循環(huán)流化床鍋爐破碎技術(shù)的研究進(jìn)展

趙國慶1,秦 川2,史向照,程偉良

(1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司科技工程公司，北京 100091； 2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041； 3.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

當(dāng)前，我國能源的發(fā)展規(guī)劃分布中，可再生能源的比例在逐年增大，而化石能源除在國家大型煤電基地有少量新增機(jī)組外，其它地區(qū)基本保持現(xiàn)有規(guī)模，并以調(diào)峰或調(diào)節(jié)性方式運(yùn)行為主，但這種燃煤方式的電廠在今后相當(dāng)一段時間內(nèi)仍將保持大規(guī)模的比例存在。截至2019年底，燃煤電廠也占發(fā)電總裝機(jī)容量的60%左右[1-2]。目前絕大部分燃煤機(jī)組為煤粉燃燒，而將煤制成細(xì)粉便于燃燒的制粉系統(tǒng)是其中的重要一環(huán)[3]。在電廠生產(chǎn)過程中，電廠內(nèi)部輔助設(shè)備所消耗的電量約占總發(fā)電量4%～6%。

此外，隨著大型煤炭基地的規(guī)?；l(fā)展，煤炭入洗率的提高，大量的煤泥和煤矸石將在我國大型煤炭生產(chǎn)基地集中出現(xiàn)。但由于煤泥和煤矸石的低熱值特性，我國大多煤炭基地未能充分合理利用此類副產(chǎn)品資源，導(dǎo)致矸石山堆集，煤泥水橫流等現(xiàn)象頻頻發(fā)生，這不僅是能源資源的極大浪費(fèi)，更是對生態(tài)環(huán)境的污染破壞。煤矸石等低熱值化石燃料是煤礦采煤過程和洗煤廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢渣，是煤炭除煤泥外的另一種大量工業(yè)固體廢棄物，其所含的灰分量大，熱值低。國家發(fā)改委、能源局等相關(guān)部委為實(shí)現(xiàn)煤矸石綜合利用及煤炭清潔高效利用等，提出洗選加工、分級利用的具體要求，并發(fā)布《煤炭清潔高效利用行動計劃( 2015～2020年)》文件，要求在今年將達(dá)到，原煤入洗率、及煤矸石的綜合利用率均須達(dá)到80%以上。因此，如何在充分利用煤矸石、煤泥低熱值資源的基礎(chǔ)上，有效提高電廠制粉系統(tǒng)的破碎磨粉效率和降低電耗及減少煙污染物排放等方面，是未來電廠發(fā)展中亟需解決的問題[4-5]。

當(dāng)前條件下，在燃煤鍋爐的不同燃燒方式中，循環(huán)流化床鍋爐具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、負(fù)荷調(diào)節(jié)性好，燃燒污染物排放低的優(yōu)勢。其燃燒的入爐煤粒度具有寬篩分的特點(diǎn)，大多數(shù)的顆粒分布在10 mm以下，而成灰特性也與入爐煤粒度相似。此外，循環(huán)流化床鍋爐煤種適應(yīng)性強(qiáng)，可消納大量煤泥、煤矸石等低熱值煤炭資源。同時循環(huán)流化床鍋爐具有實(shí)現(xiàn)清潔煤燃燒的優(yōu)勢，其運(yùn)行溫度較低，因而煙氣污染物NOx也生成量低，這也順應(yīng)近年來環(huán)境保護(hù)方面的要求，因此循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)在近些年得到了迅速的發(fā)展。

在火力發(fā)電廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，磨煤制粉系統(tǒng)運(yùn)行時其磨煤機(jī)、給煤機(jī)、給粉機(jī)等設(shè)備所消耗的電能很大，約占全廠發(fā)電量的2%。而就全廠的輔助設(shè)備而言，制粉系統(tǒng)的運(yùn)行效率對發(fā)電成本及節(jié)能降耗影響很大[6-7]。因此，如何提高制粉系統(tǒng)的工作效率，特別是其主要設(shè)備磨煤機(jī)的效率，是我國燃煤電廠中制粉系統(tǒng)設(shè)計、制造、運(yùn)行維護(hù)的重中之重。

