张志宇：HRM煤粉立式磨的特点及应用

合肥中亚建材装备有限责任公司总工程师张志宇

      5 月21日在南京召开的2011第四届国际粉磨峰会上，合肥中亚建材装备有限责任公司总工程师张志宇作“HRM煤粉立式磨的特点及应用”主题报告，以下为报告内容。

　　一、概述

　　立式磨亦称辊式磨、中速磨，从发明至今已有半个多世纪的历史，随着材料科学、液压技术的发展和设计、加工的不断创新，使立式磨研磨体的耐磨性能得到显着改善和提高，液压系统更加先进可靠。磨辊辊套和磨盘衬板的结构形式不断改进、磨盘转速对应不同产品细度使其粉磨效率进一步提高，从而使立式磨的开发和应用得到进一步拓展。

　　合肥水泥研究设计院早在八十年代初就着手HRM型立式磨的研究工作,它是在广范收集国内外各种立式磨资料的基础上，吸收国外的先进技术，结合我国水泥工业特点而设计的一种新型节能粉磨设备。它既具有能将磨辊翻出机外、检修方便的优点，又具有辊套可翻面使用、寿命长的特点，如今合肥水泥研究设计院生产的HRM型立式磨已有1000多台用于水泥生产的生料及各行各业的煤粉制备。

　　研究表明：煤炭的哈氏可磨特性系数一般在50～90之间，适合于用立式磨粉磨。HRM型系列立式煤磨是HRM型立式磨派生系列之一。我国丰富的煤炭资源为水泥生产提供了充足的能量，在水泥行业重新认识并广泛使用该装备。我们根据不同行业、不同煤种、不同煤粉细度要求单独设计相应类煤粉立式磨，使HRM煤粉立式磨的性能更优越，获得越来越多用户的肯定。目前HRM煤粉立式磨已出口巴基斯坦、印度、泰国、阿联酋及越南等多个国家，总计有三百多台运行，其中有一百多台套不同规格的立式煤磨在水泥行业使用，效果良好，取得了巨大的经济、社会效益。

　　本文介绍HRM煤粉立式磨特点及应用，使用户在使用中充分发挥其能力，为企业节能增效。

　　二、HRM煤粉立式磨结构、性能特点和系列参数

　　2.1、HRM煤粉立式磨的结构

　　HRM煤粉立式磨是在原料立式磨长期生产实践过程中，不断总结经验，同时对国内电力及冶金、水泥等行业使用的立式煤磨进行调查研究的基础上，对设备结构进行优化设计而成的制备煤粉的专用设备（如图1），结构简介如下：

　　图 1  HRM煤粉立式磨结构图

　　2.1.1．传动装置：

　　立式磨的传动装置由主电机、联轴器、减速机三部分组成，安装在磨机下部，既要带动磨盘传动，还要承受磨盘、物料、磨辊的重量以及加压装置施加的碾磨压力，是立式磨中最重要的部件之一。

　　为了适应用户较多粉磨劣质煤货无烟煤的趋势，HRM煤粉立式磨采取了增大主减速机减速比以降低磨盘转速的措施，同时改进磨辊辊套和磨盘衬板的结构形式，使磨盘上形成稳定的料层从而增加磨辊的碾压力，提高粉磨效率，减小磨机振动的可能，生产更加平稳可靠。[Page]

　　2.1.2．磨辊装置

　　磨辊是立式磨重要的研磨部件，HRM型立式媒磨采用弧形衬板和轮胎形辊套，辊套为对称结构，在磨损到一定程度后可翻面使用，延长其使用寿命。磨辊轴承采用新型机械密封装置，既提高了密封可靠性，同时因不需要密封风机而减少了磨内含氧量，降低了磨内爆炸的可能性。

　　一般立式磨的磨辊轴承采用油脂润滑，但由于原煤水分较大，为了提高烘干能力，磨腔内气体温度一般高达100多度，操作不当易造成磨辊轴承温度过高，导致润滑脂蒸发变质影响轴承寿命。因此，HRM煤粉立式磨已采用磨辊稀油强制润滑、冷却，大大增加了轴承使用寿命（一般可提高2.5倍以上）。

