磨煤机煤浆产品温度试验及预测研究

摘      要：通过对磨煤机磨煤过程中做功传热过程分析，得出预测煤浆产品温度的计算公式，经采用MBS4360型磨煤机制备普通煤浆试验，结果证明煤浆产品温度的预测值与实测值相差小于0.5 K。通过分析发现，磨煤机做功传热主要用于工艺水的温升，据此判断采用工艺水加温的方法是合理的，这在我国第一条长距离输煤管道——陕西某管道输煤项目中已经得到了实践应用。该试验过程和预测计算分析方法在磨煤机制备高质量分数水煤浆产品生产实践中同样具有借鉴意义。

关  键  词：磨煤机;煤浆产品;温度试验;预测

中图分类号：TQ536         文献标识码： A        文章编号： 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

煤浆的流变特性是管道输送工程应用中的关键参数，黏度是表征流变特性的主要指标。黏度越高，管道输送的摩阻越大，需要提供的动力越大，输送的能耗也越大[1]。煤浆的温度对煤浆的黏度影响较大，赵国华等人通过对兖州煤煤浆试验研究发现，煤浆的表观黏度在常温下随温度的升高而降低，并且近似地服从Arrhenius关系式，随质量分数的增加，温度对煤浆黏度的影响越明显[2-3]。为了确保管道输送介质的摩阻在设计范围内，通常需要采取一种或多种措施保证输送介质的温度，例如将沿线管道埋地敷设于冻土层以下、管道保温、对原料加温或对输送介质直接加温等措施[4]。

对棒磨煤机煤浆产品的温度进行分析及预测有利于设计过程中更为准确地选取相关设计参数，更好地利用煤浆自身的能量，合理选择保证输送介质温度的具体措施，对节能减排起到积极作用。

1  煤浆产品温度分析

1.1  磨煤过程做功和能量转化[5]

磨矿过程实质是功能转变过程。磨煤机电机带动传动装置，传动装置带动磨煤机筒体转动，将电能转化为机械能。筒体再带动筒体内的介质和物料运动，通过它们之间的相互作用，矿石被破碎，机械能主要转变成矿石的变形能、表面能，最终大部分能量都转化为热能从而导致物料的温度上升。采用大型棒磨煤机湿法工艺磨煤的功能转换原理也是如此。

磨矿过程中输入电动机的电能主要消耗在以下幾个方面。

1）电动机本身的损失：与电机本身的制造质量及效率有关。

2）机械摩擦损失：主要是指克服构件摩擦使筒体旋转所消耗的功率，该损失与磨煤机的传动方式、构造、运行转速以及润滑情况等因素有关。

3）有用功率：磨矿作用所消耗的功率，其大小主要与磨矿介质的重量和运行转速有关，这部分能力最终主要转变成热能。

1.2  磨煤过程煤浆产品热量传递分析

磨煤过程热量传递的主要对象是原料煤、工艺水、设备本体以及周围环境空气等。其中原料煤和工艺水的能量变化较大，是最主要的热量传递对象。除了原料煤和工艺水以外，磨煤机设备本体、周围环境空气等也会发生热量交换，但正常生产条件下能量变化较小，所以忽略不计。

原料煤中本身含有水分，根据赋存状态不同，还可以进一步细分为内在水分和外在水分，在此一并统称为“煤中含水”，这部分水在热量传递过程中与普通工艺水的性能基本一致。为便于分析，将煤浆制备的主要原料分为干基煤、煤中含水、工艺水这三部分组成。

具体到某一实际磨煤工业生产中，生产工艺变量主要是加棒（球）量、原料煤和工艺水的处理量、温度，其余基本不变。

加棒（球）量直接影响设备运行电流的大小，是影响磨煤机做功的主要因素。原料煤和工艺水等物料处理量的变化对磨煤机做功则影响较小，这是因为无论物料处理量如何变化，溢流式筒体内液面基本保持不变，而且该部分的变化量相对于筒体内几百吨的钢棒（球）和筒体重量来说微乎其微。因此，对于相同磨煤机，加棒（球）量也相同时，输入的有用功率基本相同。

原料煤和工艺水的处理量、温度则对煤浆产品的温度影响较大。从公式（4）分析，在其他因素不变的情况下，原料煤或工艺水处理量越大，煤浆产品的温度越低;原料煤或工艺水温度越高，煤浆产品的温度越高。由于工艺水的比热容为原料煤的2倍，工艺水的处理量和温度对煤浆产品的温度影响较大。

2  煤浆产品温度试验

2.1  试验过程

试验在我国第一条长距离输煤管道——陕西某管道输煤项目的管道首端制浆系统内进行。该制浆系统设有8条磨煤生产线，7用1备，设计煤浆生产能力16.00 Mt·a-1，是目前国内最大的煤浆制备系统。磨煤机采用国内某厂生产的MBS4360型棒磨机，筒体直径4 300 mm，筒体长度6 000 mm。该设备配套YKK740-8型电动机，额定功率1 600 kW，电压6 000 V，频率50 Hz，额定电流190.2 A，F级绝缘，转速745 r·min-1，功率因素cos￠为0.85，效率95.2%，正常工况下加棒量135 t。

