何亚群，谢卫宁，王 帅，黄 勇，魏 华，王海锋，张峰彬

(1.中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学 现代分析与计算中心，江苏 徐州 221116；3. 北京电力设备总厂有限公司，北京 102488)

作为传统能源的煤炭是我国能源的基础，约占一次能源消费的68%左右。以煤炭为主的能源格局决定了我国以煤电为主的基本现状[1]。统计数据显示：2017年我国煤炭产量达到34.45亿t，其中65%用于电厂发电；全国发电装机容量达到178.25万MW，同比增长7.6%，总发电量6.42万亿kWh。火电装机容量为110.60万MW，同比增长4.94%，占全部装机容量的62.05%；全国累计火力发电量为4.61万亿kWh，同比增长4.6%，占比高达71.81%。 目前，我国每年需消耗原煤近25亿t用于发电，超过90%的燃煤电厂采用煤粉燃烧方式。煤粉制备是燃煤电厂的必备环节，该环节约消耗0.5%～2%的发电量，因此探索燃煤电厂在煤粉制备过程中的节能问题意义重大。

1 煤粉制备及分析

燃煤电厂普遍使用中速磨煤机进行煤粉制备，虽然各类磨机间存在研磨介质及磨辊受力加载方式等区别，但运行原理相似。如图1所示：原煤经落煤管进入旋转磨盘的研磨环，三组相对运动的磨辊在弹簧力、液压力或其他外力作用下，将研磨环上的原煤挤压、碾磨成煤粉；研磨后的煤粉被旋转磨盘甩出，由一次热风输送至锥形体区域；自磨盘到锥形体入料区域，截面突然扩大，致使风速降低，较粗颗粒在重力作用下返回磨盘再磨，细颗粒煤粉则经由锥形体上部导向挡板引流，切向进入煤粉分离器进一步分级；合格煤粉经煤粉管道进入锅炉燃烧，粗颗粒则从分离器底部重返磨盘[2]。

中速磨煤机磨盘待磨物料组成相对复杂，包括锥形体和分离器返料以及新鲜入料，故待磨物料处于多相混合的破碎环境。为确保锅炉燃烧效率，降低粗颗粒错配至合格煤粉概率，煤粉分离器分离粒度需低于合格煤粉粒度上限，部分超过分离粒度但符合燃烧细度的煤粉将返回磨盘继续研磨[3]。

图1 中速磨煤机运行原理图Fig.1 Working principle of the medium-speed vertical-spindle coal mill

我国燃煤政策规定电厂以燃用劣质煤为主[4]。高灰煤中伴生矿物质的可磨性差，一般需多次研磨-分级后，才能满足锅炉燃烧的细度要求。煤粉分离器相对较低的分级效率以及伴生矿物质的循环研磨，最终将导致磨机循环负荷偏大。这不仅降低磨机运行效率，增加设备磨损和保养维修压力，而且煤中伴生有害矿物质除少量以石子煤(磨机入料的0.001%，甚至更低)形式排出外，大多数则被磨制成粉后进入锅炉燃烧，会降低锅炉燃烧效率，增加污染物和粉尘排放。以黄铁矿为例，经过初步分选仅能部分去除，剩余的将在全部磨制成粉后进入炉膛燃烧，不仅产生SO2污染大气，还将生成附着物贴于炉膛内壁，结成高硬铁渣，降低燃烧效率，缩短锅炉使用寿命。煤中伴生的其他微量或痕量元素也将在燃烧中逐步转换为毒性气体直排，其危害难以准确评估。

由国家能源局等三部委联合印发的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)的通知》中要求，到2020年，力争使煤炭占一次能源消费比重下降到62%以内，电煤占煤炭消费比重保持在60%以上。该文件颁布的目的在于提高煤炭资源利用效率，旨在通过高效利用，降低煤炭燃烧带来的雾霾、污染性气体排放等环境问题。