　　2.1.3．加压及限位装置

　　HRM煤粉立式磨抬辊操作和限位装置可以使磨机空载启动。启动前无需在磨盘上布料，避免开机难的烦恼。此外由于磨辊和磨盘之间的间隙可调，使得既能保持稳定的料层厚度，提高粉磨效率，又能保证磨辊和磨盘不直接接触，磨机振动值大幅降低，所以HRM煤粉立式磨比其它立式磨更适应于粉磨劣质煤或无烟煤。

　　2.1.4．分离器（选粉机）

　　立式煤磨的分离器（即选粉装置）一般分静态、动态、动静态组合三种形式。静态惯性分离器，顾名思义只有固定不动的导向叶片，该机选粉效率低，调节细度功能差，往往不能满足煤粉磨制细度要求。动态分离器，是指电机带动一个高速旋转的转子，转子的叶片与粗颗粒撞击，给物料以较大的线速度，产生较大的离心力，使其进行分离，该型分离器的选粉细度可达0.08mm筛余6～12%，可满足烟煤粉磨的细度要求。

　　新型HRM煤粉立式磨则采用了最先进的动静态组合式分离器，该分离器外侧有导向叶片，中间是变频可调速的笼型转子，下部设有集料斗，有助于没有通过选粉机的不合格煤粉重新落回磨盘粉磨。该分离器分级效率高，调节余地大，选粉细度可达0.08mm筛余2%以下，可满足水泥生产线大多数劣质煤或无烟煤粉磨的细度要求。

　　2.2、HRM煤粉立式磨的性能特点

　　HRM煤粉立式磨在长期运行中，表现出如下性能特点：

　　2.2.1．粉磨效率高，粉磨能耗低。粉磨电耗与同规模产量的传统风扫球磨机相比，节电20～40％，特别在原煤水分较大的情况下，节电幅度更大。

　　2.2.2．烘干能力大。立式煤磨采用风扫式操作，通过调节入磨风温和风量，可粉磨烘干水分高达20％的原煤，特别在水泥生产线上，煤磨的烘干热源一般来自蓖冷机废气（约200℃），采用风扫球磨机烘干能力有限，而采用立式煤磨则可以用大风量来解决其高水分烘干的要求。

　　2.2.3．入磨物料粒度大，可达磨辊直径的 5％。一般用于2500t/d～6000t/d熟料生产线的煤磨，入料粒度可达50～80㎜。

　　2.2.4．粉磨可控性能好。物料在立式磨内停留时间仅0.5～2分钟，磨内的合格产品能及时分离出来，避免了过粉磨现象。产品细度可通过调节动静态分离器转子转速来控制，转速越高，细度越细，煤粉细度可达R0.08≤2%。且细度稳定，粒度均齐，有利于煤粉燃烧，非常适用于粉磨劣质煤和无烟煤。

　　2.2.5．工艺流程简单、占地面积小、建筑面积小，可露天布置。立式磨集破碎、粉磨、烘干、选粉、输送五道工序于一体，工艺简单、布局紧凑、占地面积约为球磨系统的60～70％，建筑面积约为球磨系统的50～60％。

　　2.2.6．噪音低、扬尘少，操作环境清洁。立式磨的噪音仅为80～85dB（A声级），比球磨机低20～25dB（A声级），系统在负压下工作，无粉尘飞扬，操作环境清洁。

　　2.2.7．研磨体消耗少，寿命长，运转率高。由于HRM型立式磨设置了限位装置，立式磨辊套与衬板之间不会直接接触，磨机振动幅度小，研磨体寿命长，运转率高。[Page]

