球磨机出料热能的高效回收装置＊

邱 楠，韩嘉诚

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

1 项目背景

粉体工程是对粉体及其制备、加工、处理和应用的一门新兴学科。2010 年以来，中国的粉体工业发展迅速，产值占到中国第一、二产业的产值总和的50%以上，在整个国民经济中具有十分重要的战略地位[1]。球磨机作为粉体加工设备，在处理矿石、电力、冶炼等领域应用广泛。现阶段辊压机和球磨机所组成的粉磨系统市场占有率已达68%，而含球磨机系统高达80%[2]。

据统计[3]，全世界用于粉磨作业消耗的电能占到了全世界总耗电量3%～4%，但实际中粉碎物料的电能利用率仅为2%～7%，其中绝大部分能量以热量的形式耗散掉了。球磨机出料常常拥有较高的温度，原因有研磨体与衬板之间的冲击和摩擦产生的大量热量、物料细度要求过细而导致散热变差、球磨机通风不够好或入磨物料温度过高等等。本项目设计了一种能够回收球磨机出料热量的装置，在不影响球磨机的工作的情况下获得大量可以利用的热源。

2 项目设计方案

2.1 总体方案设计

根据功能，本项目的设计要求为：①采用合理的处理方案，让装置可以在尽量不影响球磨机工作的前提下，对球磨机出料热能进行回收；②设计合理的换热转移模块，使装置能够在获取足够的热量之后再应用在其他场景；③优化实现方案，降低工作人员的操作烦琐性，提高工作人员使用的舒适度。

基于以上要求，本项目设计的对球磨机出料热能的回收利用装置如图1 所示。该装置包含4 大功能模块，分别为热能回收模块、热能存储模块、水温检测控制模块和热能转移使用模块。

图1 装置整体及各模块分布示意图

整体安装在球磨机的出料口（球磨机出料口支撑装置、保温覆盖膜以及管道加强筋紧固部分图中并未给出），研磨产物流出时经过装置达到换热回收热量的目的。装置应用场景示意图如图2 所示。

图2 装置应用场景示意图

2.2 热能回收模块

热能回收模块主要由换热管道与循环管道构成，整体材料采用304 不锈钢，管道外部均采用聚氨酯硬泡喷涂的保温管道，研究表明[4]，此材料具有良好的保温和防水密封功效。管道剖面如图3 所示。

图3 管道剖面图

2.2.1 换热管道

换热壁面采用圆筒结构。现有的球磨机绝大多数出料口为圆形，因此本装置为了普适性[5]，采用圆筒状换热结构，全方位回收球磨机出料余热。

2.2.2 循环管道

换热管道整体为如图4 所示的特殊结构，内部充满水进行循环换热。外侧循环管道与换热管道的同心筒形管道相切，保证了液体形成对流现象产生自循环的流畅。水流通过进水口来到管道内，经过换热管道时温度升高，密度减小，有向上运动的趋势，因中间管道开始时处于进水状态，温度高的水流从两边向上运动，再经由中间管道回到下半部分，停止进水后，形成的自然对流仍可继续，辅助加热管道内的水。

图4 管道截面图

管道顶端为进水口，可进行投放相变蓄热球和充水。上部中心管道内有气垫作为软性阻力机构，以此来减缓相变蓄热球体下落时的冲击力，减少对管道内部的破坏。气垫示意图如图5 所示。管道底端为排水口和排球口，出口处有一挑球装置即防卡死装置，如图6 所示，与装置内壳铰连接，外手柄的转动将改变换热管道内部蓄热球的静止位置，防止在出球过程中出现两球相碰恰好堵住出口的现象。

图5 气垫示意图

图6 底部结构图

2.3 热能储存模块

热能储存模块主要采用相变蓄热球储热。相变蓄热球表面为不锈钢，内部封装PCM（相变材料）[6]。通过查阅现有可选相变材料及其热物性参数[7]，选用石蜡（添加膨胀石墨）为相变材料。其熔点较高，能在相变释放热量过程中能将水温提升至40 ℃左右，可供于洗澡用的热水以及寒冷天气的取暖。不仅如此，其溶解热较多，导热系数较高，密度较低且变化量不大。以上热物性均能保证热量释放较多，释放热量较快，能增强能量的可利用性。

相变蓄热球采用2 种规格，球径分别为100 mm和160 mm。采用小直径的蓄热球体放热快，但是无法长久将水温维持在一定温度。采用大直径的相变蓄热球，可以长时间释放热量，但是无法快速将水温提升到所需温度。因此，本装置内的相变蓄热球投放大小2种，弥补各种规格的相变蓄热球的不足，保证实际供暖既能较为迅速，又能保温持久。

2.4 水温监测控制模块

控制电路模块嵌入在换热壁内靠近入水处，内有温敏元件，当系统检测到换热管道上方水域的温度达到所设目标值（根据产物温度，释放热量位置所需温度综合设置），则开始计时。当换热时间达到相变蓄热球完全相变的理论值时，系统输送高电平信号，触发警示灯。

2.5 热能转移使用模块

热能转移使用模块采用移动水箱来改变热水与相变蓄热球释放热量的位置。移动水箱示意图如图7 所示，其壁面材料使用聚氨酯泡沫塑料，其具有质量轻、比强度高、防水性能优秀、保温性能极佳的优良特性。箱体上方有一四棱台形的进水口及进球口，表面有聚氨酯内充气的气垫用于缓冲从换热模块出口落下的相变蓄热球。移动水箱用于容纳相变蓄热球和换热模块内的热水。箱体上部为带有密封橡胶圈的柜门，保证装置的密封性。箱体下部有可锁定的移动装置，方便运输、接收热水和相变蓄热球[8]。

