磨煤機(jī)煤漿產(chǎn)品溫度試驗(yàn)及預(yù)測(cè)研究

摘 ? ? ?要：通過對(duì)磨煤機(jī)磨煤過程中做功傳熱過程分析，得出預(yù)測(cè)煤漿產(chǎn)品溫度的計(jì)算公式，經(jīng)采用MBS4360型磨煤機(jī)制備普通煤漿試驗(yàn)，結(jié)果證明煤漿產(chǎn)品溫度的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差小于0.5 K。通過分析發(fā)現(xiàn)，磨煤機(jī)做功傳熱主要用于工藝水的溫升，據(jù)此判斷采用工藝水加溫的方法是合理的，這在我國(guó)第一條長(zhǎng)距離輸煤管道——陜西某管道輸煤項(xiàng)目中已經(jīng)得到了實(shí)踐應(yīng)用。該試驗(yàn)過程和預(yù)測(cè)計(jì)算分析方法在磨煤機(jī)制備高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)踐中同樣具有借鑒意義。

關(guān) ?鍵 ?詞：磨煤機(jī);煤漿產(chǎn)品;溫度試驗(yàn);預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：TQ536 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）10-2167-04

Abstract： By analyzing the work and heat transfer processes of the coal mill during the coal grinding process， a calculation formula for predicting the temperature of the coal slurry product was obtained. The test of preparing ordinary coal slurry with a coal mill proved that the difference between the predicted value and the measured value of the temperature of the coal slurry product was less than 0.5 K. Through analysis， it was found that the work and heat transfer of the mill were mainly used for the temperature rise of the process water. Based on this， it was judged that the method of process water heating was reasonable. This method has been applied in the first long-distance coal pipeline project in Shaanxi province. The experimental process and predictive calculation and analysis method in this paper also have reference significance in the preparation of high-concentration coal water slurry products by coal mills.

Key words： Coal mill; Coal slurry water product; Temperature test; Prediction

煤漿的流變特性是管道輸送工程應(yīng)用中的關(guān)鍵參數(shù)，黏度是表征流變特性的主要指標(biāo)。黏度越高，管道輸送的摩阻越大，需要提供的動(dòng)力越大，輸送的能耗也越大[1]。煤漿的溫度對(duì)煤漿的黏度影響較大，趙國(guó)華等人通過對(duì)兗州煤煤漿試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，煤漿的表觀黏度在常溫下隨溫度的升高而降低，并且近似地服從Arrhenius關(guān)系式，隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，溫度對(duì)煤漿黏度的影響越明顯[2-3]。為了確保管道輸送介質(zhì)的摩阻在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，通常需要采取一種或多種措施保證輸送介質(zhì)的溫度，例如將沿線管道埋地敷設(shè)于凍土層以下、管道保溫、對(duì)原料加溫或?qū)斔徒橘|(zhì)直接加溫等措施[4]。

對(duì)棒磨煤機(jī)煤漿產(chǎn)品的溫度進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)有利于設(shè)計(jì)過程中更為準(zhǔn)確地選取相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，更好地利用煤漿自身的能量，合理選擇保證輸送介質(zhì)溫度的具體措施，對(duì)節(jié)能減排起到積極作用。

1 ?煤漿產(chǎn)品溫度分析

1.1 ?磨煤過程做功和能量轉(zhuǎn)化[5]

磨礦過程實(shí)質(zhì)是功能轉(zhuǎn)變過程。磨煤機(jī)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置帶動(dòng)磨煤機(jī)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。筒體再帶動(dòng)筒體內(nèi)的介質(zhì)和物料運(yùn)動(dòng)，通過它們之間的相互作用，礦石被破碎，機(jī)械能主要轉(zhuǎn)變成礦石的變形能、表面能，最終大部分能量都轉(zhuǎn)化為熱能從而導(dǎo)致物料的溫度上升。采用大型棒磨煤機(jī)濕法工藝磨煤的功能轉(zhuǎn)換原理也是如此。

磨礦過程中輸入電動(dòng)機(jī)的電能主要消耗在以下幾個(gè)方面。

1）電動(dòng)機(jī)本身的損失：與電機(jī)本身的制造質(zhì)量及效率有關(guān)。

2）機(jī)械摩擦損失：主要是指克服構(gòu)件摩擦使筒體旋轉(zhuǎn)所消耗的功率，該損失與磨煤機(jī)的傳動(dòng)方式、構(gòu)造、運(yùn)行轉(zhuǎn)速以及潤(rùn)滑情況等因素有關(guān)。

3）有用功率：磨礦作用所消耗的功率，其大小主要與磨礦介質(zhì)的重量和運(yùn)行轉(zhuǎn)速有關(guān)，這部分能力最終主要轉(zhuǎn)變成熱能。