煤炭制粉与锅炉燃烧是实现燃煤电厂节能减排与提效工作中需要重点关注的两个环节。科研工作者已在锅炉燃烧效率与减排方面做了大量的工作，但煤炭研磨制粉领域的研究相对滞后。现场调研数据显示：燃煤电厂中速磨煤机在煤粉磨制过程中约消耗0.5%～2%的发电量，节能空间巨大，中速磨煤机工作效率直接影响电厂的发电成本和节能降耗目标的实现。2017年，我国6 000 kW及以上发电机组供电煤耗已降低至309 g/kWh，但同世界先进水平280 g/kWh仍有一定距离[5]。此外，我国不同集团和地域电厂的技术水平发展很不均衡，小型发电机组或矸石电厂的供电煤耗会超过380 g/kWh。2017年，燃煤电厂磨制煤粉所用电量达0.09万亿kWh，需消耗4 500万t煤炭。据此估算，如果中速磨煤机煤炭研磨效率提高20%，即可节省原煤近千万吨，节约成本数十亿元。因此，煤炭研磨制粉提效是除燃烧控制之外实现燃煤电厂节能减排的重要途径和手段。

受工业型磨机高温高压封闭环境的限制，科研人员目前多利用具有相同工作原理的实验室研磨单元或者借助离散元模拟软件开展相关研究[6-9]。工业型中速磨煤机的研究多停留在分析磨机操作参数变化对煤粉细度和产率的影响层面，尚缺乏对磨机磨煤动力学及节能降耗基础研究的关注。本研究团队与澳大利亚昆士兰大学JK矿物研究中心及北京电力设备总厂合作，在国内外首次进行了工业运转的MPS型中速磨煤机开孔改造，完成了磨机入料、锥形体和分离器入料和返料采集工作[10]。工业磨机采样工况条件如表1所示。结合采样条件以及磨机内外物料性质，Shi和Kojovic联合建立了包括磨机能耗预测、能量-粒度破碎模型、破碎产物粒度模型以及锥形体和煤粉分离器分级的子模型[11-12]。在模型校验的基础上，分别进行了E型、MPS型和CKP型立式辊磨机研磨和分级过程预测，发现一次风速对磨机操作具有显著影响，并建立了各个子模型参数与一次风速的关系[13-14]。同时，研究团队还根据不同类型中速磨煤机的工业采样和实验室模拟试验，通过能耗-破碎模型，对比分析了E型和MPS型中速磨煤机的运行和能量效率[6,15-16]。

工业型中速磨煤机的开孔采样获取了磨机内部料流信息，进而实现了磨机运行过程的模型化与能量效率的对比分析，但仍需针对中速磨煤机内颗粒破碎过程开展基础研究，以分析影响煤炭研磨制粉效率的因素，并制定相关改善策略。

表1 MPS型中速磨煤机在各采样工况下的运行参数[10]

2 入料煤特征

工业磨机开孔采样试验结果表明：锥形体入料粒度上限高达2 mm，其R200(粒径>200 μm的颗粒质量分数)和R90(粒径>90 μm的颗粒质量分数)分别为25%和70%。虽然在锥形体的预先分级作用下部分粗颗粒重返磨盘，但分离器入料R200和R90变化不大[10]。煤粉分离器入料、返料以及煤粉产品的R90分别为68%、76%和13%，分离器入料和返料粒度组成相差较小。

在获取中速磨煤机入料流量以及内部各节点粒度分布之后，根据质量平衡分别计算了锥形体和煤粉分离器的入料、出料和返料的质量流量[17]。图2所示为采样工况4的计算结果。

图2 采样工况4的磨机各节点的质量流量及灰分

计算结果表明：中速磨煤机磨盘待磨物料中分离器返料占比最高；当磨机出力为24.6 t/h时，实际待磨物料质量流高达221.3 t/h。此工况下磨机的循环倍率(分离器入料与合格煤粉质量流量之比)为7.43；其余各工况循环倍率在8～10之间。在煤炭循环的研磨-分级过程中，伴生矿物逐渐解离并在磨机内部累积。由图2可以看到采样工况4的各节点物料灰分，虽然合格煤粉灰分仅为34.06%，但受煤中伴生高密度矿物质、煤粉分离器分级效率和分离粒度的综合影响，过量煤粉的循环研磨-分级致使锥形体和分离器返料灰分较磨机入料提高20个百分点。

