钢球磨煤机制粉系统运行优化的试验研究

1、第30卷第2期2010年2月动力工程学报JournalofChineseSocietyofPowerEngineeringVol.30No.2Feb.2010文章编号:167427607(2010)0220133205中图分类号:TK223.25文献标识码:A学科分类号:410.30钢球磨煤机制粉系统运行优化的试验研究张骁博,杨建国,赵虹(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,杭州310027)摘要:针对钢球磨煤机的制粉系统,在实验室条件下,时间,确定了MS2500加,磨煤机出力、;/低;在最佳载煤量下,对磨煤机理进行分析,确定了冲击、破碎、.关键词:;载煤量;钢球量;优化OperationOp

2、timizationofaBallMillPulverizingSystemZHANGXiao2bo,YANGJian2guo,ZHAOHong(StateKeyLabofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:ExperimentswereconductedunderlaboratoryconditionsforanMS2500ballmillpulverizingsys2tem,throughwhichoptimalcoalfeedrateandballloadingquantitywe

3、rerespectivelydeterminedbyadjus2tingthecoalload,ballloadandmillingduration.Resultsshowthatboththemilloutputanditsdrivingpowerrisefirstanddroplateronwiththegrowthofcoalload;optimalproportionofcoaltoballloaddropsgraduallywithrisingballload;undertheconditionofanoptimalcoalload,unitmillconsumptionfirstd

4、ropsandthenriseswithgrowingquantityofballload.Byanalyzingthemillingmechanismsoastofindthesequenceofstriking,crushingandmillingaction,anoptimizedideaispresented,inwhichtheconsid2erationofdividingthemillingshelllinerinto3segmentsincluded.Keywords:steelballmill;milloutput;unitconsumption;coalload;balll

5、oadingquantity;optimization钢球磨煤机是中间储仓式球磨机制粉系统的主要设备.煤在磨煤机中经过干燥、撞击、挤压和研磨被制成煤粉,以供锅炉低污染高效率的燃烧.钢球磨煤机具有以下优点:结构简单,故障少,运行安全可靠,便于维护;适应煤种广,对煤中混入的木屑、铁块和石头都不敏感;能在运行中补充钢球,延长检修周期;可连续保持最大出力,在最经济的负荷下运行,满足锅炉的燃烧需要等.但其主要缺点是设备庞大,金属耗量、占地面积、初投资及运行电耗、金属磨损收稿日期:2009209221量均较大,同时运行中噪音大,磨制的煤粉也不够均匀,在低负荷下运行经济性差.电厂进行钢球磨煤机的试验周期长、

6、成本高,同时由于系统庞大,状态调整相对困难,系统误差较大.在实验室条件下进行钢球磨煤机试验经济、安全、可靠,同时根据试验目的可便于调整试验状态.笔者在实验室条件下,通过调整载煤量和钢球装载量,研究了磨煤出力随载煤量及磨煤单耗随钢球装载量的变化情况,得出最佳载煤量和最佳钢球装载作者简介:张骁博(19802),男,河南驻马店人,硕士研究生,主要从事钢球磨煤机制粉系统运行优化方面的研究.电话(Tel.)E2mail:zyqzxb99153.134动力工程学报70m、90m和200m的标准筛.第30卷量,使磨煤机出力最大,磨煤单耗最低,从而优化钢球磨煤机运行,为电厂运行提供理

7、论依据.PF3401电参数测量仪采用三相三线制接法以1试验部分1.1试验设备选用MS2500试验用磨煤机,圆筒长L=0.5m,直径D=0.4m;钢球直径统一选为40mm.在驱测量试验中钢球磨煤机的功率,由于筒体内钢球的运动规律性不明显,所以功率呈现波动情况.为了准确表述磨煤机功率,应用PF3401电参数测量仪软件,每间隔2s测一次磨煤机功率,并将数据输入计算机,计算出平均功率.1.2试验方案在实验室条件下,5个影响磨煤出力的因素、载煤量、钢球的砸.从能耗的角,有效,与磨煤出力成正比;无效功率、钢球间及钢球与护甲间的空碰所消耗的能量,表现为噪音、部件磨损和发热.在磨煤机的运行过程中,能量主要损耗