　　2.3、HRM煤粉立式磨规格及技术参数

　　HRM煤粉立式磨规格及技术参数见表1。

　　注：1.原煤哈氏可磨数≥50；2. 可用于粉磨无烟煤，煤粉细度(R0.08)≤2%

　　三、立式磨煤粉制备工艺流程和系统风量计算

　　3.1、工艺流程

　　HRM煤粉立式磨系统工艺流程如图2所示。

　　图 2  立式煤磨系统工艺流程图

　　系统工艺流程简述如下：

　　原煤从原煤堆场通过格子筛网过筛后落到大倾角皮带输送机上，经电磁除铁器除铁后，皮带输送机把原煤送入原煤仓进行储存。

　　待制粉系统均已启动后，打开原煤仓底部棒阀，启动密封计量胶带给煤机，原煤进入立式煤磨进行烘干、粉磨。

　　由热风炉出来的热风或水泥生产线废气，在系统风机的抽引下，进入立式煤磨，与磨内被粉磨的原煤进行充分热交换后，带起煤粉在分离器处进行分选，细度不合格的粗煤粉重新落到磨盘上进行粉磨，合格的煤粉随气流进入防爆气箱脉冲收尘器被收集下来，经过分格轮卸入煤粉仓。

　　原煤中的杂物，如部分煤矸石、金属块等，通过风环、吐渣口排出磨外。

　　3.2系统风量计算

　　立式磨运行时，集粉磨、烘干、物料输送为一体，一定规格的磨机要达到与粉磨能力相适应的产量，必须要具有相适应的烘干和物料输送能力。热平衡分析是研究立式磨粉磨、烘干、物料输送能力平衡的方法之一，它利用系统收入的热量与支出的热量相等的原理，以粉磨能力为基础，计算出系统烘干物料需通入的热风量，然后核算系统烘干物料需通入的热风量对应的系统通风量是否能满足物料输送要求，若该系统通风量大于物料输送要求，以此作为系统通风量各参数；若该系统通风量小于物料输送要求，以物料输送需要的通风量为基础，增大系统通风量。

　　图3为立式磨系统热量收支项目图。

　　图3    立式磨系统热量收支项目图[Page]

　　a．平衡范围和基准

　　平衡范围：磨机进料口、进风口至磨机出风出料口。

　　温度基准：0℃。

　　物料基准：磨机1小时产量=G2t/h。

　　设定条件：忽略空气中带入的水汽量，不吐渣；

　　入磨物料平均水分：M1=12.0%；

　　出磨物料水分：M2=1%；

　　入磨热气体温度t1=300℃；

　　出磨废气温度t2=85℃；

　　入磨物料温度ts1=20℃；

　　出磨物料温度ts2=85℃；

　　漏风系数（占入磨热气体量的%）k=20%；

　　周围环境温度：ta=20℃；

　　吨产品磨机主电机配置功率按13.2kW计算；

　　立式磨筒体散热按研磨物料发热量的50%计算。

　　上述设定条件称为条件一。

　　b.热平衡计算

　　I.收入热量

　　①进磨机热气体热量

　　Q1=1.413×300 =423.9  kJ/h

　　式中：Q1----入磨机热气体带入热量，kJ/h；

　　---- 入磨机热气体用量，Nm3/h；

　　C1=1.413----入磨机气体的平均热容kJ/ Nm3.℃；

　　t1----入磨机热气体温度，℃。

　　②入磨机湿物料带入热量

　　入磨机湿物料量=出磨机烘干物料量+磨机蒸发水分量

　　Q2= 1000G2(0.905×0.99+4.1868×0.01)×20+1000G2×11/88×4.1868×20

　　=29223 G2 kJ /h

　　式中：G1--- 入磨机湿物料量，kg/h；

　　G2=出磨机烘干物料量，kg/h；

　　Q2---入磨机湿物料带入热量，kJ/h；

　　Cs=0.905---绝干物料热容，kJ/kg.℃；

　　CW---水的热容， kJ/kg.℃，CW =4.1868 kJ/kg.℃。

　　③、漏风带入热量

　　Q3= l冷风oC冷风o ta

　　=0.2×1.297×20

　　= 5.188

　　④、研磨物料产生热

　　Q4=3600oKoN0

　　=3600×0.7×13.2 G2

　　=33264 G2 kJ/h

　　3600--热功当量，（1kWh=3600kJ）， kJ/ kWh；

　　0.7--研磨过程中能量转变成热能的系数；

　　N0--磨机需用功率，近似看做磨机装机功率，kW。

　　∴Σ热收入= Q1+ Q2+ Q3+Q4

　　=423.9 +29223 G2+5.188 +33264 G2

　　= 429.1 +62487 G2

　　Ⅱ支出热量

　　水分及水汽带走的热量

　　ΔW=G2 (W1-W2)÷(100-W2)

