基于物料粉碎理論對磨煤機高效新型碾磨研究

朱新平，壽奎原，張治鋒，王 皓，聶縣會，黃金龍

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

0 引言

制粉系統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之一，對制粉系統的優化升級對于電廠而言意義重大。磨煤機主要設備在長期的實踐過程中自我優化，提效升級技術也在不斷的探索中。

磨煤機碾磨效率主要由碾磨件決定，國內關于提升碾磨效率的研究主要在集中在磨盤轉速和碾磨型線兩方面，通過改變碾磨件型線的方式達到增加碾磨效率的目的，是提升碾磨效率的重要手段之一。本文對磨煤機碾磨機理及核心零部件進行深入研究，找到磨煤機提升出力、降低單耗，提高磨盤中部區域攜粉能力，降低磨煤機壓差，降低磨煤機殼體磨損的方法，開發磨煤機碾磨耦合裝置，對磨煤機碾磨裝置及旋轉噴嘴環部分進行耦合設計，并在現有磨煤機上應用，通過實驗驗證理論并修正研究參數，此技術可在同類型設備上推廣應用。

1 概述

某公司4×660 MW 超臨界燃煤發電機組，鍋爐為B&WB-1903/25.4-M 型超臨界參數SWUP 鍋爐，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架全懸吊結構Π 型鍋爐，制粉系統采用中速輥式磨煤機配冷一次風機正壓直吹式系統，每臺鍋爐配6 臺磨煤機，5 運1 備。

磨煤機采用北京電力設備總廠有限公司生產的ZGM113G型中速輥式磨煤機，液壓變加載方式，擋板式靜態分離器，磨盤額定轉速24.2 r/min，設計煤質下磨煤機最大出力57.67 t/h。

1.1 磨煤機運行原理

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

圖1 磨煤機

1.2 磨煤機運行現狀及研究內容

近年由于原煤價格的上漲導致煤質變差，雜質增加，磨煤機的實際出力偏離原設計出力，燃煤電站安全經濟運行受到燃用煤種與設計煤種特性吻合度降低、機組負荷率降低等不利因素。磨煤機長期處于高負荷運行狀態，極大的影響磨煤機的安全穩定運行，對現有磨煤機設備的研究迫在眉睫。為解決以上系列性問題，提出以下研究內容，以獲得提高磨煤機出力、節能優化、提升磨煤機煤種適應性的關鍵技術[2]。

（1）基于邦德（F.C.Bond）物料粉碎理論對磨煤機碾磨型線進行研究：研究磨煤機碾磨型線對出力的影響，合理優化碾磨型線，提高碾磨效率，增強碾磨適應性，提升碾磨出力。磨煤機的碾磨主要取決于研磨件，其結構設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，從而影響磨煤機的出力。

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

2 研究理論基礎

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]。粉碎過程的實質是克服物料表面質點的表面張力和克服物料內部質點間的內聚力。粉碎的目的在于減小固體物料的尺寸，使之變為合格的粉料。

對于原煤來說主要將其粉碎至細小的煤粉顆粒，通過選粉機將不同大小的顆粒進行篩選，然后輸送至鍋爐進行燃燒，煤粉顆粒尺寸越細，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某粉碎機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械的作業情況。粉碎的另一技術經濟指標是單位電耗（單位質量粉碎產品的能耗），用以判斷粉碎機械的動力消耗是否經濟的指標。

當初碎時，破碎后物料的顆粒仍很大，所以質點越小表面能越高，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動加快，質點間的碰撞概率增大，還可能產生聚結和聚沉現象。因此，必須正確地研究粉碎過程，根據物料的粗細程度來衡量用什么結構的碾磨裝置。

2.1.3 粉碎方式

目前采用的粉碎方式以破碎機和磨碎機為主，一般由上述兩種或兩種以上的方法聯合進行粉碎[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械性質，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%質量能通過的篩孔尺寸）[9]。