综合上述分析，中速磨煤机内待磨物料中粗细颗粒质量含量差异显著，且细粒级物料的灰分较粗颗粒高。本研究率先利用哈氏可磨仪开展粗粒煤炭和细粒煤粉的混合破碎试验，以考察细粒级煤粉对粗颗粒破碎特性以及能量消耗的影响。

3 破碎能量响应

选取5种不同哈氏可磨性指数煤样，混合破碎中粗颗粒选取各煤样破碎后筛取的1.25～0.63 mm窄粒级物料，细颗粒为第五种煤样的<0.074 mm粒级物料。本环节细颗粒物料加入的前提是仅占据粗颗粒间的空隙而不会对混合物体积产生影响。通过测定加入不同质量细颗粒时的物料体积，最终确定加入上限为10 g。在研磨试验中，细粒物料的加入质量分别为2.5、5、7.5、10 g[18]。

细颗粒加入后，粗颗粒残余量的变化在半对数直角坐标系中仍呈直线，故符合一级动力学模型。计算各条件下粗颗粒的破碎速率(表2)，结果表明：在前两组试验中，细颗粒加入量相对较少，粗颗粒破碎对添加煤粉的响应较弱；当煤粉添加量增至7.5 g和10 g时，五个煤样的破碎速率降幅均较大。分析认为，除细颗粒加入所引起的缓冲效应外，与粗颗粒单独破碎相比，粗细混合破碎中粗颗粒所分配的能量降低也是造成破碎速率减小的主要原因。

表2 不同细颗粒煤粉加入量情况下各煤样的破碎速率

床层中添加的细颗粒除降低粗颗粒破碎速率外，还对细颗粒产率产生影响。<0.074 mm粒级的生成量随细颗粒加入量的增加而增加。随着破碎时间延长，试验物料由窄粒级煤样演变为粒度分布较宽的颗粒群。物料粉碎是一个粒度逐级减小的过程，初始粒级物料逐渐碎散成各个细粒级而不能直接跳跃破碎成<0.074 mm粒级煤粉。

相比于仅由粗颗粒组成的料床，加入的细颗粒将占据颗粒与颗粒、颗粒与研磨介质间的空隙，降低料层与研磨介质接触面的粗糙程度，摩擦系数也相应减小。对固定操作参数的哈氏可磨仪而言，破碎能量仅与摩擦系数有关，因此细颗粒加入减小了摩擦系数，进而降低输入能量。

与料层中加入细颗粒相反，粗颗粒破碎过程中新生细颗粒的及时移除可促使输入能量的增加。煤样A在哈氏可磨仪研磨1 min后，将生成的<0.074 mm颗粒筛除并添加同等质量的原始煤样，重复两次上述步骤直至最终的研磨时间为3 min。与单独破碎相比，新生细颗粒去除分别使第二和第三阶段的输入能量提高129.6 W和140.4 W。粗颗粒破碎时细颗粒添加和去除对比试验中输入能量的变化表明，分离细颗粒产品，可优化破碎环境，增加输入能量，提高颗粒破碎速率。

中速磨煤机待磨物料中的细颗粒主要是煤粉分离器的返料，即循环负荷，通过提高分离器分离效率，可减少返回重复研磨的物料质量。但分离器返料的灰分较原煤高20个百分点，已解离矿物的密度高于煤炭，其被分级成为合格煤粉的临界细度要低于低密度燃煤，降低分离粒度会增加分离器返料质量。因此，对于循环负荷的控制不仅需要提高分离器分级效率，同时还要去除已解离矿物，以减少重复研磨。为研究循环负荷控制对颗粒破碎速率和能耗的影响，本研究还进行了多组粗细颗粒质量比不同、细粒级灰分和硫分也不同的混合破碎试验，以实现对循环负荷控制的节能效益的评估。

