循环流化床锅炉破碎技术的研究进展

赵国庆1,秦 川2,史向照,程伟良

(1.大唐环境产业集团股份有限公司科技工程公司，北京 100091； 2.国网四川省电力公司检修公司，四川 成都 610041； 3.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

0 引言

当前，我国能源的发展规划分布中，可再生能源的比例在逐年增大，而化石能源除在国家大型煤电基地有少量新增机组外，其它地区基本保持现有规模，并以调峰或调节性方式运行为主，但这种燃煤方式的电厂在今后相当一段时间内仍将保持大规模的比例存在。截至2019年底，燃煤电厂也占发电总装机容量的60%左右[1-2]。目前绝大部分燃煤机组为煤粉燃烧，而将煤制成细粉便于燃烧的制粉系统是其中的重要一环[3]。在电厂生产过程中，电厂内部辅助设备所消耗的电量约占总发电量4%～6%。

此外，随着大型煤炭基地的规模化发展，煤炭入洗率的提高，大量的煤泥和煤矸石将在我国大型煤炭生产基地集中出现。但由于煤泥和煤矸石的低热值特性，我国大多煤炭基地未能充分合理利用此类副产品资源，导致矸石山堆集，煤泥水横流等现象频频发生，这不仅是能源资源的极大浪费，更是对生态环境的污染破坏。煤矸石等低热值化石燃料是煤矿采煤过程和洗煤厂生产过程中产生的废渣，是煤炭除煤泥外的另一种大量工业固体废弃物，其所含的灰分量大，热值低。国家发改委、能源局等相关部委为实现煤矸石综合利用及煤炭清洁高效利用等，提出洗选加工、分级利用的具体要求，并发布《煤炭清洁高效利用行动计划( 2015～2020年)》文件，要求在今年将达到，原煤入洗率、及煤矸石的综合利用率均须达到80%以上。因此，如何在充分利用煤矸石、煤泥低热值资源的基础上，有效提高电厂制粉系统的破碎磨粉效率和降低电耗及减少烟污染物排放等方面，是未来电厂发展中亟需解决的问题[4-5]。

当前条件下，在燃煤锅炉的不同燃烧方式中，循环流化床锅炉具有煤种适应性强、负荷调节性好，燃烧污染物排放低的优势。其燃烧的入炉煤粒度具有宽筛分的特点，大多数的颗粒分布在10 mm以下，而成灰特性也与入炉煤粒度相似。此外，循环流化床锅炉煤种适应性强，可消纳大量煤泥、煤矸石等低热值煤炭资源。同时循环流化床锅炉具有实现清洁煤燃烧的优势，其运行温度较低，因而烟气污染物NOx也生成量低，这也顺应近年来环境保护方面的要求，因此循环流化床锅炉燃烧技术在近些年得到了迅速的发展。

在火力发电厂生产环节中，磨煤制粉系统运行时其磨煤机、给煤机、给粉机等设备所消耗的电能很大，约占全厂发电量的2%。而就全厂的辅助设备而言，制粉系统的运行效率对发电成本及节能降耗影响很大[6-7]。因此，如何提高制粉系统的工作效率，特别是其主要设备磨煤机的效率，是我国燃煤电厂中制粉系统设计、制造、运行维护的重中之重。

燃煤破碎时必然要消耗能源，即电动机的电能，不同颗粒的破碎情况下所消耗的能源不同，而不同的颗粒粒度会决定不同的临界流化速度，因而对流化床的燃烧污染物NOx及SO2排放都有影响，本文在对国内外文献研究分析的基础上，结合其理论和实际测试技术的研究成果，分析了存在的相关问题，提出了将来破碎技术的发展方向。

1 破碎理论及方法

1.1 单颗粒经典破碎理论

物料的破碎需要消耗能量，通过外力对其做功使得物料颗粒发生物理结构的坍塌。从19世纪起，人们就对破碎功耗的规律做了大量的研究和工作，并提出了相当多的著名理论。其中，最为典型的当属面积假说、体积假说和裂缝假说的三大假说理论[8-9]。

