球磨机失效钢球动态剔除技术的应用

李建民，潘新龙

（1.中国石油大庆石化公司热电厂，黑龙江大庆 163714；2.西安艾贝尔科技发展有限公司，西安 710065）

球磨机失效钢球动态剔除技术的应用

李建民1，潘新龙2

（1.中国石油大庆石化公司热电厂，黑龙江大庆 163714；2.西安艾贝尔科技发展有限公司，西安 710065）

以中国石油大庆石化公司热电厂＃1锅炉的球磨机为例，采用失效钢球自动剔除技术对DTM350／600球磨机进行优化控制，在球磨机出口端安装自动剔除装置，在线清理球磨机的失效钢球及杂物，克服了传统筛选方法的缺点，同时降低了球磨机能耗，提高了球磨机的出力，延长了球磨机构件的使用寿命，避免了锅炉结渣，在达到建设目标的同时保证了整个生产过程的安全和稳定。

球磨机；失效钢球；自动剔除；筛选；钢球配比

0 引言

钢球球磨机是制粉系统中的关键设备，自身体积和质量较大，是发电厂的耗电大户。球磨机利用旋转滚筒带动筒内的研磨体运动，对原煤进行撞击、挤压和研磨，破碎煤块，最终研磨成煤粉，在制粉系统中应用非常广泛。标准钢球直径为30～60mm，球磨机运行一段时间后，筒体内钢球由于磨损而逐渐变小，当钢球直径小于25mm后，钢球对煤颗粒的撞击作用基本消失，不仅失去磨煤作用，而且增加电耗。

目前恢复球磨机功能的传统方法是停磨后进行人工清理，费时费力，约每年1次。由于清理钢球前、后球磨机出力相差较大，如果废球未能及时处理，随着废球量的增加，球磨机的出力逐渐减小，造成球磨机在绝大部分工作周期中都不在最佳工况下运行，导致电耗增高，直接影响企业的经济效益。

本文以中国大庆石化公司热电厂（以下简称大庆石化热电厂）＃1锅炉为例，采用失效钢球自动剔除技术对每台锅炉球磨机的失效钢球进行自动剔除。自动剔除技术能够在线剔除球磨机内失效钢球。球磨机运行2500～3000 h后，筛选称量钢球一次，将不合格的钢球、金属废物、矿石及木块等杂物消除干净。系统投入使用后，不仅降低了工人的劳动强度，而且降低了球磨机能耗和钢球损耗，提高了球磨机运行效率，提高了制粉系统出力，具有显著的经济效益和社会效益。

1 传统球磨机磨煤过程

1.1 磨煤过程分析

球磨机研磨体（钢球）的体积根据入磨原料的粒径大小而定，大钢球冲击动能大，主要对大块原料起破碎作用；小钢球冲击能量小，但小钢球能补充大钢球之间的空隙，对小原料颗粒进行挤压和研磨，对粉料的细度控制至关重要。为使球磨机高效、经济运行，球磨机内钢球要按一定的大小配比添加，添加量也要控制在合适的范围内。

当球磨机运行一段时间后，钢球由于磨损而逐渐变小，对原料的撞击作用也逐渐减小。当钢球小到一定程度后，研磨的作用变得很小，成为球磨机内的有害负载，增加球磨机能耗，降低球磨机的效率。球磨机内大钢球量由于磨损而逐渐变小，钢球大小配比偏离最佳级配，研磨效率大幅降低，直接影响后续产能。因此，为提高球磨机的制粉效率，使球磨机高效、稳定工作，球磨机内研磨体（钢球）的动态优化控制至关重要。

1.2 传统的钢球筛选方法

目前，国内粉磨行业剔除失效钢球大多数采用人工筛选或半自动筛选的方法。

1.2.1 人工筛选方法

人工筛选方法是在检修期间停运球磨机并打开人孔门和入料斗，操作人员进入球磨机内，将所有钢球清理出来，放到固定场地后，再由有经验的人员对钢球进行分类，将直径小于25mm的失效钢球及煤矸石等杂物逐个清理，然后将合格的钢球重新装填至球磨机内，继续发挥研磨作用。