燃煤破碎時必然要消耗能源，即電動機(jī)的電能，不同顆粒的破碎情況下所消耗的能源不同，而不同的顆粒粒度會決定不同的臨界流化速度，因而對流化床的燃燒污染物NOx及SO2排放都有影響，本文在對國內(nèi)外文獻(xiàn)研究分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合其理論和實(shí)際測試技術(shù)的研究成果，分析了存在的相關(guān)問題，提出了將來破碎技術(shù)的發(fā)展方向。

1 破碎理論及方法

1.1 單顆粒經(jīng)典破碎理論

物料的破碎需要消耗能量，通過外力對其做功使得物料顆粒發(fā)生物理結(jié)構(gòu)的坍塌。從19世紀(jì)起，人們就對破碎功耗的規(guī)律做了大量的研究和工作，并提出了相當(dāng)多的著名理論。其中，最為典型的當(dāng)屬面積假說、體積假說和裂縫假說的三大假說理論[8-9]。

(1)面積假說模型

面積假說認(rèn)為，物料在破碎時輸入破碎機(jī)械的能量越多，顆粒破碎的細(xì)度越大，其單位質(zhì)量的面積(即比表面積)也越大，進(jìn)而認(rèn)為比表面積可以作為粉碎顆粒的表征量。對破碎輸入能量eR12的計算

(1)

式中eR12——單位破碎能量/kWh·kg-1；

x1——初始粒度/mm；

x2——產(chǎn)物粒度/mm；

CR——功耗系數(shù)。

在上面的計算模型中，認(rèn)為所有的輸入能量全部用于物料本身，用以增大比表面積的研磨上，而實(shí)際上還有一部分磨擦能耗未涉及，因而該模型具有一定的局限性。學(xué)者Hiorns在分析了前人的研究成果基礎(chǔ)上，認(rèn)為在破碎過程增大面積時，還與產(chǎn)物顆粒之間的相互摩擦有關(guān)，而這時的產(chǎn)品粒度符合Rosin-Rammler分布，因此他引入了固體顆粒間的摩擦系數(shù)，對該面積假設(shè)模型進(jìn)行了很好地修正。

當(dāng)物料越細(xì)時越難破碎，此時單位能量所能產(chǎn)生的新表面積越少，在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步將面積假說完善，因而形成了田中達(dá)夫定律，使得其能很好地預(yù)測微細(xì)或超細(xì)粉碎的破碎狀況[10]。

(2)體積假說模型

當(dāng)物料破碎過程時，由于物料受外力作用使其變形進(jìn)而導(dǎo)致破碎。也就是說，外力越大，物料的破碎愈強(qiáng)烈，產(chǎn)生的顆粒數(shù)量越多，顆粒的總體積越大，表現(xiàn)為產(chǎn)生外力的能量與顆粒體積為正比關(guān)系

(2)

式中CK——表征作用于外力的功耗系數(shù)。

在進(jìn)行破碎分析研究時，除考慮摩擦外，還有一些因素需要一并分析，這樣才能更科學(xué)合理地表現(xiàn)破碎的實(shí)際規(guī)律。具體為表面吸附和張力作用的表面能、熱能儲存與釋放轉(zhuǎn)換的彈性能、及固體表面可能引起的物理化學(xué)變化而導(dǎo)致的能量消耗，只有這樣才能對體積假設(shè)形成更好的表述。

(3)裂縫假說模型

物料顆粒受外力作用時，在受力薄弱區(qū)域容易首先出現(xiàn)裂縫并不斷增大，使顆粒破碎。裂縫假說的能耗表達(dá)式如式(3)

(3)