8、在筒体转动及提升钢球上,在满足制粉要求及提高磨煤效率的情况下,应坚持钢球量越少越好、载煤量越多越好的原则.以理论最佳钢球装载量为依据,分别选用49kg、53kg、57kg和61kg钢球量作为装载量进行试验.目前电厂钢球磨煤机的载煤量/钢球量约为15%,相当于其额定出力的1/42.笔者分别对载煤动电动机的带动下,圆筒转速n=52r/min.试验磨煤机圆筒的临界转速为1:1/2(1)nc=42.3/D=67r/min式中:nc为试验磨煤机圆筒的临界转速,r/min;D为试验磨煤机筒体的直径,m.果,因此对于一确定筒体,跌落高度最大,.当国nnzj时,工作转n/nc=0.740.81.本试验磨煤机n

9、/nc=0.78,满足此关系,因此筒体的实际转速接近最佳转速.对装有波浪形护甲的钢球磨煤机,当护甲结构和尺寸不变时,每一个筒体转速下均有一个最佳钢球充满系数zj,在充满系数=10%30%时,有如下关系式1:zj=nc1.75(2)对本试验磨煤机,zj=0.1863,满足范围要求,所以可从理论上得出最佳钢球装载量:2zj=zj=57.33kg(3)G=V4式中:G为钢球装载量,kg;V为圆筒体积,m3;为=4.9t/m3.钢球的堆积密度,标准筛振筛机筛子直径<=200mm,摇动频率为221次/min,振击频率为147次/min,试验选用量/钢球量为15%、18%、21%、24%和27%时进

10、行了试验.煤样在筒体内磨制10min(国家电力行业标准DL/T467-2004),取出100g煤样在振动筛上筛分10min,分别测出小于70m、90m和200m的煤粉重量,然后再放回筒体,同时在该时间段内用PF3401电参数测量仪测出磨煤机功率;在相同连续时间段上进行上述试验,可分析出煤粉细度、磨煤机功率、磨煤单耗及磨煤出力随时间的变化情况.试验煤种为乌电混烟煤,可磨性系数HGI=104,工业分析和元素分析见表1.表1乌电混烟煤的工业分析和元素分析Tab.1ProximateandultimateanalysesofWudianblendedbituminouscoal工业分析/%MadAad

11、VadQb,ad/(Jg-1)元素分析/%Cad57.19Had2.96Nad1.06St,ad0.65Oad5.45FCad53.821.1231.5713.4922747.22结果与分析2.1载煤量对磨煤出力及功耗的影响载煤量的多少直接影响磨煤出力和煤粉细度,对应最大磨煤出力的载煤量称为最佳载煤量,最佳载煤量不是一定值,其与钢球装载量、钢球大小配比及煤质特性有关.载煤量过多或过少均会使钢球的粉碎效率下降,所以在钢球装载量不变的情况下,存在一最佳载煤量使钢球磨煤机的磨煤出力最大,同时钢球的粉碎效率也最高.图1为不同钢球装载量下,磨制20min时磨煤出力随载煤量/钢球量的变化情况.第2期张骁博

12、,等:钢球磨煤机制粉系统运行优化的试验研究135过多,导致功率减小.图2所示为在磨制20min时,不同钢球装载量下磨煤机平均功率随载煤量/钢球量的变化情况.由图2可知,磨煤机功率随载煤量的增加先增大后减小,当钢球装载量分别为49kg、53kg、57kg和61kg时,磨煤机功率分别在约为21.5%、20.5%、19%和18%时达到最大.容銮恩等2认为图1磨煤出力与载煤量/钢球量的关系曲线Fig.1Mportionofcoaltoballload磨煤机驱动功率随载煤量的增加先增大,当钢球间的空隙全部被煤充满时,.继续增加载煤量.通常,最大磨煤机功率值与钢球.从图1可以

13、看出,4种钢球装载量中,磨煤出力变化趋势大致相同,随着载煤量的增加,增大后减小.、53kg和61kg,煤量/%、22.5%、22%和21%.随着钢球装载量的增大,最佳载煤量与钢球装载量之比逐渐减小,这是因为提升筒内不同层钢球所耗功率不同,不同层钢球的磨煤出力也有差异.在钢球磨煤机运行过程中,钢球跌落的动能一部分用于磨煤,另一部分消耗于钢球间及钢球与护甲间的空碰上.当载煤量较少时,有相当部分能量损失在钢球的空碰上,磨煤出力较小,同时钢球磨损、运行噪音及磨煤单耗都较大.随着载煤量的增多,钢球跌落动能的利用效率提高,钢球空碰损耗的能量逐渐减小,用于制粉的能量增大,磨煤出力增大,直至达到最大,此时的载

