吕本度，闫智海，张斌发，吕云福

(江苏秋林特能装备股份有限公司，江苏 江阴 214404)

我国现阶段及今后一个相当长的历史阶段，“以煤为主”的能源结构决定了我国社会经济发展对煤炭资源仍然依赖。煤炭消耗量逐年增加导致了我国优质焦煤、肥煤及优质动力煤资源日益减少，开采成本日益增高。然而，我国的煤炭资源禀赋条件并不好，低阶煤资源丰富，已探明的低阶煤资源储量在2 000 亿t以上[1]，约占全国探明煤炭资源储量的20%，主要分布在新疆和内蒙古自治区。全国第三次煤炭资源预测结果表明，以褐煤和低变质烟煤(次烟煤)为代表的低阶煤约占煤炭预测总量的45%以上。而低阶煤具有低灰、低硫、反应活性高等优点，是优质的现代煤化工原料，已成为煤化工气化用煤的主导煤种，因此，低阶煤资源的科学清洁综合利用对保障国家能源战略安全具有重大意义。

1 发展水煤浆的意义

水煤浆(Coal Water Slurry，CWS)是因20世纪70年代末石油危机而研发的一种煤代油燃料，后来延伸到煤化工行业作为气化原料。一般使用60%～70%的煤、30%～40%的水和少量的添加剂通过物理加工方法得到。水煤浆具有污染低、燃烧效率高、可管道输送等优点，使之成为煤炭洁净加工利用技术重要组成部分。经过40多年的发展，水煤浆技术已经非常成熟，并广泛应用于工业锅炉燃烧及煤化工转化等多种领域。随着我国科学综合煤炭清洁加工与转化利用的力度不断增大，以及现代煤化工产业体系的迅猛发展，具有技术先进、安全性高、运行稳定、国产化程度高等优势的水煤浆气化技术必然获得更大的推广应用，水煤浆将具有更广泛的发展空间和前景。

水煤浆研磨设备——湿式棒磨机属高能耗装备，在目前节能减排，绿色生产大环境的前提下，如何降低能耗，提高效率是煤炭加工利用装备制造企业亟需攻克的难题。

2 水煤浆湿式棒磨机研磨原理

水煤浆湿式棒磨机回转部筒体里面装有研磨介质(钢棒)，研磨原料由溜槽进料装置进入回转部，从进料中空轴内衬入料口送入棒磨机筒体内，电动机经联轴器、减速器等传动装置带动装有介质的筒体旋转，物料受到介质的撞击以及介质之间和介质与筒体衬板之间的研磨，被研磨后的物料(即水煤浆)从排料中空轴内衬料口流出，进入出料装置中的滚筒筛，筛下物即为水煤浆从出料下罩溜管进入煤浆出料槽，筛上杂物从排渣口排出，热气从出料装置上排气口排出。棒磨机筒体内研磨示意如图1所示。

图1 棒磨机筒体内研磨示意

因此，湿式棒磨机筒体内部的研磨效率和产能、吨浆能耗息息相关，提高棒磨机筒体内部的研磨效率，能显著提高产能，降低能耗。

3 湿式棒磨机磨筒体衬板提升角优化

对磨矿设备的研究是从研磨体的动态运动轨迹着手(主要针对干法粉磨)，分析计算出研磨体研磨物料效率最大的磨内工况。但从计算的结果与实际工况比较来分析，其出入较大，这也给设计人员带来较大的困惑。

在干法粉磨相关资料中，无论是抛落状态、滞落状态，还是抛滞混合状态，从动态流体力学、能量守恒分析等方面，都给设计人员设计粉磨设备提供了理论研究的基础。

结合干法粉磨的这些理论知识和多年现场实际工况，提出湿式棒磨机研磨衬板设计时需修正的几个方面。

(1)需考虑研磨体动态时相互干涉的影响；

(2)需考虑衬板提升角对配套功率的影响；

(3)湿法棒磨煤机还应考虑磨内浆体粘度对研磨体运行规律的抑制作用。

基于以上几个要点，设计湿式棒磨机磨煤机磨内结构参数时，结合现场工况，发现磨况效率较高时，需首先确定研磨体的提升角。经多年经验比对，根据力矩平衡并考虑研磨体动态运行时相互干涉等条件，列出关于磨内衬板摩擦系数与研磨体提升角的关系式(1)，此式与现场实际工况非常接近。

式中：f为衬板摩擦提升系数；Ω为研磨体弓形圆心角；θ为研磨体提升角；k为磨机比转速。

根据理论设计，结合现场实际工况，确定研磨体提升角取值θ取30°～35°之间最合适。

通过计算验证确定了研磨体的提升角后，设计适合于研磨体的衬板形状，制定湿式棒磨机有效直径及合适的研磨体填充率，使得湿式棒磨机研磨效率倍增。波形衬板如图2所示。

图2 波形衬板

4 应用效果

4.1 改造项目

万华化学(宁波)有限公司使用3台φ3.8m×5.8m湿式棒磨机，单台设计产量38～42 t/h(干基)，实际运行产量约36 t/h(干基)左右。该公司棒磨机是由我国其它公司制造，由于产能几年未能达标，寻求进行改造。经对该湿式棒磨机技术研究后，对其衬板进行了更换。按照上述原理，设计了不同于其原结构的衬板形状，将钢棒原摩擦角由4.6°改为12°，原提升角由22.5°增加到30°，在其它工况条件不变的情况下，其产量增至50 t/h(干基)。改造后，该公司由原来的3台全开，实现了2开1备的合理工况。表1为改造前后生产情况对比。

表1 改造前后对比

由表1可知，该湿式棒磨机改变衬板提升角后产能提高了38%，吨浆能耗降低了38%。

4.2 新项目

传统的湿式棒磨机筒体内部衬板有28～36个波峰，在改变了湿式棒磨机衬板提升角后，新型湿式棒磨机筒体内部衬板有48～56个波峰。理论上，在磨机恒定转速下，新型湿式棒磨机筒体每旋转1圈，研磨介质在湿式棒磨机筒体内部所作的功是传统湿式棒磨机筒体的1.16倍。

中盐安徽红四方股份有限公司，其某二期项目采用φ4.5×6.0棒磨机。按设计院规定，装机1 800 kW，满负荷产量80 t/h(干基)。2 a多的运行情况：磨机产能80 t/h(干基)，200目含量大于60%，325目含量大于40%。以上情况均优于设计院要求的参数，运行功率约1 075 kW，干基能耗约13.4 kW·h/t。表2为传统型衬板设计和新型衬板设计对比。

表2 传统型衬板设计和新型衬板设计对比

由表2可知，新型湿式棒磨机钢棒负荷在80%的情况下就能满足生产需求，吨浆能耗降低16%，并且能节约20%的钢棒使用量。

5 结 语

湿式棒磨机筒体衬板在改变提升角角度后，在多个项目运行后的数据表明，能有效地达到增产、降耗的目的，采用该节能型衬板结构能耗降低约16%。为煤化工企业制浆能耗节能、提高经济效益和煤炭绿色清洁利用起到关键应用示范作用，并正在向全国煤化工企业推广应用。