试验采用陕北某煤矿洗混煤作为原料煤，试验原料煤煤质分析见表1。

工艺流程：粒度50 mm以下的原料煤由煤矿选煤厂经带式输送机输送至储煤仓，再由带式输送机提升至破碎车间，经破碎机破碎至6 mm以下后送入磨煤缓冲仓，缓冲仓下设定量给料机向磨煤机定量供料。以地下岩溶水作为工艺水。从水源地抽采后的工艺水经半地下蓄水池临时储存后按流量控制泵送至磨煤机内，与原料煤一起经过钢棒研磨作用生产出符合质量分数和粒度指标要求的煤浆产品。其中磨煤缓冲仓建于制浆车间厂房室内，半地下蓄水池为室外封闭建筑。制浆实验系统工艺流程图见图1。

各物料温度测试点设置：原料煤温度测试点位于定量给料机输送皮带尾部，工艺水温度测试点位于磨煤机入料端给水管口，煤浆产品温度测试点位于棒磨机出口滚筒筛溢流堰处。采用GM700手持式测温仪测试，测量范围223.15～973.15 K，精度±1.5%。

试验期间当地气温最高为300.2 K，最低为286.2 K。考虑到原料煤和工艺水的温度变化，试验在白天的不同时间段进行，见表2。

2.2  试验结果及分析

对上述不同时间的煤浆产品进行温度测试，与采用式（5）预测计算的结果进行比较，如表3所示。最大偏差不大于0.5 K，在工业生产中属于可接受误差范围。

从磨煤过程温升方面分析（见表4），相对于煤浆产品的温度，原料煤的温升为负值，即温度有所降低，是小幅度放热过程;工艺水的温升最大，吸收的热量最多;入料综合温升（是指由原料煤和工艺水混合成的综合入料温度与煤浆产品温度差值）介于二者之间，说明原料煤和工艺水混合后物料的温度整体升高。以上分析结果说明磨煤机做功传热主要被工艺水吸收。当然，这是因为试验所用原料煤温度比工艺水温度高所致。

从实际生产方面分析，原料煤储存在大型高架煤仓内，由于本身会释放热量导致温度较高（储存过程中蓄热过多时甚至有自燃的危险），储存在半地下蓄水池的工艺水的温度往往偏低[6]。因此，在陕西某管道输煤项目（运煤量10.00 Mt·a-1、运距    735 km）中，为应对陕北地区高寒气候条件，除了采取将沿线长距离管道敷设于冻土层以下的措施外，还在管道首端制浆系统设计中将工艺水加温来进一步提高煤浆产品温度，通过以上分析证明，该方法是合理的。

2.3  不同类型的煤浆产品温度预测

采用磨煤机可以制备出普通质量分数煤浆和高质量分数水煤浆，普通质量分数煤浆主要用于长距离管道输送，高质量分数水煤浆根据用户的不同又可分为燃料水煤浆和气化水煤浆，分别作为锅炉的燃料和煤气化的原料。3种煤浆产品基本特性见表5[7]。与普通质量分数煤浆相比，高质量分数水煤浆的流变特性对温度更为敏感，温度低于某临界值时会导致黏度骤然增大，影响水煤浆的输送和喷烧。在制备的原料方面，普通质量分数煤浆主要是原料煤和工艺水组成，高质量分数水煤浆除了原料煤和工艺水以外，还包括1%左右的添加剂。目前工业应用较为广泛的添加剂成分是木质素磺酸盐，鉴于其添加比例小，计算比热容时可视同原料煤处理[8]。

高质量分数水煤浆质量浓度高，相应的含水比例低，平均粒径小，磨煤机的生产能力低，相应的原料煤和工艺水的处理量小。因此，可以预计，经过磨煤机磨制的高质量分数水煤浆产品温升比普通质量分数煤浆的温升更高（初步预计温升大于15 K），准确预测该水煤浆产品温度对工艺设计、生产运行同样具有重要的指导意义。

由于本次实验装置系统属于长距离煤浆管道输送工程，主要用于普通质量分数煤浆制备，未设置添加药剂系统，无法开展高质量分数水煤浆制备试验。该试验可在煤化工行业的气化水煤浆制备装置系统或电力行业的燃料水煤浆制备装置系统内进行，本文的试验过程和预测计算分析方法仍然可以采用[9]。

3  结 论

1）通过对磨煤机磨煤过程做功传热过程分析，得出预测煤浆产品温度的计算公式，经采用MBS4360型磨煤机制备普通质量分数煤浆试验，结果证明，煤浆产品温度的预测值与实测值相差小于   0.5 K。

2）通过分析发现，在生产实践中，磨煤机做功传热主要用于工艺水的温升，据此判断采用工艺水加温的方法是合理的，这在我国第一条长距离输煤管道——陕西某管道输煤项目中已经得到了实践应用。

3）该试验过程和预测计算分析方法在磨煤机制备高质量分数水煤浆产品生产實践中同样具有借鉴意义。

参考文献：

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[3] 但盼，邱学青，周明松.温度及剪切时间对水煤浆表观黏度及流变性影响[J].煤炭科学技术，2008（6）：108-111.

[4] 韩秀丽，田万军.降低稠油管道输送温度的工艺技术[J].化学工程与装备，2011（4）：64-66.

[5] 段希祥，肖庆飞.碎矿与磨矿[M].北京：冶金工业出版社，2013.

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[9] 李健，陈鲁园，闫龙，等. GE水煤浆气化技术现状和应用前景[J]. 当代化工，2014，43（11）：2374-2376.