　　= G2 ×1000×(12-1) ÷(100-1)

　　=111 G2 kg/h

　　Q5=ΔW(2490+1.88×t2)

　　=111 G2 (2490+1.88×85)

　　=111 G2×2649.8

　　=294128 G2 kJ/h

　　式中：Q5---蒸发水分及水汽带走的热量kJ/h；

　　2490---每kg水在0℃时变成水蒸气所需的汽化潜热，kJ/kg；

　　1.88---水蒸气由0℃升至t2时的平均热容，kJ/kg.℃；

　　t2---出磨机废气温度，℃；

　　②出磨废气带走热量

　　Q6=kCts2

　　=1.2×1.302×85

　　= 132.8

　　式中:Q6--出磨废气带走热量，（不包括蒸发物料水分所在的水蒸气），kJ/h ；

　　C=1.302--出磨气体的平均热容，kJ/Nm3.℃；

　　ts2--出磨废气温度，℃。

　　③出磨物料带走热量

　　Q7= 1000G2×(0.905×0.99+4.1868×0.01)×85

　　=79713 G2

　　式中Q7--出磨物料带走热量，kJ/h ；

　　ts2--出磨废气温度，℃。

　　④、立式磨筒体散热

　　Q8= Q4/2

　　=33264 G2/2

　　=16632 G2kCal/h

　　∴Σ热支出= Q5+ Q6+ Q7+ Q8

　　＝294128G2 +132.8 + 79713G2+16632G2

　　＝132.8 +390473G2 kCal/h[Page]

　　Ⅲ.热量平衡

　　收入热量=支出热量

　　429.1 +62487G2＝132.8 +390473G2

　　解方程式，即可求得进磨机热气体量 。

　　=1107 G2 Nm3/h

　　通过磨机出口的气体量为入磨气体量和蒸发水汽量之和，即：

　　1107G2×1.2+111G2×22.4/18=1466.5G2Nm3/h。

　　磨机排出的废气换算为工况风量则为：

　　Q=1466.5G2×(273+85)/273

　　=1923G2m3/h，即磨制每吨煤粉排出气体1923m3。

　　磨机出口煤粉浓度为：G2/ Q= G2/1923G2=0.00052t/m3，

　　即磨机出口煤粉浓度为520g/ m3。

　　设定条件一中若入磨热气体温度t1=200℃；入磨物料温度ts1=0℃；周围环境温度：ta=0℃；其余条件不变，称为条件二。此时，磨机排出的废气换算为工况风量则为：3879 G2m3/h。即磨制每吨煤粉排出废气3879m3；磨机出口煤粉浓度为：258g /m3。

　　可见，温度变化后，系统要达到烘干的目的，磨机出口煤粉浓度应由520g/ m3，降到258g /m3，必须增加系统风量。

　　设定条件一中若入磨物料平均水分：M1=6.0%；入磨热气体温度t1=200℃；入磨物料温度ts1=0℃；周围环境温度：ta=0℃；其余条件不变，称为条件三。此时，磨机排出的废气换算为工况风量则为：2151G2m3/h。即磨制每吨煤粉排出废气2151m3；磨机出口煤粉浓度为：465g/ m3。

　　立磨输送物料是以风力输送的，立式磨内气体流动的状态为湍流，其筒体截面风速必须大于颗粒物的自由沉降速度。对于单颗粒物料，在湍流区颗粒物自由沉降速度与颗粒物粒径的平方根成反比，与颗粒物和流体密度差的平方根成反比，即输送的物料粒度大，筒体截面风速就应该高；输送的物料密度低，筒体截面风速就应该低。对于多颗粒物料沉降，立式磨输送的物料最大粒度应该是物料经过第一次辊压后的最大粒度，以此来确定筒体截面风速。由于筒体截面和磨盘中径有一定比例关系，可以用磨盘中径的假象风速来表征输送物料的风速。输送物料的风速将决定被提升物料的粒度，从而影响磨内的循环量和磨盘上的料床厚度。为此必须保证筒体截面风速要大于一个最低限速，在此基础上提高风速有利于提高产量。但风速不能过高，否则将造成大量物料循环，成品过粗等问题。

