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《中国矿业大学》 2016年
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基于能量特征参数的燃煤电厂中速磨煤机碎磨动力学基础研究

谢卫宁  
【摘要】:我国能源结构呈现“富煤贫油”的特点,2015年煤炭在能源消费中的比重达到64.4%,其在利用中产生的高耗能与环境问题受到广泛关注。我国煤炭消费总量的65%用于发电。燃煤不仅产生可吸入颗粒物和污染性气体,而且其研磨能耗和厂自用电率均较高,这使燃煤电厂实现节能减排的目标面临着巨大挑战。鉴于此,本文选取燃煤电厂广泛采用的中速磨煤机为研究对象,采用实验室模拟研究与工业采样实践相结合的方法,考察煤炭在中速磨煤机内的破碎及能耗特性,对比分析不同类型中速磨煤机的运行效率,研究各类混合破碎中不同组分破碎行为,建立包含物料性质的能量—粒度减小模型,并提出计算各相能量分配因子的方法,深入剖析原煤性质及循环负荷中矿物质去除的能量响应机制。论文主要研究结论如下:采用模拟研究的方法规避工业型中速磨煤机内高温高压封闭环境对颗粒破碎直接研究的限制,借助加装功率测量仪的哈氏可磨仪及自制辊磨装置分别研究颗粒在E型和MPS型中速磨煤机内的破碎行为。重复性破碎试验表明窄粒级物料间较小的矿物学性质差异使破碎试验误差小,重复性高,确保了后续研究的准确性。闭路破碎试验中,累积在磨盘上的新生细颗粒所产生的缓冲效应及随时间延长而逐渐降低的破碎能量的综合作用导致初始粒级物料破碎的动力学由线性转为非线性;在利用经典能量—粒度减小模型描述固定参数窄粒级物料破碎的基础上,将颗粒粒度嵌入破碎模型中实现对多粒级、变参数破碎的准确表征。基于中速磨煤机内物料性质多元化的破碎环境,设计了多种混合破碎试验并分析各相在混合及单独破碎中能耗特性的差异。同粒级多相混合破碎中各相破碎符合一级动力学模型;对比单独破碎,混合料层中不同硬度各相的相互影响导致破碎速率改变。建立包含混合物质量加权莫氏硬度的破碎模型,并将混合破碎中各相的影响体现在破碎能量中,分别计算混合破碎中超纯煤、黄铁矿和方解石的能量分配因子。多粒级混合破碎试验显示:建立在多组窄粒级物料破碎试验基础上,包含颗粒参量的破碎模型可描述超纯煤和炼焦中煤多粒级混合破碎中的能量—粒度减小过程;同时基于破碎产物在t10所对应的特征粒度附近的累积产率与粒度呈线性关系的假设,利用前述模型分析多粒级混合破碎中的能量分配问题。粗细颗粒混合试验则表明:加入到床层中的细粉占据粗颗粒与研磨介质以及粗颗粒间的空隙,导致床层摩擦系数减小,进而降低输入能量和粗颗粒破碎速率,减少-0.074mm煤粉生成量。原煤粒度和灰分的差异致使多组窄粒级物料破碎的单位输入能量和煤粉细度t10离散性分布。在分析颗粒破碎对粒度和灰分响应权重的基础上,建立了包含粒度和灰分参量的破碎模型,并利用该模型计算不同灰分煤样在相同破碎能量时的煤粉细度差异以及在获得相同煤粉细度时的能耗差异。基于能耗特性对粒度和灰分响应研究,试验量较大,周期偏长的劣势,采用优化试验组合的方法设计涵盖所有粒度、灰分和能量等级的简化方案,所得结论与原模型匹配度高。循环物料控制的能量效应以减少循环物料灰分和硫分,降低循环倍率为切入点,模拟研究其对粗颗粒破碎产物粒度分布、煤粉细度以及能量效率的影响。结果显示控制循环负荷性质可降低粗颗粒抵抗破碎能力,提高能量效率以及细颗粒生成量。为验证实验室规模不同类型磨机能效对比及研磨能耗对颗粒性质的响应研究,分别开展E型和MPS型中速磨煤机工业采样试验。结果显示:E型磨较多的研磨介质使一次热风需克服较高通风阻力以完成颗粒的运输和分级,风机功耗偏大,最终导致E型磨的运行效率较MPS型磨机低。建立在自制辊磨机试验基础上的破碎模型及其拟合参数可描述原煤在两类模拟设备中的破碎,表明两者具有相同的破碎能量效率;但设备结构的差异致使相同时间颗粒在哈氏可磨仪的破碎次数为自制辊磨机的1.3倍。在模拟试验和采样结果基础上,建立直接联系单位破碎能量及产品细度tn的数学模型。对比表明:在磨机入料粒度相似的前提下,当煤粉细度t80为40%时,MPS型磨机所消耗能量(5.25 k W.h.t-1)为E型磨(12.84k W.h.t-1)的41%;当单位破碎能量为10k W.h.t-1时,MPS型磨所磨制煤粉的t80(50.17%)为E型磨(39.60%)的1.27倍。对连续运转的中速磨煤机而言,原煤灰分的波动导致磨机循环倍率改变,进而影响单位研磨能耗。工业采样表明:当原煤灰分由51%降低至35%时,能量消耗将降低14%。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM621

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