磨煤機煤漿產品溫度試驗及預測研究

摘 ? ? ?要：通過對磨煤機磨煤過程中做功傳熱過程分析，得出預測煤漿產品溫度的計算公式，經采用MBS4360型磨煤機制備普通煤漿試驗，結果證明煤漿產品溫度的預測值與實測值相差小于0.5 K。通過分析發現，磨煤機做功傳熱主要用于工藝水的溫升，據此判斷采用工藝水加溫的方法是合理的，這在我國第一條長距離輸煤管道——陜西某管道輸煤項目中已經得到了實踐應用。該試驗過程和預測計算分析方法在磨煤機制備高質量分數水煤漿產品生產實踐中同樣具有借鑒意義。

關 ?鍵 ?詞：磨煤機;煤漿產品;溫度試驗;預測

中圖分類號：TQ536 ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）10-2167-04

Abstract： By analyzing the work and heat transfer processes of the coal mill during the coal grinding process， a calculation formula for predicting the temperature of the coal slurry product was obtained. The test of preparing ordinary coal slurry with a coal mill proved that the difference between the predicted value and the measured value of the temperature of the coal slurry product was less than 0.5 K. Through analysis， it was found that the work and heat transfer of the mill were mainly used for the temperature rise of the process water. Based on this， it was judged that the method of process water heating was reasonable. This method has been applied in the first long-distance coal pipeline project in Shaanxi province. The experimental process and predictive calculation and analysis method in this paper also have reference significance in the preparation of high-concentration coal water slurry products by coal mills.

Key words： Coal mill; Coal slurry water product; Temperature test; Prediction

煤漿的流變特性是管道輸送工程應用中的關鍵參數，黏度是表征流變特性的主要指標。黏度越高，管道輸送的摩阻越大，需要提供的動力越大，輸送的能耗也越大[1]。煤漿的溫度對煤漿的黏度影響較大，趙國華等人通過對兗州煤煤漿試驗研究發現，煤漿的表觀黏度在常溫下隨溫度的升高而降低，并且近似地服從Arrhenius關系式，隨質量分數的增加，溫度對煤漿黏度的影響越明顯[2-3]。為了確保管道輸送介質的摩阻在設計范圍內，通常需要采取一種或多種措施保證輸送介質的溫度，例如將沿線管道埋地敷設于凍土層以下、管道保溫、對原料加溫或對輸送介質直接加溫等措施[4]。

對棒磨煤機煤漿產品的溫度進行分析及預測有利于設計過程中更為準確地選取相關設計參數，更好地利用煤漿自身的能量，合理選擇保證輸送介質溫度的具體措施，對節能減排起到積極作用。

1 ?煤漿產品溫度分析

1.1 ?磨煤過程做功和能量轉化[5]

磨礦過程實質是功能轉變過程。磨煤機電機帶動傳動裝置，傳動裝置帶動磨煤機筒體轉動，將電能轉化為機械能。筒體再帶動筒體內的介質和物料運動，通過它們之間的相互作用，礦石被破碎，機械能主要轉變成礦石的變形能、表面能，最終大部分能量都轉化為熱能從而導致物料的溫度上升。采用大型棒磨煤機濕法工藝磨煤的功能轉換原理也是如此。

磨礦過程中輸入電動機的電能主要消耗在以下幾個方面。

1）電動機本身的損失：與電機本身的制造質量及效率有關。

2）機械摩擦損失：主要是指克服構件摩擦使筒體旋轉所消耗的功率，該損失與磨煤機的傳動方式、構造、運行轉速以及潤滑情況等因素有關。

3）有用功率：磨礦作用所消耗的功率，其大小主要與磨礦介質的重量和運行轉速有關，這部分能力最終主要轉變成熱能。

1.2 ?磨煤過程煤漿產品熱量傳遞分析

磨煤過程熱量傳遞的主要對象是原料煤、工藝水、設備本體以及周圍環境空氣等。其中原料煤和工藝水的能量變化較大，是最主要的熱量傳遞對象。除了原料煤和工藝水以外，磨煤機設備本體、周圍環境空氣等也會發生熱量交換，但正常生產條件下能量變化較小，所以忽略不計。

原料煤中本身含有水分，根據賦存狀態不同，還可以進一步細分為內在水分和外在水分，在此一并統稱為“煤中含水”，這部分水在熱量傳遞過程中與普通工藝水的性能基本一致。為便于分析，將煤漿制備的主要原料分為干基煤、煤中含水、工藝水這三部分組成。

具體到某一實際磨煤工業生產中，生產工藝變量主要是加棒（球）量、原料煤和工藝水的處理量、溫度，其余基本不變。

加棒（球）量直接影響設備運行電流的大小，是影響磨煤機做功的主要因素。原料煤和工藝水等物料處理量的變化對磨煤機做功則影響較小，這是因為無論物料處理量如何變化，溢流式筒體內液面基本保持不變，而且該部分的變化量相對于筒體內幾百噸的鋼棒（球）和筒體重量來說微乎其微。因此，對于相同磨煤機，加棒（球）量也相同時，輸入的有用功率基本相同。

原料煤和工藝水的處理量、溫度則對煤漿產品的溫度影響較大。從公式（4）分析，在其他因素不變的情況下，原料煤或工藝水處理量越大，煤漿產品的溫度越低;原料煤或工藝水溫度越高，煤漿產品的溫度越高。由于工藝水的比熱容為原料煤的2倍，工藝水的處理量和溫度對煤漿產品的溫度影響較大。