式中CB——基于裂縫分析方法建模的功耗系數(shù)。

就以上提到的這三種假設(shè)模型，即，面積假設(shè)模型、體積假設(shè)模型及裂縫假設(shè)模型，都是基于不同側(cè)面闡述的破碎理論，各有特點(diǎn)，屬于破碎理論的經(jīng)典模型，對以后破碎理論及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。但其局限性也相當(dāng)明顯，如三種假說都有其適應(yīng)的粒徑范圍，超出此粒徑范圍便不再適用。因而，采用三大假說模型對破碎功耗進(jìn)行分析處理時，會有與實(shí)際情況較大的出入[11]。

(4)破碎通用模型

由于三大假說各自的局限性，使其僅適用典型的階段，不能準(zhǔn)確全面地表述破碎規(guī)律，因此，Walker等[12]對前述的三個著名假說理論模型進(jìn)行了歸納分析總結(jié)完善，建立起了表達(dá)破碎過程的通用能耗模型

(4)

對于式(4)，當(dāng)n分別為2、1和1.5時，就是前面分別提到的面積假說、體積假說和裂縫假說的能耗計算模型。并有相關(guān)文獻(xiàn)提出了在此基礎(chǔ)上各自不同的修正系數(shù)和計算方法[13-15]。

總體來說，破碎能耗通用理論計算模型，涵蓋了前面提到的三種關(guān)于破碎能耗計算的經(jīng)典方法。針對該通用能耗模型，結(jié)合具體對象過程的不同特點(diǎn)，通過選取不同的參數(shù)，即可滿足不同粒徑變化范圍的破碎過程分析要求。近年來，在這三種假設(shè)理論基礎(chǔ)上形成了各種新破碎模型。這些模型更加接近實(shí)際的破碎過程，然而模型中引入了較多的參數(shù)因子，應(yīng)用計算起來較為復(fù)雜，難度增加。

1.2 多顆粒破碎理論方法

前述的三大破碎假說理論模型及通用模型，僅僅是在考慮單一物料粒度的前提下形成的。而在實(shí)際的破碎過程中，破碎的物料可能是幾種物料的混合物，破碎后的物料顆粒粒徑都是處在一定范圍內(nèi)，且各種顆粒所占比例也不一樣，具有一定的粒度分布。目前，常用的粒度分布模型有G-S(Gaudin-Schuhmann)、R-R(Rosin-Rammler)、分形粒度等模型[16]。當(dāng)將物料粒徑分布作為一個參數(shù)進(jìn)行能耗計算時，便可得到相應(yīng)的能耗計算模型。此外，許多學(xué)者基于不同的參數(shù)分析并在不同磨機(jī)平臺上，通過大量的實(shí)驗得出了不同的破碎功耗關(guān)聯(lián)式[17-18]等。

目前，通過對破碎過程中的顆粒分布規(guī)律研究，研究其顆粒群分布與能耗變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)大顆粒破碎相對容易，而小顆粒在顆粒群中對整個破碎過程能耗影響較大。在此基礎(chǔ)上形成的顆粒群技術(shù)，通過采用“多碎少磨”和“以碎代磨”的方法可以優(yōu)化破碎設(shè)備及系統(tǒng)，它也越來越成為了制粉系統(tǒng)的一種發(fā)展方向[19]。

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，離散元法也在不斷改進(jìn)完善，目前已成為研究物料破碎的一種重要分析方法。針對破碎過程顆粒群的實(shí)際情況，也可采用離散元法來實(shí)現(xiàn)物料破碎的可視化研究及數(shù)值模擬。以分子動力學(xué)及牛頓理論為基礎(chǔ)，針對物料破碎過程中的顆粒群，對各顆粒的運(yùn)動軌跡，結(jié)合相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算機(jī)模擬，最后可根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行顆粒的運(yùn)動規(guī)律分析。此外，離散元方法還可用于對不規(guī)則礦樣的多尺度顆粒的運(yùn)動規(guī)律模擬分析[20]，及內(nèi)聚顆粒建模實(shí)現(xiàn)振動慢剪破碎[21]。