1.2.2 半自动筛选方法

半自动筛选方法也是在检修期间将人工清理出来的所有钢球输送到相应的筛选设备中，通过筛选设备将失效钢球筛出，即可达到对失效钢球剔除的目的。

这2种方法都存在劳动强度大、危险性高、时效性差、易造成环境污染等缺陷。由于每台球磨机内装入的钢球重达几十吨，导致人工清理工作量大、劳动强度大、耗时长、经济性差。因此，实际生产中不可能频繁地靠停机检修来剔除废钢球，球磨机内失效钢球不能及时剔除，总有一定量的废钢球在球磨机内存在，占据球磨机有效容积，增加球磨机无功能耗，使球磨机不能在最优状态工作，球磨机效率降低，能耗增大，经济效益很差。

2 钢球筛选优化控制方案

2.1 钢球筛选控制原理

原煤与钢球均由球磨机入口加入，随着球磨机的运行，钢球逐渐被磨损，新球的加入与原煤的进入推动球磨机筒体内钢球向出口运动；另外，球磨机旋转时抛起的钢球在空中受到流动风力负压的作用，产生指向出口的流动泳力，使钢球向出口运动。小钢球质量小，比大钢球更容易被风力推动；另一方面，球磨机入口平均进煤粒径约为15mm，而合格煤粉的平均粒径（R90＞10%）为0.01mm，煤粉的表面积增加了1 500倍，由于煤粉的可磨系数不变，球磨机出口处钢球的磨损比入口高1 500倍，大部分小钢球都集中在球磨机出口处，所以应对球磨机出料端进行改造。

利用失效钢球趋向球磨机出口端的特点，在球磨机出口端衬板上开出适当尺寸的孔径，使失效钢球在球磨机旋转过程中自动从筒体内流出，并沿设计好的流道从球磨机出口筒内适当位置抛出，在通过计算并设计安装的接球装置将其接住并输送出球磨机，最终进入废球的储箱。

失效钢球尺寸定为25mm，其设计依据为根据研磨理论，可计算出球磨机有效钢球的最小直径dmin，其计算公式为

式中：dmax为磨制煤块的最大粒径；d为球磨机滚筒直径；σ为煤块因压缩而破坏的瞬间阻力；ε为杨氏弹性模量；c为杨氏模量变化系数；β为钢球下落能量；ρ为钢球实际密度。

根据计算可得出球磨机有效钢球的最小直径为25mm。

2.2 自动剔除技术与传统方法的对比

对于人工筛选和半自动筛选方法，筛选钢球只能通过人工操作将所有钢球向外清理，而清理出来的钢球再经过人工或借助筛选设备将失效钢球及杂物逐个清除，最终完成合格钢球的装填工作。钢球装载量一般根据经验及球磨机规程中的额定装载量来设定，并非球磨机的最佳钢球装载量，装填量过多或过少，运行均不经济。平时的钢球添加也是依靠操作人员的经验，无法保证加入钢球量的准确性，添加时间也不够及时、准确。

钢球自动剔除系统是目前剔除失效钢球最为先进和专业的方法，其在克服了人工筛选方法和半自动筛选方法缺点的同时又降低了成本，能够优质、高效地实现对失效钢球、煤矸石等杂物的在线清理，并且保证了整个生产过程的安全和稳定。

2.3 钢球筛选方案实施

大庆石化热电厂＃1锅炉容量410 t／h，配备2套中间储仓式钢球磨煤机制粉系统，锅炉采用热风送粉，磨煤机型号为DTM-350／600，设计转速为17.69 r／min，最大装球量为64 t，传动比为6.74，筒体直径为3500mm，有效容积为57.73m3，机器总质量为137.9 t；配用电动机型号为JSQ15B-6，额定功率为2×550 kW，采用7075-B650型号皮带给煤机。2.3.1 技术方案

