入物料粉碎比的概念。如果粉碎前物料的平均直徑為D均粉碎后物料平均直徑為d均，則粉碎比i=D均/d均[5]。粉碎比能夠較好的反映粉碎前后物料的粉碎程度，并能近似地反映出粉碎機(jī)械的作業(yè)情況。粉碎的另一技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是單位電耗（單位質(zhì)量粉碎產(chǎn)品的能耗），用以判斷粉碎機(jī)械的動力消耗是否經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)。

當(dāng)初碎時，破碎后物料的顆粒仍很大，所以質(zhì)點(diǎn)越小表面能越高，就要消耗更多的確能量去克服表面能[6]。另外，在粉磨時由于微粒的運(yùn)動加快，質(zhì)點(diǎn)間的碰撞概率增大，還可能產(chǎn)生聚結(jié)和聚沉現(xiàn)象。因此，必須正確地研究粉碎過程，根據(jù)物料的粗細(xì)程度來衡量用什么結(jié)構(gòu)的碾磨裝置。

2.1.3 粉碎方式

目前采用的粉碎方式以破碎機(jī)和磨碎機(jī)為主，一般由上述兩種或兩種以上的方法聯(lián)合進(jìn)行粉碎[7]，如擠壓和折斷、沖擊和磨碎等。粉碎方法的選擇主在取決于物料的物理機(jī)械性質(zhì)，被破碎物料塊的尺寸和所要求的破碎比。對于硬物料采用擠壓、劈碎和折斷方法破碎較合適；對粘性物料采用擠壓和磨碎的方法；脆性和軟性物料宜采用劈碎和沖擊方法破碎；粉磨時大都是擊碎和磨碎。沖擊破碎法應(yīng)用范圍較廣，可用于破碎和粉磨[8]。

2.1.4 裂紋理論

裂紋理論由邦德于1952 年提出，又稱邦德理論。裂紋理論的內(nèi)容是：粉碎物料所需要的功與物料的直徑或邊長（正方形）D的平方根成反比（直徑D 是假定物料中80%質(zhì)量能通過的篩孔尺寸）[9]。

物料一定要在壓力下產(chǎn)生變形，積累一定能量后產(chǎn)生裂紋，最后才能粉碎，即物料在粉碎前一定要有超過某種程度的變形，且一定要有裂紋。粉碎所需的功和裂紋的長度成正比。裂紋又和粉碎顆粒尺寸的平方根成反比。

針對原煤的物料特性介于硬物料和黏物料之間，在日常生產(chǎn)中主要采用擠壓和磨碎的方式，磨碎設(shè)備為磨煤機(jī)，故針對降低磨煤機(jī)制粉單耗和提高磨煤機(jī)碾磨效率的方式主要集中在原煤受力狀態(tài)之下，以最低時間來提高原煤產(chǎn)生裂紋的速率。

2.2 文丘里效應(yīng)

文丘里效應(yīng)是指在高速流動的流體附近會產(chǎn)生低壓，從而產(chǎn)生吸附作用。在受限流動在通過縮小的過流斷面時流體出現(xiàn)流速或流量增大的現(xiàn)象，其流量與過流斷面成反比。而由伯努力定律知流速的增大伴隨流體壓力的降低，這就是所謂的文丘里現(xiàn)象（圖2）[10]。

圖2 文丘里效應(yīng)

伯努利原理公式為：

式中，p 為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，V 為流體該點(diǎn)的流速，ρ 為流體密度，g 為重力加速度，h 為該點(diǎn)所在高度，C 是一個常量。根據(jù)此理論出現(xiàn)了冷卻塔模型、機(jī)翼模型及噴霧器模型等。

3 磨煤機(jī)碾磨耦合研究

3.1 碾磨裝置的研究

ZGM113G 型磨煤機(jī)中碾磨裝置的型線在同等型號中屬于最大化型線設(shè)計，輥套和襯板作為磨煤機(jī)的重要部件，其型線變化直接影響到磨煤機(jī)的碾磨效率、磨煤機(jī)的電耗、石子煤排放量等參數(shù)。

磨煤機(jī)的碾磨原理是低速轉(zhuǎn)動的磨盤帶動襯板和被動轉(zhuǎn)動的磨輥滾壓物料碾磨成粉，其中碾磨件主要指的是磨輥輥套和襯板，碾磨型線指的是磨輥和襯板組成的碾磨件外形。

磨輥有效碾磨寬度對物料碾磨有直接影響，通過優(yōu)化型線半徑，達(dá)到加大有效碾磨寬度的目的，對應(yīng)更改襯板尺寸，可加大碾磨面積，增加物料經(jīng)過碾磨件的行程和碾磨時間，進(jìn)而達(dá)到增加碾磨效率，提高出力的目的。