2 流化床物料的破碎設(shè)備

循環(huán)流化床鍋爐破碎系統(tǒng)的主要設(shè)備，即為破碎機(jī)，主要包括鄂式破碎機(jī)、齒輥式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)。破碎方法常采用撞擊、擠壓、劈裂等，對入爐煤進(jìn)行破碎處理，基于顎式、錘式、齒輥等原理形成不同的破碎設(shè)備，具體選用何種形式破碎機(jī)，由循環(huán)流化床鍋爐的用煤特性決定。

2.1 顎式破碎機(jī)

這種破碎機(jī)的破碎顆粒較大，一般用來破碎中等硬度的物料。主要部件由機(jī)架、顎板、電機(jī)、平衡飛輪、曲柄連桿傳動裝置、破碎腔間隙調(diào)節(jié)裝置等組成。各類顎式破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)部件有所不同，其破碎原理主要是，由偏心軸在電動機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)，使垂直連桿做上下方向的運(yùn)動，物料在不斷規(guī)律位移的破碎腔中分別受到劈裂、擠壓等作用而破裂。在循環(huán)流化床破碎系統(tǒng)中，現(xiàn)多采用分級破碎篩分，顎式破碎機(jī)可作為多級破碎的預(yù)處理，一般最大進(jìn)料粒度可達(dá)80 mm，破碎后出料粒度在20 mm以下[22]。顎式破碎機(jī)廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)破碎生產(chǎn)上，具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、工作可靠等特點(diǎn)，可作為循環(huán)流化床鍋爐破碎篩分系統(tǒng)中重要參考選型設(shè)備。

顎式破碎機(jī)作為傳統(tǒng)的機(jī)械形式破碎機(jī)，所形成的破碎產(chǎn)物顆粒較大，其缺點(diǎn)也相對明顯，如破碎比小、破碎不連貫、給料不均勻、效率較低等[23]。為使燃煤粒度更好地滿足循環(huán)流化床入爐要求，同時更好地降低破碎電耗，顎式破碎機(jī)也不斷進(jìn)行了著改造和升級，出現(xiàn)了許多新型顎式破碎機(jī)，如雙腔顎式破碎機(jī)、外動顎式破碎機(jī)、振動顎式破碎機(jī)等。羅紅萍等[24]通過MATLAB編程開發(fā)，對雙腔顎式破碎機(jī)的動顎體，進(jìn)行各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律模擬計算，實(shí)現(xiàn)了雙腔顎式破碎的仿真分析。針對振動顎式破碎機(jī)，宋波等[25]結(jié)合其動力學(xué)特性，就振動沖擊的破碎過程，形成了沖擊頻率、振幅、速度和能量與振動等參數(shù)的能耗分析模型。Daniel等[26]運(yùn)用DEM離散元方法，通過數(shù)值計算，模擬了破碎過程中的能量消耗，對顎式破碎機(jī)在物料破碎中能量利用率低的情況，提出了能量有效利用的改進(jìn)方法。

2.2 齒輥式破碎機(jī)

該破碎機(jī)是一種較傳統(tǒng)的破碎機(jī)，通常用來破碎中、低硬度物料。主要由傳動裝置，表面帶有齒的破碎輥，機(jī)械彈簧裝置，聯(lián)動機(jī)構(gòu)等組成，其主要破碎方式為劈碎，同時伴隨有沖擊和彎曲。一般可分為單輥式、對輥式、三輥式和四輥式破碎。物料由入料口進(jìn)到齒輥之間的縫隙，通過齒輥的剪切和擠壓作用，直到物料粒度減小到可以經(jīng)過齒輥間的最小縫隙為止。所產(chǎn)生的物料粒度的大小取決于齒輥縫隙的大小。齒輥式破碎機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，并且具有強(qiáng)制卸料的工作特性。具有結(jié)構(gòu)緊湊，易于調(diào)整破碎比，過破碎現(xiàn)象少等優(yōu)點(diǎn)。但其出力較低的缺點(diǎn)也相對明顯，對于傳統(tǒng)的齒輥破碎機(jī)，在給料粒徑在50 mm左右的情況下，將物料破碎至小于10 mm時的出力目前僅為60 t/h[27]。且當(dāng)設(shè)置出料粒度較小時齒輥間隙容易堵塞，對鐵塊等難破碎物的躲避性不強(qiáng)，同時對煤矸石含量高的硬度較大的低熱值燃料適應(yīng)性較差。