4 循环负荷控制的节能效应

为确保粗颗粒与煤粉混合后粗颗粒破碎产品粒度分析的准确性，试验采用了单次处理量相对较高的自制辊磨机。煤粉中0.5～0.2 、0.2～0.09、<0.09 mm粒级物料质量分数分别为20%、50%、30%，三种煤粉灰分分别为30%、45%、60%，硫分分别为1%、5.23%、9.09%。三种煤粉与5.6～4 mm粒级原煤混合比例分别为6∶1、8∶1、11∶1，单次破碎物料质量为120 g，混合物破碎时间分别选取20、30、40、60、90、120 s。在分析混合破碎中粗颗粒所消耗能量及其破碎产物粒度组成时，忽略粗颗粒对煤粉破碎的影响，直接将煤粉单独破碎相同时间的能量消耗和粒度分布从混合破碎中剔除，以间接获得粗颗粒破碎能耗及产品粒度组成[19]。

在试验过程中，磨盘上的物料始终以细颗粒为主，粗颗粒碎裂后对料层粒度组成的影响较小。而在模拟循环物料控制的节能效应中，磨辊加载力、旋转半径及磨辊个数均为定值，输入能量主要受摩擦系数影响。在磨盘物料粒度组成相似的前提下，各试验物料与磨盘及磨辊间的摩擦系数相差较少，输入能量亦表现出相似的规律。但循环负荷控制会引起破碎能量效率变化(即单位破碎能量相同时，煤粉细度t10的差异)。煤粉细度t10同单位破碎能量关系如图3所示。对比分析表明：当单位破碎能量为1 kWh/t时，细粗颗粒质量比为6∶1和8∶1时的煤粉细度t10分别较质量比为11∶1时高15个百分点和30个百分点。粗颗粒质量含量较低时，较多的细颗粒使床层变软，缓冲作用明显；在床层受挤压作用而产生体积收缩时，作用在粗颗粒上的破碎能量逐渐被细颗粒分散，从而导致其能量效率较低，并最终表现为粗颗粒具有较高的抵抗破碎的能力以及较低的t10值。

图3 煤粉细度t10和单位破碎能量间的关系

煤粉细度t10所对应的特征粒度(0.47 mm)相对较粗，而燃煤电厂合格煤粉细度的评价通常选取0.09 mm。因此，进一步讨论了<0.09 mm粒级煤粉产率同单位破碎能量的关系，也得到了与图3所示相同的结论，限于篇幅此处不再赘述。虽然循环负荷控制的模拟研究与工业型中速磨煤机内颗粒粉碎不同，但从定性分析的角度仍可说明循环物料的控制具有良好的节能效果。

5 制粉系统降耗对策

5.1 提高分离效率

6个采样工况中分离器的实际分离效率曲线如图4所示。分离效率曲线均呈扭曲的反“S”形，分离效率先随粒度的减小而增大，至某一极大值后逐渐减小，呈现明显的“鱼钩效应”。6个工况中粒度>70 μm 物料的分离效率非常接近，而粒度<70 μm 物料的分离效率显著不同，并且随着粒度降低，分离效率的差距增大。因此，风速和液压加载力对分离效率产生很大影响，对细粒级影响尤为显著。

在工况2、3、4、6中，当风量从5.23×104m3/h降低到4.46×104m3/h时，分离效率变化不大。但当风量降低到3.67×104m3/h时，细粒级分离效率明显降低。为了保证颗粒在分离器内的分离效果，必需提供足够大的离心力，才可使不同粒度的颗粒有效分离。

图4 分离器实际分离效率曲线

尽管磨辊液压加载力不能直接影响分离器的分离效率，但工况4中<55 μm各粒度分离效率明显比工况5高。在较大的液压加载力作用下，煤炭会生成更细的物料，分离器入料也变细，返料减少。在新添加入料后，磨盘上物料的粒度组成变粗，加之返料对分离器入料生成速率的延缓作用，最终导致工况4分离器入料速率低、分离效率高。液压加载力通过影响分离器的入料速率，间接对分离器分离效率产生影响[10]。