與此同時，考慮不同煤種哈式可磨度不同，其易磨程度不同，針對較難磨物料，設(shè)計時適當(dāng)減小包角，減小型線半徑，使型線趨于平緩，從而能夠增加物料與碾磨件接觸面積，改善或提高物料與碾磨件之間的受力情況（圖3、圖4）。

圖3 ZGM 型碾磨型線對比

假設(shè)物料與襯板接觸面為平面，物料為球體狀，由圖4 可知，隨著輥套圓弧外徑R 的增加，輥套圓弧外徑與水平面的夾角α 減小。在原煤落入磨盤碾壓時，其受力F 可分解為沿垂直方向的F1和沿水平方向的F2，當(dāng)α 角度減小時，F(xiàn)1=cosα 增加，F(xiàn)2=sinα 減小。

圖4 物料受力

本次為了保證物料原煤在磨盤之上的碾磨效率增加，更好的形成裂紋，主要降低α 角度，提高物料對硬質(zhì)襯板之間的碾磨接觸，降低物料之間的摩擦和移動，在單位時間內(nèi)形成更多的合格煤粉。

3.2 耦合噴嘴型線研究

為保證磨煤機(jī)的煤粉輸送效率，降低碾磨后煤粉中部流場的惰性區(qū)，降低排渣量和旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)上下噴嘴阻力，對噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)及其通流流道進(jìn)行流場耦合設(shè)計，配合碾磨裝置的研究，提高磨煤機(jī)機(jī)械性能。

旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的作用是加速一次風(fēng)，使其能夠攜帶煤粉經(jīng)分離器分離后進(jìn)入送粉管道。一次風(fēng)攜帶煤粉的能力主要取決于流速，保持合適的風(fēng)煤比，保證煤粉的分離與運(yùn)送，提升出力的同時需要相應(yīng)提高一次風(fēng)量。同時考慮為了降低旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的壓差，研究旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)型線，對其型線進(jìn)行合理的設(shè)計，保證其通過噴嘴環(huán)的流速不增加，但壓差降低。

根據(jù)文丘里效應(yīng)和伯努利方程，在氣流里如果速度小壓強(qiáng)就大，如果速度大壓強(qiáng)就小的原理，優(yōu)化噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)，降低一次風(fēng)經(jīng)過噴嘴環(huán)前后的壓差，設(shè)計更合理的通流面積和流速，減少排渣量和風(fēng)阻[11]。

旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)流道型線主要考慮流線型，采用下部以漸縮口弧線，上部以左側(cè)直線，右側(cè)弧線的結(jié)構(gòu)型式（圖5、圖6）。此種結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)在于：

圖5 噴嘴通流型線

圖6 噴嘴組裝

（1）下部流線漸縮口促使一次風(fēng)通過縮口的流速增加，從而產(chǎn)生一定的壓力差，中部壓力較下部壓力小，促進(jìn)一次風(fēng)更好的向噴嘴中部吸附。

（2）上部以左側(cè)直線右側(cè)弧線的結(jié)構(gòu)，在直線一側(cè)一次風(fēng)流速低，壓力大，弧線一側(cè)一次風(fēng)流速高，壓力小的特點(diǎn)，能夠促進(jìn)一次風(fēng)更好的向磨煤機(jī)磨盤中部吹掃，從而在一定程度上降低一次風(fēng)吹掃機(jī)殼的橫向速度，提高一次風(fēng)攜帶中部合格煤粉的能力。

4 結(jié)論

高效新型碾磨研究項目將新型碾磨裝置和新型旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)在ZGM113G 型磨煤機(jī)上安裝并應(yīng)用，目前運(yùn)行效果良好，達(dá)到了研究的所有設(shè)計值。以研究項目實(shí)施前的摸底試驗(yàn)煤質(zhì)為基準(zhǔn)，碾磨元件優(yōu)化研究項目實(shí)施后，按照DL/T 5145—2012《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》的計算方法，磨煤機(jī)最大出力增加至60.82 t/h，提高近10%的出力幅度。碾磨元件優(yōu)化研發(fā)項目應(yīng)用前后，磨煤機(jī)電耗分別為7.90 kW·h/t 和7.77 kW·h/t，將磨煤機(jī)出力折算至研究項目實(shí)施前摸底試驗(yàn)煤質(zhì)，則折算磨煤機(jī)電耗為6.81 kW·h/t；磨煤機(jī)通風(fēng)阻力降低，石子煤量排量約1 kg/h，遠(yuǎn)小于磨煤機(jī)出力的0.05%。

通過對ZGM113G 型磨煤機(jī)碾磨裝置的研究，對磨煤機(jī)內(nèi)部碾磨裝置和旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)進(jìn)行型線優(yōu)化設(shè)計，提高磨煤機(jī)碾磨效率，降低電耗，對后期實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。