近年來，在傳統(tǒng)齒輥式破碎機(jī)上發(fā)展起來的一種新型四齒輥式破碎機(jī)在循環(huán)流化床破碎系統(tǒng)中已有所應(yīng)用[28]。它具有雙電機(jī)啟動的兩組相向轉(zhuǎn)動的齒輥，這些齒輥以上下方式布置，并可進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整。物料在破碎腔里研磨時，可用兩組齒輥間隙來調(diào)節(jié)流過其中的細(xì)顆粒尺寸大小，可以讓滿足要求的細(xì)顆粒直接通過，而大于齒輥間隙的物料將被旋轉(zhuǎn)的齒輥劈裂、折破至合格粒徑后方可通過齒輥間隙。其特殊的設(shè)計結(jié)構(gòu)使其能夠自動清除粘堵物料的功能，可較好地保證設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)?？梢蕴幚砜箟簭?qiáng)度值<100 MPa、使入料粒徑(<300 mm)經(jīng)破碎后可以直接達(dá)到8 mm以下，研磨后的產(chǎn)物粒度任意可調(diào)，適應(yīng)不同循環(huán)流化床鍋爐流化速度的破碎要求。由于其良好的破碎性能，可在循環(huán)流化床破碎系統(tǒng)中通過一級破碎即可達(dá)到入爐粒徑的要求，不過當(dāng)入料為煤、煤泥、煤矸石的混合料時，該破碎機(jī)的齒板磨損嚴(yán)重，應(yīng)用受限。

2.3 錘式破碎機(jī)

錘式破碎機(jī)在要求較細(xì)顆粒的工礦企業(yè)中應(yīng)用廣泛，出力可達(dá)到650 t/h 以上。主要結(jié)構(gòu)部件包括破碎板、錘頭、轉(zhuǎn)子和篩板等。物料由給料口進(jìn)入破碎機(jī)，在破碎腔中受到高速運(yùn)動錘子的打擊、剪切、磨研等作用而破碎。按照關(guān)鍵部件的不同可分為多種類型，如按照轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，可分為可逆式與不可逆式；按照轉(zhuǎn)子的數(shù)目，可分為單轉(zhuǎn)子式與雙轉(zhuǎn)子式；按照錘子的連接形式，可分為固定式與活動式；按照錘子的排數(shù)，可分為單排式與多排式。在多種形式的錘式破碎機(jī)中，由于可逆式破碎機(jī)碎后物料的粒度分布較均勻，“過鐵性”好，即使物料中出現(xiàn)難破碎的物體，如石頭、鐵塊等，也能順利通過，并且維修方便[29]?？赡媸狡扑闄C(jī)可以將50 mm的物料破碎至13 mm 以下，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整可以使出料粒度10 mm以下甚至更小。目前在循環(huán)流化床鍋爐電廠中使用較多，目前我國四川白馬600 MW循環(huán)流化床鍋爐破碎系統(tǒng)中已采用錘式破碎機(jī)。

錘式破碎機(jī)可以直接滿足循環(huán)流化床鍋爐的入爐粒度要求。其適應(yīng)性較好，能容易到達(dá)到其設(shè)計的額定功率，是循環(huán)流化床滿足入爐粒徑的一種較為理想的破碎設(shè)備。但當(dāng)物料中煤泥、煤矸石所含水分過高時，將限制錘式破碎機(jī)的額定出力，容易發(fā)生堵塞等情況。當(dāng)物料含水量超過一定限值時，錘式破碎機(jī)內(nèi)將產(chǎn)生大量的粘糊狀煤，極易造成設(shè)備超負(fù)荷損壞，因此破碎前需要進(jìn)行物料干燥。