14、煤量为最佳载煤量.当载煤量过多时,钢球自身的跌落高度降低,同时钢球间的煤层加厚,煤粒的破坏形式由脆性破坏转变为塑性破坏和疲劳破坏.脆性破坏指损耗在变形损失上的能量不多,能量损失较小,破碎的效率较高;塑性破坏指伴随一个不可恢复的塑性变形过程,塑性变形将大部分能量损失在物体的变形上,转变成无用的变形能;疲劳破坏指反复加载才能发生的破坏,疲劳破坏伴随着多次的变形及恢复过程,在多次的变形及恢复过程中,能量与周围介质作用而以摩擦热的形式损失3.因此,煤层加厚使钢球自身的跌落动能减小,同时使部分跌落能量消耗于煤层变形上,钢球用于磨煤的能量减少,制粉效率下降.载煤量直接影响筒体内钢球跌落高度及钢球间空碰的情

15、况,因此载煤量会对磨煤机的驱动功率产生一定的影响.运行经验表明2,随着筒内载煤量的增加,磨煤机功率先增大,当钢球间的空隙全部被煤充满时,功率达到最大,继续增加载煤量,则载煤量图2磨煤机功率与载煤量/钢球量的关系曲线Fig.2Mportionofcoaltoballload磨煤出力、磨煤机功率均与载煤量有关.图3为钢球装载量为57kg、磨制10min时,磨煤出力、磨煤机功率随载煤量/钢球量的变化情况.图3曲线表明425,磨煤机的最大出力点并不是磨煤机的最大功率点,而是在其最大功率点A右侧的B点,此时有效功率最大,制粉电耗最小;在CA阴影部分区域,磨煤机工

16、作特性具有自平衡能力,随载煤量增加,功率增加,磨煤出力增大,该区域方便工作人员安全稳定地实现手动操作,称为运行习惯区;在DE阴影部分区域,为磨煤出力最大区域,随载煤量的增加,磨煤机功率逐渐减小,该区域称为运行优化区,在最大出力点B左边区域,虽然同样具有自平衡能力,但是操作不慎或者条件改变,钢球磨煤机工作状态极易跃入最大出力点的右边区域,该区域具有不稳定的趋势,给煤量增加,出力反而减少,亦称为临界区域;当存煤量进一步增加,磨煤机工作状态极易破坏平衡进入FG阴影部分区域,最终导致满煤堵磨,该区域称为运行故障区.运行人员的操作在习惯区,使得存煤量远远低于优化区,造成钢球磨煤机出力较小,功耗较大.最佳

17、载煤量是最大磨煤出力对应的载煤量,图中DE下面的阴影部分应是最佳载煤量的136动力工程学报第30卷图3磨煤机功率、磨煤出力与载煤量/钢球量的关系曲线Fig.3Milldrivingpower,portionofcoaltoballload(a)载煤量/%取值范围.但考虑到运行的安全性,钢球磨煤机在优化区运行,要求,以免不慎进入故障区.2.2、研磨的作用将煤制成粉末.,钢球被带到一定的高度落下,将煤砸碎,煤样由大颗粒变成小颗粒;同时钢球间及钢球与护甲之间的相对移动,通过挤压、研磨,把小颗粒煤样制成煤粉.每一钢球磨煤机都对应一单耗最小的钢球装载量,此时的钢球装载量称

18、为最佳钢球装载量.图4为在载煤量为0时,磨煤机功率随钢球装载量的变化情况.图4曲线表明,随着钢球装载量的增加,功率先增大后减小,钢球装载量为5660kg内某一值时,功率达到最大,说明此时钢球正好充满筒体的有效空间,钢球的跌落总动能最大,磨煤效果最佳.(b)载煤量/钢球量为24%图5磨煤单耗与钢球装载量的关系曲线Fig.5Unitconsumptionofmillvs.ballloadingquantity图4磨煤机功率与钢球量的关系曲线Fig.4Milldrivingpowervs.ballloadingquantity当钢球装载量为49kg和53kg时,最佳载煤量/钢球量接近24%;当钢球装