1.2 ?磨煤過程煤漿產(chǎn)品熱量傳遞分析

磨煤過程熱量傳遞的主要對(duì)象是原料煤、工藝水、設(shè)備本體以及周圍環(huán)境空氣等。其中原料煤和工藝水的能量變化較大，是最主要的熱量傳遞對(duì)象。除了原料煤和工藝水以外，磨煤機(jī)設(shè)備本體、周圍環(huán)境空氣等也會(huì)發(fā)生熱量交換，但正常生產(chǎn)條件下能量變化較小，所以忽略不計(jì)。

原料煤中本身含有水分，根據(jù)賦存狀態(tài)不同，還可以進(jìn)一步細(xì)分為內(nèi)在水分和外在水分，在此一并統(tǒng)稱為“煤中含水”，這部分水在熱量傳遞過程中與普通工藝水的性能基本一致。為便于分析，將煤漿制備的主要原料分為干基煤、煤中含水、工藝水這三部分組成。

具體到某一實(shí)際磨煤工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)工藝變量主要是加棒（球）量、原料煤和工藝水的處理量、溫度，其余基本不變。

加棒（球）量直接影響設(shè)備運(yùn)行電流的大小，是影響磨煤機(jī)做功的主要因素。原料煤和工藝水等物料處理量的變化對(duì)磨煤機(jī)做功則影響較小，這是因?yàn)闊o(wú)論物料處理量如何變化，溢流式筒體內(nèi)液面基本保持不變，而且該部分的變化量相對(duì)于筒體內(nèi)幾百噸的鋼棒（球）和筒體重量來(lái)說微乎其微。因此，對(duì)于相同磨煤機(jī)，加棒（球）量也相同時(shí)，輸入的有用功率基本相同。

原料煤和工藝水的處理量、溫度則對(duì)煤漿產(chǎn)品的溫度影響較大。從公式（4）分析，在其他因素不變的情況下，原料煤或工藝水處理量越大，煤漿產(chǎn)品的溫度越低;原料煤或工藝水溫度越高，煤漿產(chǎn)品的溫度越高。由于工藝水的比熱容為原料煤的2倍，工藝水的處理量和溫度對(duì)煤漿產(chǎn)品的溫度影響較大。

2 ?煤漿產(chǎn)品溫度試驗(yàn)

2.1 ?試驗(yàn)過程

試驗(yàn)在我國(guó)第一條長(zhǎng)距離輸煤管道——陜西某管道輸煤項(xiàng)目的管道首端制漿系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行。該制漿系統(tǒng)設(shè)有8條磨煤生產(chǎn)線，7用1備，設(shè)計(jì)煤漿生產(chǎn)能力16.00 Mt·a-1，是目前國(guó)內(nèi)最大的煤漿制備系統(tǒng)。磨煤機(jī)采用國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的MBS4360型棒磨機(jī)，筒體直徑4 300 mm，筒體長(zhǎng)度6 000 mm。該設(shè)備配套YKK740-8型電動(dòng)機(jī)，額定功率1 600 kW，電壓6 000 V，頻率50 Hz，額定電流190.2 A，F(xiàn)級(jí)絕緣，轉(zhuǎn)速745 r·min-1，功率因素cos￠為0.85，效率95.2%，正常工況下加棒量135 t。

試驗(yàn)采用陜北某煤礦洗混煤作為原料煤，試驗(yàn)原料煤煤質(zhì)分析見表1。

工藝流程：粒度50 mm以下的原料煤由煤礦選煤廠經(jīng)帶式輸送機(jī)輸送至儲(chǔ)煤倉(cāng)，再由帶式輸送機(jī)提升至破碎車間，經(jīng)破碎機(jī)破碎至6 mm以下后送入磨煤緩沖倉(cāng)，緩沖倉(cāng)下設(shè)定量給料機(jī)向磨煤機(jī)定量供料。以地下巖溶水作為工藝水。從水源地抽采后的工藝水經(jīng)半地下蓄水池臨時(shí)儲(chǔ)存后按流量控制泵送至磨煤機(jī)內(nèi)，與原料煤一起經(jīng)過鋼棒研磨作用生產(chǎn)出符合質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒度指標(biāo)要求的煤漿產(chǎn)品。其中磨煤緩沖倉(cāng)建于制漿車間廠房室內(nèi)，半地下蓄水池為室外封閉建筑。制漿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程圖見圖1。

各物料溫度測(cè)試點(diǎn)設(shè)置：原料煤溫度測(cè)試點(diǎn)位于定量給料機(jī)輸送皮帶尾部，工藝水溫度測(cè)試點(diǎn)位于磨煤機(jī)入料端給水管口，煤漿產(chǎn)品溫度測(cè)試點(diǎn)位于棒磨機(jī)出口滾筒篩溢流堰處。采用GM700手持式測(cè)溫儀測(cè)試，測(cè)量范圍223.15～973.15 K，精度±1.5%。

試驗(yàn)期間當(dāng)?shù)貧鉁刈罡邽?00.2 K，最低為286.2 K?？紤]到原料煤和工藝水的溫度變化，試驗(yàn)在白天的不同時(shí)間段進(jìn)行，見表2。