3 存在問題

(1)適用于循環(huán)流化床鍋爐的能耗模型問題。關(guān)于能耗破碎模型的三大經(jīng)典破碎理論、通用關(guān)系式以及考慮粒度分布的破碎研究，主要對象為礦石、金屬等物料，而對于電廠用煤，由于需要結(jié)合用電能耗考慮經(jīng)濟(jì)細(xì)度，所提到的各類經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式主要針對煤粉爐的百微米量級，而對于給煤粒度在0～10 mm左右的循環(huán)流化床鍋爐的研究相對較少。如何在現(xiàn)有破碎理論的基礎(chǔ)上，利用各類數(shù)值仿真模擬技術(shù)建立適合循環(huán)流化床鍋爐具體給料及產(chǎn)品粒徑的能耗模型，尋求破碎機(jī)的最佳經(jīng)濟(jì)細(xì)度，需要從理論上進(jìn)一步研究和解決。

(2)破碎模型的計算基準(zhǔn)問題。近年來，越來越多的研究人員通過落錘、自制實(shí)驗系統(tǒng)、哈氏可磨儀測量等實(shí)驗結(jié)合離散元法等仿真分析，建立有關(guān)能耗分析模型，然而由于缺少相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范，所選取的狀態(tài)點(diǎn)和校準(zhǔn)缺乏參考依據(jù)，導(dǎo)致所建的能耗模型與仿真結(jié)果之間存在較大差異，從而嚴(yán)重影響模型的有效性、準(zhǔn)確性和可靠性，因此，需要業(yè)界相關(guān)技術(shù)研究人員，制定有關(guān)破碎的關(guān)鍵狀態(tài)點(diǎn)及校準(zhǔn)依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。

(3)破碎物料粒度分布與要求的匹配性問題。在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)過破碎后的燃料顆粒，往往出現(xiàn)不同時段顆粒分布偏差較大的現(xiàn)象。目前國內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐的破碎機(jī)多采用錘式或齒輥式，此類破碎機(jī)在破碎煤矸石等堅硬物料時，通過增加錘子重量或者提高轉(zhuǎn)子速度的方式來增加破碎效果，這將會使煤所需破碎能量過剩導(dǎo)致過粉碎情況發(fā)生，從而使系統(tǒng)的破碎出料粒度過小。而當(dāng)破碎機(jī)長時間運(yùn)行后，其核心部件錘子的打擊平面變成曲面，改變了沖擊角，使得沖擊破碎幾率變少，低效率的擠壓破碎幾率增大，最后會造成破碎板等部件磨損嚴(yán)重，使得合格的產(chǎn)物粒度減少，即要產(chǎn)生同樣數(shù)量的合格顆粒就需要更大的能耗[30]。

破碎顆粒的大小直接影響爐膛流場的分布，也影響著分級燃燒的污染物減排效果，因此研究顆粒大小帶來的各種影響方向和程度，便于實(shí)現(xiàn)更好地污染物減排和控制。

(4)破碎系統(tǒng)適應(yīng)性問題。由于電廠來料成分的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，物料中含水量高及含硬物多等因素，容易造成破碎機(jī)磨碎和堵塞等情況的發(fā)生，因此，確定合理的破碎篩分方式很重要。當(dāng)循環(huán)流化床鍋爐采用一級破碎方式，未設(shè)置有篩分系統(tǒng)使得入料粒度分布差異較大，也會形成磨損及堵塞等問題，造成出力降低和能耗增大。而循環(huán)流化床采用二級或三級破碎篩分系統(tǒng)時，由于破碎和篩分屬于分層布置方式，占用空間較大，設(shè)備系統(tǒng)龐雜，投資費(fèi)用大，工期長，運(yùn)行時能耗高、費(fèi)用大，并不易進(jìn)行全系統(tǒng)密封，會使揚(yáng)塵加大，造成工作環(huán)境惡劣。