19、载量为57kg和61kg时,最佳载煤量/钢球量接近21%,所以在确定最佳钢球装载量时,分别选用载煤量/钢球量为21%和24%进行试验,以确定最佳钢球装载量.图5为煤样在磨制20min、载煤量/钢球量分别为21%和24%时,磨煤单耗随钢球装载量的变化情况.从图5可以看出,磨煤单耗随钢球装载量的增加先减小后增大.当载煤量/钢球量为21%、钢球装载量在59kg左右时,磨煤单耗达到最小,约152J/g;当载煤量/钢球量为24%、钢球装载量在56.5kg左右时,磨煤单耗达到最小,约156J/g.以磨煤单耗最小确定最佳钢球装载量为依据,可确定本试验磨煤机的最佳钢球装载量约为59kg.以上分析可知,磨煤单耗

20、随钢球装载量的增加先减小后增大,筒内钢球装载量较少时,磨煤单耗较大,这主要是因为筒内有效空间得不到充分利用,以钢球空碰的形式损失能量,致使磨煤出力较小,磨煤单耗较大.如图2所示,随着钢球装载量的增加,磨煤机功率增大,在增加的功率中,有效功率增加的比例大于无效功率,因此随着钢球装载量的增加,磨煤单耗减小.当钢球装载量较多时,筒内不同层钢球磨煤能力不同,紧贴筒壁外层钢球磨煤能力最大,因为其下落高度最大,随着钢球装载量的增加,内层钢球数量增多,下落高度逐渐降低,其磨煤出力增大的幅度也随之减小,当达到一定程度时,磨煤单耗随之增大.因此,随着钢球装载量的增加,磨煤单耗先减小后增大.另外,磨煤单耗与煤质特

21、性也有关,煤的可磨性指数变化对磨煤单耗有较大影响.此外,原煤水分对制粉系统单位磨煤能耗也有影响6.2.3煤样的磨制时间对磨煤出力的影响在煤样磨制过程中,随着磨制时间的延长,煤粉第2期张骁博,等:钢球磨煤机制粉系统运行优化的试验研究137越来越细,同时噪音也越来越大.图6为钢球装载量为57kg、载煤量/钢球量为21%时,磨煤出力随时间的变化情况.从图6可以看出,随着磨制时间的延长,磨煤出力逐渐减小,并且减小的趋势逐渐变缓.针对乌电混烟煤,在磨煤初期,煤样由大颗粒变成小颗粒,主要是钢球的破碎作用,并且此时噪音小;随着磨制时间的延长,煤粉越来越细,煤粉的流动性增大,噪音越来越大,煤消耗功率逐渐转化为

22、钢球空碰损耗的无效功率,此时破碎在制粉中的主导地位逐渐被研磨替代.在磨煤后期阶段,磨煤出力减小的趋势变缓,主要是研磨作用.从整个曲线的变化趋势来看,在磨制20min时,R90为38.9,(经验表明1,15min,对于烟煤,.第2阶段可以采用50mm或40mm的钢球与30mm的钢球进行配比,以提高破碎、研磨效率;第3阶段全部采用30mm的钢球来提高研磨效率;对于不同阶段采用的钢球配比、钢球量以及该方案的可行性等情况,需要通过具体的试验确定.3结论(1)钢球磨煤机的磨煤出力随载煤量的增加先图6磨煤出力与磨制时间的关系曲线Fig.6Mlingduration煤样的磨制过

23、程主要经历了破碎、破碎兼研磨和研磨3个主要阶段.粗煤块主要受冲击挤压、破碎,细煤粒主要受研磨作用,变得更细7.煤在筒内被破碎的过程中,一定重量的钢球砸入煤中的程度相对其本身的表面来说,直径小的钢球比直径大的钢球砸入程度大.从能量传递的角度看,与大钢球相比,小钢球所具有的能量更有机会传给煤粒子8.在电厂动态制粉过程中,煤样从入口到出口在钢球磨煤机筒体内的停留时间主要与通风量和筒体长度有关,从煤样到制成煤粉依次经历冲击、破碎、研磨.钢球球磨煤机在其筒内存煤量一定的条件下,钢球装载量决定了磨煤出力,球径配比决定了筒内磨煤效率5.据此,可以在钢球磨煤机的筒体内设置网状隔离设施,将筒体前后分成23个阶段,根据煤样从入口到出口依次变细及磨煤机理的不同,在不同阶段采用不同大小配比的钢球以分别满足磨制过程中的各个阶段,以提高磨煤效率和磨煤出力.根据文献2和文献3及本试验,第1阶段可以采用60mm和30mm的