球磨机失效研磨体自动剔除装置包括带筛孔的端衬板、内螺旋管、外螺旋管、收球斗、导球管、收球箱、检查门、辅助导球管等，结构如图1所示。

图1 球磨机失效研磨体自动剔除装置

球磨机出口端与带筛孔的衬板连接，带筛孔的衬板与外螺旋管连接，外螺旋管内安装有内螺旋管，内螺旋管的出口端连接收球斗，收球斗与导球管一端连接，导球管的另一端与收球箱连接，导球管上设有检查门。辅助导球管连接于出料斗转角处。带筛孔的衬板上设有多个梯形条形孔，衬板后部设有通道。内螺旋管与外螺旋管之间设有螺旋通道，螺旋通道的出口为封闭端，在内螺旋管的出口端圆周上设有多个出口。收球斗设计为33°～38°漏斗形状，在球磨机出口端旋转方向上与球磨机水平中心成55°～80°夹角。导球管与球磨机出口端弯头焊接连接。辅助导球管上安装闸板阀。

2.3.2 关键技术

（1）端衬板。新设计的端衬板替换原球磨机端衬板，使用材料为中铬合金钢40Cr5Mo，此材料硬度不小于44HRC，抗冲击吸收能量不小于25 J／cm2，可以承受磨煤机内钢球与端衬板碰撞、摩擦，可使用5年以上，符合GB／T 26651—2011《耐磨钢铸件》的要求。端衬板上带有条形筛孔，筛孔尺寸不大于25 mm，可将磨煤机内小于25mm的失效钢球筛出；筛孔形状为内小外大，呈漏斗状，可保证筛出的钢球不会再次进入磨煤机。

（2）内螺旋锥管。新设计的双螺旋锥管替换原球磨机螺旋管，采用16Mn材料，此材料属于低合金高强度结构钢，化学成分及机械性能符合GB／T 1591—2008《低合金高强度结构钢》的要求。双螺旋锥管内、外设计为螺旋叶，螺旋叶与锥管轴向成45°夹角，内螺旋叶与外螺旋叶方向相反，内螺旋叶可将进入双螺旋锥管的有效钢球通过磨煤机旋转重新推入磨煤机筒体内；外螺旋叶可将从端衬板筛出的失效钢球推至双螺旋锥管小端排出磨煤机。

（3）收球斗。收球斗采用16Mn材料，化学成分及机械性能符合GB／T 1591—2008《低合金高强度结构钢》的要求。收球斗设计成圆弧形，外轮廓尺寸与内螺旋锥管直径尺寸相配合，截面为梯形，可接住从内螺旋锥管处甩出的失效钢球，并通过导球管排出磨煤机，并能有效挡住煤粉。

（4）导球管与辅助导球管。使用材料为Q235-A，外壁使用D256耐磨焊条堆焊，化学成分及机械性能符合GB／T 8163—2008《无缝钢管》的要求。导球管上设计有检查门，可检查磨煤机出球情况，在堵塞时，可在检查门处疏通。辅助导球管上连接有闸板阀，可将出料斗拐角处堆积的煤矸石、失效小球等杂物排出。闸板阀平时处于关闭状态，定时开启排出杂物。

（5）接球箱与接球小车。采用材料为Q235-A，化学成分及机械性能符合GB／T 700—2006《碳素结构钢》的要求。接球箱顶端连接导球管与辅助导球管，内部放置接球小车，失效钢球通过导球管与辅助导球管排入小车内。接球小车设计人性化，方便清理。

3 项目效果分析

大庆石化热电厂使用球磨机型号为DTM350／700，每台球磨机制粉出力41 t／h，球磨机单耗22（kW·h）／t，电价为0.52元／（kW·h），2台球磨机年运行8000 h。