(5)耐磨新材料新技術(shù)需求。我國目前使用的循環(huán)流化床鍋爐破碎設(shè)備及系統(tǒng)的耐磨材料，一般為高鉻鑄鐵、超高錳鋼等，而隨著煤種和煤質(zhì)的多樣化和不確定性，使得破碎機(jī)的核心部件磨碎嚴(yán)重，使用壽命較短。同時，在對破碎機(jī)關(guān)鍵部件材料的研究上，計算機(jī)輔助設(shè)計計算的開發(fā)軟件，如有限元軟件ANSYS、運(yùn)動學(xué)軟件AD-AMS等等，對其應(yīng)用開發(fā)還有待進(jìn)一步深入，要充分發(fā)揮當(dāng)前的先進(jìn)計算技術(shù)，加快新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度[31]。為此，積極推廣耐磨介質(zhì)等新型材料的應(yīng)用，提高破碎核心部件錘子等易損易耗件的壽命，對降低破碎運(yùn)行成本具有重要意義。

4 發(fā)展方向及建議

(1)適應(yīng)多種物料破碎要求條件。在循環(huán)流化床破碎系統(tǒng)設(shè)計時，為達(dá)到物料自身特性及流化床鍋爐的產(chǎn)物粒度要求，在正常運(yùn)行前，應(yīng)做破碎性能測試研究，確定其滿足機(jī)組各負(fù)荷階段的破碎性能曲線要求。然而不同燃料(如煤、煤矸石等)都有各自的破碎規(guī)律，因國內(nèi)各循環(huán)流化床的破碎系統(tǒng)均只適合單一的物料，不具有同時適合兩種或者多種物料的特性，如，既可以破碎煤又可同時破碎煤矸石等的破碎機(jī)。若在一臺破碎機(jī)上同時進(jìn)行不同物料破碎，易出現(xiàn)過粉碎或者煤矸石等硬物料破碎不合格等現(xiàn)象。結(jié)合國內(nèi)外循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)的發(fā)展要求，簡化輸煤工藝流程，節(jié)省投資，研制同時適應(yīng)煤炭、矸石、煤泥等多種燃料的破碎、篩分于一體的破碎機(jī)設(shè)備，是今后循環(huán)流化床破碎系統(tǒng)的發(fā)展重點(diǎn)。

在提供循環(huán)流化床合格入爐顆粒的同時，還要考慮相應(yīng)的燃燒煙氣污染物排放情況。在物料顆粒小及循環(huán)倍率大比較有利。特別是，顆粒分布中1 mm以下顆粒占30%以上，而循環(huán)倍率盡量可以設(shè)置在循環(huán)物料料量是投煤量的20倍稍大些。這樣將達(dá)到較好的爐內(nèi)石灰石法脫硫及分級燃燒脫硝脫硫效果[32]。爐內(nèi)NO和SO2濃度隨溫度(650～950℃)，及過量空氣系數(shù)(1.05～1.35)的增大而升高。摻混生物質(zhì)進(jìn)行破碎后燃燒時，由于易于形成還原性氣氛，更利于脫硫脫硝[33]。

(2)多種破碎方式的選擇與適用。物料破碎是在通過外界輸入能量形成外力的作用下，以沖擊或擠壓方式，破壞物料內(nèi)部分子間的聚合力，造成其組織結(jié)構(gòu)破裂，使得大塊物料變?yōu)檩^小合格粒度的過程。破碎方法選擇的合適與否，會直接影響循環(huán)流化床鍋爐入料的粒度合格效果，采用合適的破碎方式，可顯著提高物料的破碎效果。物料破碎應(yīng)用最普遍最廣泛的是機(jī)械法。硬度較高礦石盡量利用彎折配合沖擊作用進(jìn)行破碎；對脆性礦石，則采用劈裂方式效果較好；而對韌性較高礦石，以磨剝作用為主較為適宜[34]。近年來，在破碎過程中施加振動載荷的方法逐漸增多，振動作用可通過較小的破碎力使物料能夠獲得較大的破碎比。這同無施加振動作用情況相比，物料的粒度更細(xì)[35]。