　　一定盘径的立式磨粉磨相同粒度的物料，易磨的物料经过一次辊压后，粒度小，需要输送的风速小，难磨的物料需要较大的风速；易磨的物料产量高，综合风量和产量的关系，可按成品工况浓度表示，可得出：难磨的物料出磨成品浓度低，易磨的物料出磨成品浓度高。若要求产品的细度细，在没有外循环的情况下，磨内循环的次数必须增加，造成磨内物料浓度提高，为输送其物料应增加风量，反应到出磨成品浓度方面为浓度降低，反之，若要求产品的细度粗，出磨成品浓度则升高。生产运行统计资料表明：立式磨粉磨水泥生料合理的成品浓度为（500~700）g/Nm³，其中采用磨外循环的取高值，循环量愈大取值愈高；立式磨制备煤粉时，一般不采取外循环流程，要求磨内输送能力强些，粉磨烟煤合理的成品浓度为（300~450）g/Nm³，其中对立式磨难磨的煤和产品细度要求细的煤取低值，对立式磨易磨的煤产品细度要求粗的煤取高值。根据立式磨粉磨生料和烟煤时输送物料对应的成品浓度的关系，无烟煤与烟煤相比，对立式磨难磨，产品细度更细，立式磨粉磨无烟煤时输送物料对应的成品浓度可推算为 （250~350）g/Nm³，同样是对立式磨难磨的煤和产品细度要求细的煤取低值，对立式磨易磨的煤产品细度要求粗的煤取高值。[Page]

　　四、HRM煤粉立式磨在海南厂磨制无烟煤粉实例

　　新型干法水泥生产技术以回转窑烧成水泥熟料，使用烟煤作燃料，而立窑使用无烟煤作燃料，改为新型干法生产水泥其燃料也要随之改变，烟煤的需要量大幅度增加。南方一些地区虽产煤，但煤质普遍较差或仅有无烟煤资源，致使新型干法厂从遥远的北方运来烟煤进行生产，长途运输使水泥厂进厂煤价居高不下。为使新型干法水泥生产技术降低生产成本、合理利用当地煤炭资源，我们研发出能够磨制无烟煤或劣质煤、产品适应新型干法水泥烧成的煤粉立式磨。

　　海南厂2500t/d生产线使用的无烟煤，来源于越南，哈氏可磨性指数为40~55，入磨原煤水分为7%~12%，平均水分10%左右，要求煤粉产量20t/h。其系统风量以出磨输送物料风量按成品浓度按260 g/m3计算。

　　系统设备规格性能见表2。

　　表2  国投海南有限公司煤粉立式磨系统主要设备配置表

　　煤粉立式磨通常运行液压系统加压（6~7）Mpa，其他参数如表3所示。

　　表3   高细煤粉立式磨运行数据

　　2009年全年2500t/d生产线生产水泥熟料77.48万吨，使用无烟煤粉107740吨，煤磨运行5106小时，磨机平均台时产量为21.1吨，煤粉细度(80μm筛余)2.7%；煤粉水分0.9%；煤粉制备工序单位产品电耗30.9 kWh/t，立磨主机单位产品电耗仅为14.2kWh/t。磨盘及磨辊磨损正常。

　　目前，HRM煤粉立式磨还在山东、江西等地多家水泥厂用于磨制劣质煤或无烟煤，煤粉细度(80μm筛余)亦可达到3%以下，长期平稳运行，比球磨系统节电20%以上。

　　五、结论

　　HRM煤粉立式磨能够适应不同煤质的特性、煤粉能够满足新型干法水泥生产线的燃烧要求，为新型干法水泥生产技术在缺少达标烟煤地区的发展提供了节能装备。与球磨机相比，HRM煤粉立式磨磨制每吨煤粉可节电10kWh左右，利用无烟煤和劣质煤每吨可为用户节省产本100元以上，2500t/d生产线年节省成本1000万元以上，5000t/d生产线年节省成本高达2000万元以上。HRM煤粉立式磨合理利用煤炭资源、减少了电力消耗，具有明显的社会效益，是水泥企业节能减排的有效装备。