2013年11月28日至12月10日，按照验收标准对＃1锅炉2台磨煤机钢球自动筛选装置进行了考核标定，标定结果见表1。

从表1可以看出：＃1磨煤机累计运行117.0 h，累计筛选出废旧钢球、煤矸石61.8 kg，平均每小时筛出废旧钢球、煤矸石0.53 kg；＃2磨煤机累计运行79.6 h，累计筛选出废旧钢球、煤矸石102.0 kg，平均每小时筛出废旧钢球、煤矸石1.28 kg。按照每天累计工作22h计算，＃1锅炉2台磨煤机日均筛出废旧钢球约39.82 kg，每周可筛出278.74 kg；筛出的钢球、煤矸石直径尺寸小于25mm，达到了项目的预期指标。

表1＃1锅炉自动筛球装置标定统计结果

3.1 经济效益分析

经测算，年末钢球因磨损平均球径降低到初装球径的81%，出力为初始球磨机出力的89%。

3.1.1 球磨机节电效益

稳定后球磨机单耗＝初始球磨机单耗×（1-年末球磨机出力／初始球磨机出力）+初始球磨机单耗＝22×（1-0.89）+22＝24.42（（kW·h）／t）。

年耗煤150万t，按照4.5台锅炉运行计算，平均每台锅炉年耗煤33万t。

＃1锅炉2台球磨机年累计节约电耗＝年制粉量×（稳定后球磨机单耗-初始球磨机单耗）＝330000×（24.42-22）＝798600（kW·h）。

＃1锅炉2台球磨机平均每年节电费用798600× 0.52×10-4＝41.53（万元）。

3.1.2 废料收集效益

去掉筛出废钢球中的煤矸石，改造后每天每台锅炉可收集废钢5 kg，按每3元／kg计算，年产生效益＝每天废钢收集量×废钢价格×年收集天数＝5×3×300×10-4＝0.45（万元）。

年度总经济效益＝球磨机节电效益+废料收集效益＝41.53+0.45＝41.98（万元）。

综合上述分析，仅考虑节电和废料收集两项，项目每年即可产生经济效益约42万元，同时，球磨机失效钢球动态剔除系统的使用能够提高球磨机运行的自动化程度，降低员工的劳动强度，节省人工成本，减轻工人劳动强度，也能够使球磨机不再停机剔除失效研磨体，降低煤粉含钢量，有效缓解锅炉结焦、结渣，减少停机损失，延长了设备大修周期。考虑到项目实施后使整个制粉系统设备寿命提高，制粉系统运行更加协调、高效等因素，项目经济效益更加可观。

3.2 环境效益

项目环境效益主要体现在节电减排方面，根据节能评价规范，每节约1 kW·h电，就相应节约了0.4 kg标准煤，同时少排放0.272 kg炭粉尘，1.468 kg CO2，0.030 kg SO2及0.015 kg NOx。每年减排CO2量＝798600×1.468×10-3＝1172.34（t）。

3.3 社会效益

项目的社会效益在于提高球磨机自动化水平。在线剔除失效钢球，简化了操作，减轻了操作人员的劳动强度，节省了工人成本；实现了钢球的动态管理，减少了钢球使用量；降低了球磨机噪声，改善了工作环境，提高了管理水平；使煤粉细度均匀、稳定。

4 结束语

本文将失效钢球自动剔除技术应用于DTM350／600球磨机并进行优化控制，在经过一段时间的运行后，自动剔除系统优质、高效地实现了对失效钢球及杂物的在线清理，克服了人工筛选方法和半自动筛选方法的缺点，同时降低了能耗，减轻了工人劳动轻度，延长了设备大修周期。仅节电与废料回收年经济效益可达42万元，年减少CO2排放量1172.34 t，具有显著的经济效益和良好的社会效益。

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（本文责编：弋洋）

TM 621.3

：B

：1674-1951（2015）01-0058-04

李建民（1965—），男，黑龙江大庆人，技师，从事锅炉转动设备方检维修管理方面的工作（E-mail：85657122＠qq. com）。

2014-07-07；

2014-10-25

潘新龙（1981—），男，陕西西安人，工程师，从事锅炉系统节能改造工作（E-mail：xinlongpan＠126.com）。