在物料破碎時，往往會有不同破碎方式的綜合使用，可通過不同物料破碎方式的參數(shù)調(diào)整對比試驗研究，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到在降低能耗的情況下，實(shí)現(xiàn)更加理想的破碎效果。為探尋循環(huán)流化床鍋爐的適應(yīng)煤炭、矸石、煤泥等各種燃料破碎、篩分于一體的新型破碎方案，建立基于振動的破碎方式的能耗模型，并結(jié)合實(shí)驗研究為今后一個熱點(diǎn)研究方向。

(3)破碎設(shè)備的大型化、智能化。近年來，隨著大型煤炭基地開采過程中煤泥及煤矸石大量的出現(xiàn)，由于國內(nèi)現(xiàn)役的各類循環(huán)流化床機(jī)組的破碎系統(tǒng)大多設(shè)計出力較小，已經(jīng)難以滿足當(dāng)前的破碎需要。要想充分合理利用這部分低熱值資源，這就迫切要求循環(huán)流化床破碎設(shè)備向大型化發(fā)展。目前，我國煤炭破碎技術(shù)和設(shè)備在“黃金十年”背景下取得了長足的發(fā)展，破碎方面的諸多技術(shù)也已達(dá)到了世界先進(jìn)水平[36]。

今后，高度智能化將是未來破碎技術(shù)的發(fā)展方向。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將在現(xiàn)有自動化的基礎(chǔ)上，如何選煤以及混煤破碎，建立智能信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)破碎過程的可視化，并可根據(jù)計算結(jié)果反饋，進(jìn)而確認(rèn)和科學(xué)合理調(diào)整，將進(jìn)行數(shù)字互聯(lián)和信息交流決策，達(dá)到生產(chǎn)設(shè)備過程的智能管理水平，從而使得破碎系統(tǒng)成為一個高度智能化的節(jié)能、高效、長壽命、低成本系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

介紹了目前常規(guī)的破碎機(jī)破碎能耗分析模型，特別是通用模型及基于多尺度分布的離散元方法，并結(jié)合實(shí)際情況使用時的經(jīng)驗系數(shù)確定尤為關(guān)鍵。

分析了常用的三種破碎機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用前景。鄂式破碎機(jī)利用物料在破碎腔中分別受到鄂板間的劈裂、擠壓等作用；錘式破碎機(jī)在破碎腔中受到高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動錘子的打擊、剪切、磨研等作用而破碎；齒輥式破碎機(jī)是物料由入料口進(jìn)到帶有齒的兩輥之間的縫隙，通過齒輥之間的剪切和擠壓作用實(shí)現(xiàn)破碎，齒輥間的最小縫隙決定了破碎后的物料粒度。三種破碎機(jī)各有優(yōu)勢，相對而言，錘式破碎機(jī)可以將50mm的物料破碎至10 mm 以下，同時出力達(dá)到650 t/h 及以上，對于不同特性的物料適應(yīng)性好，是循環(huán)流化床滿足入爐粒徑的一種較為理想的破碎設(shè)備。

最后結(jié)合破碎后顆粒大小及分布對流化床燃燒和流動的影響分析，提出了相應(yīng)的研究發(fā)展方向。在循環(huán)流化床鍋爐大型化的趨勢下，如何基于各類破碎能耗理論建立相關(guān)計算模型，對其燃料顆粒大小及其分布進(jìn)行分析研究，確定物料粉碎的最佳經(jīng)濟(jì)細(xì)度，研制出較好適應(yīng)煤泥、矸石低熱值煤資源的新型智能化、大出力、高效率的破碎機(jī)，將是未來的發(fā)展方向。