2.2 ?試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)上述不同時(shí)間的煤漿產(chǎn)品進(jìn)行溫度測(cè)試，與采用式（5）預(yù)測(cè)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，如表3所示。最大偏差不大于0.5 K，在工業(yè)生產(chǎn)中屬于可接受誤差范圍。

從磨煤過程溫升方面分析（見表4），相對(duì)于煤漿產(chǎn)品的溫度，原料煤的溫升為負(fù)值，即溫度有所降低，是小幅度放熱過程;工藝水的溫升最大，吸收的熱量最多;入料綜合溫升（是指由原料煤和工藝水混合成的綜合入料溫度與煤漿產(chǎn)品溫度差值）介于二者之間，說明原料煤和工藝水混合后物料的溫度整體升高。以上分析結(jié)果說明磨煤機(jī)做功傳熱主要被工藝水吸收。當(dāng)然，這是因?yàn)樵囼?yàn)所用原料煤溫度比工藝水溫度高所致。

從實(shí)際生產(chǎn)方面分析，原料煤儲(chǔ)存在大型高架煤倉(cāng)內(nèi)，由于本身會(huì)釋放熱量導(dǎo)致溫度較高（儲(chǔ)存過程中蓄熱過多時(shí)甚至有自燃的危險(xiǎn)），儲(chǔ)存在半地下蓄水池的工藝水的溫度往往偏低[6]。因此，在陜西某管道輸煤項(xiàng)目（運(yùn)煤量10.00 Mt·a-1、運(yùn)距 ? ?735 km）中，為應(yīng)對(duì)陜北地區(qū)高寒氣候條件，除了采取將沿線長(zhǎng)距離管道敷設(shè)于凍土層以下的措施外，還在管道首端制漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將工藝水加溫來(lái)進(jìn)一步提高煤漿產(chǎn)品溫度，通過以上分析證明，該方法是合理的。

2.3 ?不同類型的煤漿產(chǎn)品溫度預(yù)測(cè)

采用磨煤機(jī)可以制備出普通質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤漿和高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿，普通質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤漿主要用于長(zhǎng)距離管道輸送，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿根據(jù)用戶的不同又可分為燃料水煤漿和氣化水煤漿，分別作為鍋爐的燃料和煤氣化的原料。3種煤漿產(chǎn)品基本特性見表5[7]。與普通質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤漿相比，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿的流變特性對(duì)溫度更為敏感，溫度低于某臨界值時(shí)會(huì)導(dǎo)致黏度驟然增大，影響水煤漿的輸送和噴燒。在制備的原料方面，普通質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤漿主要是原料煤和工藝水組成，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿除了原料煤和工藝水以外，還包括1%左右的添加劑。目前工業(yè)應(yīng)用較為廣泛的添加劑成分是木質(zhì)素磺酸鹽，鑒于其添加比例小，計(jì)算比熱容時(shí)可視同原料煤處理[8]。

高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿質(zhì)量濃度高，相應(yīng)的含水比例低，平均粒徑小，磨煤機(jī)的生產(chǎn)能力低，相應(yīng)的原料煤和工藝水的處理量小。因此，可以預(yù)計(jì)，經(jīng)過磨煤機(jī)磨制的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿產(chǎn)品溫升比普通質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤漿的溫升更高（初步預(yù)計(jì)溫升大于15 K），準(zhǔn)確預(yù)測(cè)該水煤漿產(chǎn)品溫度對(duì)工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行同樣具有重要的指導(dǎo)意義。

由于本次實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)屬于長(zhǎng)距離煤漿管道輸送工程，主要用于普通質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤漿制備，未設(shè)置添加藥劑系統(tǒng)，無(wú)法開展高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿制備試驗(yàn)。該試驗(yàn)可在煤化工行業(yè)的氣化水煤漿制備裝置系統(tǒng)或電力行業(yè)的燃料水煤漿制備裝置系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，本文的試驗(yàn)過程和預(yù)測(cè)計(jì)算分析方法仍然可以采用[9]。

3 ?結(jié) 論

1）通過對(duì)磨煤機(jī)磨煤過程做功傳熱過程分析，得出預(yù)測(cè)煤漿產(chǎn)品溫度的計(jì)算公式，經(jīng)采用MBS4360型磨煤機(jī)制備普通質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤漿試驗(yàn)，結(jié)果證明，煤漿產(chǎn)品溫度的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差小于 ? 0.5 K。

2）通過分析發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中，磨煤機(jī)做功傳熱主要用于工藝水的溫升，據(jù)此判斷采用工藝水加溫的方法是合理的，這在我國(guó)第一條長(zhǎng)距離輸煤管道——陜西某管道輸煤項(xiàng)目中已經(jīng)得到了實(shí)踐應(yīng)用。

3）該試驗(yàn)過程和預(yù)測(cè)計(jì)算分析方法在磨煤機(jī)制備高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)踐中同樣具有借鑒意義。

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