图7 移动水箱示意图

2.6 装置工作流程

如图8 所示，装置的具体工作流程为：首先球磨机正常运作，产物自然流出。装置内流水自动与碾磨后产物进行换热并在换热模块内部产生对流现象。与此同时，相变蓄热球吸热。控制电路实时检测换热管道上部的水温，若是达到设定的理论值便开始计时。当暂存时间达到设定周期时，触发指示灯，提醒工作人员打开换热管道下部的出口获得相变蓄热球以及高温热水。

图8 工作流程示意图

3 项目的研究基础和可行性分析

3.1 研究基础

有文献指出[9]，对于使用钢珠作为碾磨介质的球磨机，在其碾磨过程中，球磨机内钢珠自身的机械能一部分转化为破碎矿石的有用功，还有很大一部分转化成了热能和噪声。湿式球磨机热量耗散现象更为明显，其出口的气流温度较高。而大型球磨机的功率较高，型号规格为Φ900 mm×1 800 mm 的球磨机消耗功率为18.5 kW。若能部分利用如此庞大的热能，则装置的收益性较强。

设使用的物料为水泥，根据相关要求[10]，出料的水泥温度不宜超过110 ℃，否则会对球磨机和水泥自身的品质产生影响。因此设水泥的出料温度为80 ℃。由导热傅里叶定律可得：

式（1）中：Φ为热通量，W；λ为导热系数，表征材料导热性能优劣的热物性参数，W/（m·K）；A为接触面积，m2；ΔT为换热表面上下面温度差，K；δ为换热表面厚度，m。

通过查询可得，304 不锈钢的导热系数为15W（/m·K）。根据以上的球磨机规格可估算得本装置换热的接触面积为0.212 m2，δ取0.01 m。从而可以算与20 ℃的介质进行换热时，其热通量Φ可达到19.08 kW。可见装置可回收的热量较多，球磨机又有较佳的能量回收必要性，且市面上并没有回收球磨机的余热的装置，本装置的独创性较强。

3.2 可行性分析

3.2.1 相变蓄热时间分析

以规格为Φ900 mm×1 800 mm 的球磨机为例，本装置换热管道内的蓄水量约为5.18 m3。根据公式可得理论加热水时间t0为：

式（2）中：C为比热容，J/（kg·K）；ρ为密度，kg/m3；V为体积，m3；ΔT为温度差，K。

将水的物理参数代入计算，假定常温水为20 ℃。则可得理论加热水时间t0为7.6 h。由于换热管道内部存在着对流现象，实际加热时间将会极小于理论加热水时间。由上述可知，石蜡（添加膨胀石墨）的导热系数较高，在理论时间内足以接近完全相变并且自身温度与水温相等。而工厂内球磨机的工作时间近乎为全天候运作，1 d 内便能加热至少3 个周期的量的相变蓄热球。

3.2.2 放热可行性分析

不同直径相变蓄热球的出口水温-时间如表1 所示。实验表明，采用直径100 mm 的相变蓄热球由于其小直径，放热效率高，浸泡于流速为0.15 m/s 的水流中，将水温提升至40 ℃仅需31.23 min，但其保温持续时间仅为4.73 h。而直径160 mm 的相变蓄热球，放热效率低，但其保温持续时间能达到8.33 h。因此分析可得，将上述获得球磨机产物大量余热的相变蓄热球释放出的热量可供长时间作为地板下取暖水管内的循环水使用。人体适宜洗澡水温度为34～36 ℃，而本装置中的相变蓄热球能够实现此温度，可见本装置具有放热可行性。

表1 不同直径相变蓄热球的出口水温-时间表[11]

4 项目创新点

4.1 结构创新

采用类三颈结构的换热管道，根据水温度及密度的变化在管道内实现液体的自然对流达到循环效果。结合相变蓄热球的使用，通过将不同规格的相变蓄热球混搭，弥补各自规格的缺陷，实现更好的放热效果。通过移动水箱的设计，实现回收热能在不同地点的灵活释放使用。

4.2 功能创新

利用对流换热，实现了对球磨机出料携带废热的高效回收，利用相变蓄热技术，通过蓄热球内相变材料转变物理性质的过程吸收大量热量，实现了对回收热能的有效存储，并通过移动水箱将回收储存的热能转移到其他地方使用。

4.3 应用创新

该装置不仅可以用于球磨机出料的高热回收利用，还可进一步拓展应用于其他有相似结构的器械废热的回收利用，如水泥回转窑余热回收等。

5 应用前景

本装置设计了一种使用相变蓄热技术的球磨机出料的余热回收装置。目前中国科学技术迅速发展，随之而来的是对能源的大量需求，因此怎样更好地提高能量利用率成了新的时代话题。现有的球磨机运行效率极低，存在大量的能源浪费，热气多，导致工厂温度上升等问题。基于本装置能够有效转移球磨机出料余热的特点，在未来将更为重视能源利用率的社会环境下，本装置会在工业相关领域得到广泛的应用，并提供大量可用于取暖和洗澡的热源。此外，本装置拓展使用领域广泛，符合国家相关的扶持政策，具有良好的应用前景。