物料一定要在壓力下產生變形，積累一定能量后產生裂紋，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，在日常生產中主要采用擠壓和磨碎的方式，磨碎設備為磨煤機，故針對降低磨煤機制粉單耗和提高磨煤機碾磨效率的方式主要集中在原煤受力狀態之下，以最低時間來提高原煤產生裂紋的速率。

2.2 文丘里效應

文丘里效應是指在高速流動的流體附近會產生低壓，從而產生吸附作用。在受限流動在通過縮小的過流斷面時流體出現流速或流量增大的現象，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象（圖2）[10]。

圖2 文丘里效應

伯努利原理公式為：

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

3 磨煤機碾磨耦合研究

3.1 碾磨裝置的研究

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

磨煤機的碾磨原理是低速轉動的磨盤帶動襯板和被動轉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，通過優化型線半徑，達到加大有效碾磨寬度的目的，對應更改襯板尺寸，可加大碾磨面積，增加物料經過碾磨件的行程和碾磨時間，進而達到增加碾磨效率，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，設計時適當減小包角，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α 角度減小時，F1=cosα 增加，F2=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

為保證磨煤機的煤粉輸送效率，降低碾磨后煤粉中部流場的惰性區，降低排渣量和旋轉噴嘴環上下噴嘴阻力，對噴嘴環結構及其通流流道進行流場耦合設計，配合碾磨裝置的研究，提高磨煤機機械性能。

旋轉噴嘴環的作用是加速一次風，使其能夠攜帶煤粉經分離器分離后進入送粉管道。一次風攜帶煤粉的能力主要取決于流速，保持合適的風煤比，保證煤粉的分離與運送，提升出力的同時需要相應提高一次風量。同時考慮為了降低旋轉噴嘴環的壓差，研究旋轉噴嘴環型線，對其型線進行合理的設計，保證其通過噴嘴環的流速不增加，但壓差降低。

根據文丘里效應和伯努利方程，在氣流里如果速度小壓強就大，如果速度大壓強就小的原理，優化噴嘴環結構，降低一次風經過噴嘴環前后的壓差，設計更合理的通流面積和流速，減少排渣量和風阻[11]。

旋轉噴嘴環流道型線主要考慮流線型，采用下部以漸縮口弧線，上部以左側直線，右側弧線的結構型式（圖5、圖6）。此種結構主要優點在于：

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通過縮口的流速增加，從而產生一定的壓力差，中部壓力較下部壓力小，促進一次風更好的向噴嘴中部吸附。

（2）上部以左側直線右側弧線的結構，在直線一側一次風流速低，壓力大，弧線一側一次風流速高，壓力小的特點，能夠促進一次風更好的向磨煤機磨盤中部吹掃，從而在一定程度上降低一次風吹掃機殼的橫向速度，提高一次風攜帶中部合格煤粉的能力。

4 結論

高效新型碾磨研究項目將新型碾磨裝置和新型旋轉噴嘴環在ZGM113G 型磨煤機上安裝并應用，目前運行效果良好，達到了研究的所有設計值。以研究項目實施前的摸底試驗煤質為基準，碾磨元件優化研究項目實施后，按照DL/T 5145—2012《火力發電廠制粉系統設計技術規定》的計算方法，磨煤機最大出力增加至60.82 t/h，提高近10%的出力幅度。碾磨元件優化研發項目應用前后，磨煤機電耗分別為7.90 kW·h/t 和7.77 kW·h/t，將磨煤機出力折算至研究項目實施前摸底試驗煤質，則折算磨煤機電耗為6.81 kW·h/t；磨煤機通風阻力降低，石子煤量排量約1 kg/h，遠小于磨煤機出力的0.05%。

通過對ZGM113G 型磨煤機碾磨裝置的研究，對磨煤機內部碾磨裝置和旋轉噴嘴環進行型線優化設計，提高磨煤機碾磨效率，降低電耗，對后期實踐具有指導意義。