2 ?煤漿產品溫度試驗

2.1 ?試驗過程

試驗在我國第一條長距離輸煤管道——陜西某管道輸煤項目的管道首端制漿系統內進行。該制漿系統設有8條磨煤生產線，7用1備，設計煤漿生產能力16.00 Mt·a-1，是目前國內最大的煤漿制備系統。磨煤機采用國內某廠生產的MBS4360型棒磨機，筒體直徑4 300 mm，筒體長度6 000 mm。該設備配套YKK740-8型電動機，額定功率1 600 kW，電壓6 000 V，頻率50 Hz，額定電流190.2 A，F級絕緣，轉速745 r·min-1，功率因素cos￠為0.85，效率95.2%，正常工況下加棒量135 t。

試驗采用陜北某煤礦洗混煤作為原料煤，試驗原料煤煤質分析見表1。

工藝流程：粒度50 mm以下的原料煤由煤礦選煤廠經帶式輸送機輸送至儲煤倉，再由帶式輸送機提升至破碎車間，經破碎機破碎至6 mm以下后送入磨煤緩沖倉，緩沖倉下設定量給料機向磨煤機定量供料。以地下巖溶水作為工藝水。從水源地抽采后的工藝水經半地下蓄水池臨時儲存后按流量控制泵送至磨煤機內，與原料煤一起經過鋼棒研磨作用生產出符合質量分數和粒度指標要求的煤漿產品。其中磨煤緩沖倉建于制漿車間廠房室內，半地下蓄水池為室外封閉建筑。制漿實驗系統工藝流程圖見圖1。

各物料溫度測試點設置：原料煤溫度測試點位于定量給料機輸送皮帶尾部，工藝水溫度測試點位于磨煤機入料端給水管口，煤漿產品溫度測試點位于棒磨機出口滾筒篩溢流堰處。采用GM700手持式測溫儀測試，測量范圍223.15～973.15 K，精度±1.5%。

試驗期間當地氣溫最高為300.2 K，最低為286.2 K。考慮到原料煤和工藝水的溫度變化，試驗在白天的不同時間段進行，見表2。

2.2 ?試驗結果及分析

對上述不同時間的煤漿產品進行溫度測試，與采用式（5）預測計算的結果進行比較，如表3所示。最大偏差不大于0.5 K，在工業生產中屬于可接受誤差范圍。

從磨煤過程溫升方面分析（見表4），相對于煤漿產品的溫度，原料煤的溫升為負值，即溫度有所降低，是小幅度放熱過程;工藝水的溫升最大，吸收的熱量最多;入料綜合溫升（是指由原料煤和工藝水混合成的綜合入料溫度與煤漿產品溫度差值）介于二者之間，說明原料煤和工藝水混合后物料的溫度整體升高。以上分析結果說明磨煤機做功傳熱主要被工藝水吸收。當然，這是因為試驗所用原料煤溫度比工藝水溫度高所致。

從實際生產方面分析，原料煤儲存在大型高架煤倉內，由于本身會釋放熱量導致溫度較高（儲存過程中蓄熱過多時甚至有自燃的危險），儲存在半地下蓄水池的工藝水的溫度往往偏低[6]。因此，在陜西某管道輸煤項目（運煤量10.00 Mt·a-1、運距 ? ?735 km）中，為應對陜北地區高寒氣候條件，除了采取將沿線長距離管道敷設于凍土層以下的措施外，還在管道首端制漿系統設計中將工藝水加溫來進一步提高煤漿產品溫度，通過以上分析證明，該方法是合理的。

2.3 ?不同類型的煤漿產品溫度預測

采用磨煤機可以制備出普通質量分數煤漿和高質量分數水煤漿，普通質量分數煤漿主要用于長距離管道輸送，高質量分數水煤漿根據用戶的不同又可分為燃料水煤漿和氣化水煤漿，分別作為鍋爐的燃料和煤氣化的原料。3種煤漿產品基本特性見表5[7]。與普通質量分數煤漿相比，高質量分數水煤漿的流變特性對溫度更為敏感，溫度低于某臨界值時會導致黏度驟然增大，影響水煤漿的輸送和噴燒。在制備的原料方面，普通質量分數煤漿主要是原料煤和工藝水組成，高質量分數水煤漿除了原料煤和工藝水以外，還包括1%左右的添加劑。目前工業應用較為廣泛的添加劑成分是木質素磺酸鹽，鑒于其添加比例小，計算比熱容時可視同原料煤處理[8]。

高質量分數水煤漿質量濃度高，相應的含水比例低，平均粒徑小，磨煤機的生產能力低，相應的原料煤和工藝水的處理量小。因此，可以預計，經過磨煤機磨制的高質量分數水煤漿產品溫升比普通質量分數煤漿的溫升更高（初步預計溫升大于15 K），準確預測該水煤漿產品溫度對工藝設計、生產運行同樣具有重要的指導意義。

由于本次實驗裝置系統屬于長距離煤漿管道輸送工程，主要用于普通質量分數煤漿制備，未設置添加藥劑系統，無法開展高質量分數水煤漿制備試驗。該試驗可在煤化工行業的氣化水煤漿制備裝置系統或電力行業的燃料水煤漿制備裝置系統內進行，本文的試驗過程和預測計算分析方法仍然可以采用[9]。

3 ?結 論

1）通過對磨煤機磨煤過程做功傳熱過程分析，得出預測煤漿產品溫度的計算公式，經采用MBS4360型磨煤機制備普通質量分數煤漿試驗，結果證明，煤漿產品溫度的預測值與實測值相差小于 ? 0.5 K。

2）通過分析發現，在生產實踐中，磨煤機做功傳熱主要用于工藝水的溫升，據此判斷采用工藝水加溫的方法是合理的，這在我國第一條長距離輸煤管道——陜西某管道輸煤項目中已經得到了實踐應用。

3）該試驗過程和預測計算分析方法在磨煤機制備高質量分數水煤漿產品生產實踐中同樣具有借鑒意義。

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