5.2 改变流场形态

图5为静态分离器的挡板角度由15°改变至65°时的磨机内部压降分布云图，结果显示压降在轴向上总体呈现先减小后增大的分布趋势。在磨机磨辊附近，压降在同一水平面变化剧烈，呈现不均匀分布的状态；随着垂直高度的增加，压降分布的均匀性得到改善。对比图5(a)和图5(b)，在磨机内部不同平面上，压降均随挡板角度的增加而增大。风阻的增加直接导致磨机一次风机能耗增大，且随着挡板角度增大，出口物料变粗，返料增加，循环负荷增大，进一步导致磨机能耗的升高。磨机内部结构复杂，导致压降不均匀分布，致使流场紊乱，容易形成大尺度漩涡，裹挟“跟随性好”的细粒级煤粉停留在磨机内部，增加颗粒运动方向的不确定性，使能量效率降低。

图5 ZGM16型磨机压降分布云图Fig.5 Pressure drop distribution in the ZGM16 vertical spindle mill

5.3 减少循环负荷

煤炭经中速磨煤机研磨-分级后，以合格煤粉的形式进入燃煤锅炉燃烧，仅有约0.004%的高密度高硬煤粒以石子煤的形式排出。在中速磨煤机近似“单进单出”的工艺体系中，煤中伴生矿物解离后仍停留在磨机内部，不仅难以分离成为合格煤粉，返回磨盘后还会减缓入料煤炭的破碎速率。石子煤质量流量过小，因而可携带外排的高密度矿物质有限。根据煤粉颗粒在磨机内的运动特点，通过改进磨机局部结构促进高密度物料成为石子煤外排，是降低煤粉分离器和研磨构件压力，减少循环负荷的一种有效手段。

煤粉在甩离磨盘后，由一次热风携带依次进入锥形体和煤粉分离器分级，其中煤粉分离器的粗颗粒产品返回磨盘，成为石子煤的可能性不大。一次热风是由设置在磨盘下侧的喷嘴环喷出，在磨辊与筒体间的空隙区域将煤粉带至锥形体。一次热风除了负责输送煤粉外，还需为煤粉分离器颗粒分离提供离心力，因此风速处于相对较高的状态，煤粉中的高密度矿物质难以落到研磨环下方的传动盘被收集为石子煤。为此，可通过改变喷嘴环出口风速、气流流态或喷射角度，强化一次热风对煤粉的“初筛”作用，使部分高密度矿物质落入传动盘成为石子煤。高密度矿物质分级成为合格煤粉的临界细度要低于低密度煤粉，高密度矿物去除后可改善进入分离器的煤粉性质，缓解分级压力，因此适当地提高分级粒度，可以减少符合合格煤粉细度却被返回重磨的循环负荷质量。

6 结论

研究以工业MPS型中速磨煤机开孔采样试验为基础，结合一系列相关试验模拟研究，揭示了磨机内待磨物料性质及其对粗颗粒破碎行为和能耗的影响，提出了循环负荷控制方法，并进行了模拟试验验证。得出的主要结论如下：

(1)中速磨煤机待磨物料中分离器返料(即循环负荷)占比近90%；受重复研磨中已解离矿物的密度较高及分离器分级效率制约，循环负荷的灰分比原煤高20个百分点。

(2)粗细颗粒的混合破碎试验研究表明：加入到粗颗粒床层中的细煤粉占据粗颗粒与研磨介质以及粗颗粒之间的空隙，降低了料层与研磨介质接触面的粗糙度，导致床层摩擦系数减小，引起输入能量降低，粗颗粒破碎速率减缓以及<0.074 mm煤粉生成量减少。

(3)基于细颗粒对破碎过程的影响，提出可通过提高分离器分级效率和去除循环负荷中矿物质的方法来降低待磨物料中循环负荷的占比及其灰分。验证试验显示：循环负荷与灰分的降低增加了粗颗粒的单位破碎能量，并增加了煤粉细度和破碎能量效率。

(4)结合工业采样和数值模拟，提出了实现燃煤电厂节能降耗的对策：通过综合调节风速和液压加载力，提高分离器分级效率，减少细颗粒返回再磨，降低循环负荷；保证磨机内流场的均匀性，减少旋涡产生；改变喷嘴环出口风速、气流流态或喷射角度，增加石子煤排放量，降低煤粉中高密度矿物含量，减少循环负荷。

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