(1)面积假说模型

面积假说认为，物料在破碎时输入破碎机械的能量越多，颗粒破碎的细度越大，其单位质量的面积(即比表面积)也越大，进而认为比表面积可以作为粉碎颗粒的表征量。对破碎输入能量eR12的计算

(1)

式中eR12——单位破碎能量/kWh·kg-1；

x1——初始粒度/mm；

x2——产物粒度/mm；

CR——功耗系数。

在上面的计算模型中，认为所有的输入能量全部用于物料本身，用以增大比表面积的研磨上，而实际上还有一部分磨擦能耗未涉及，因而该模型具有一定的局限性。学者Hiorns在分析了前人的研究成果基础上，认为在破碎过程增大面积时，还与产物颗粒之间的相互摩擦有关，而这时的产品粒度符合Rosin-Rammler分布，因此他引入了固体颗粒间的摩擦系数，对该面积假设模型进行了很好地修正。

当物料越细时越难破碎，此时单位能量所能产生的新表面积越少，在此基础上，可进一步将面积假说完善，因而形成了田中达夫定律，使得其能很好地预测微细或超细粉碎的破碎状况[10]。

(2)体积假说模型

当物料破碎过程时，由于物料受外力作用使其变形进而导致破碎。也就是说，外力越大，物料的破碎愈强烈，产生的颗粒数量越多，颗粒的总体积越大，表现为产生外力的能量与颗粒体积为正比关系

(2)

式中CK——表征作用于外力的功耗系数。

在进行破碎分析研究时，除考虑摩擦外，还有一些因素需要一并分析，这样才能更科学合理地表现破碎的实际规律。具体为表面吸附和张力作用的表面能、热能储存与释放转换的弹性能、及固体表面可能引起的物理化学变化而导致的能量消耗，只有这样才能对体积假设形成更好的表述。

(3)裂缝假说模型

物料颗粒受外力作用时，在受力薄弱区域容易首先出现裂缝并不断增大，使颗粒破碎。裂缝假说的能耗表达式如式(3)

(3)

式中CB——基于裂缝分析方法建模的功耗系数。

就以上提到的这三种假设模型，即，面积假设模型、体积假设模型及裂缝假设模型，都是基于不同侧面阐述的破碎理论，各有特点，属于破碎理论的经典模型，对以后破碎理论及相关技术的发展提供了理论基础。但其局限性也相当明显，如三种假说都有其适应的粒径范围，超出此粒径范围便不再适用。因而，采用三大假说模型对破碎功耗进行分析处理时，会有与实际情况较大的出入[11]。

(4)破碎通用模型

由于三大假说各自的局限性，使其仅适用典型的阶段，不能准确全面地表述破碎规律，因此，Walker等[12]对前述的三个著名假说理论模型进行了归纳分析总结完善，建立起了表达破碎过程的通用能耗模型

(4)

对于式(4)，当n分别为2、1和1.5时，就是前面分别提到的面积假说、体积假说和裂缝假说的能耗计算模型。并有相关文献提出了在此基础上各自不同的修正系数和计算方法[13-15]。

总体来说，破碎能耗通用理论计算模型，涵盖了前面提到的三种关于破碎能耗计算的经典方法。针对该通用能耗模型，结合具体对象过程的不同特点，通过选取不同的参数，即可满足不同粒径变化范围的破碎过程分析要求。近年来，在这三种假设理论基础上形成了各种新破碎模型。这些模型更加接近实际的破碎过程，然而模型中引入了较多的参数因子，应用计算起来较为复杂，难度增加。

1.2 多颗粒破碎理论方法

前述的三大破碎假说理论模型及通用模型，仅仅是在考虑单一物料粒度的前提下形成的。而在实际的破碎过程中，破碎的物料可能是几种物料的混合物，破碎后的物料颗粒粒径都是处在一定范围内，且各种颗粒所占比例也不一样，具有一定的粒度分布。目前，常用的粒度分布模型有G-S(Gaudin-Schuhmann)、R-R(Rosin-Rammler)、分形粒度等模型[16]。当将物料粒径分布作为一个参数进行能耗计算时，便可得到相应的能耗计算模型。此外，许多学者基于不同的参数分析并在不同磨机平台上，通过大量的实验得出了不同的破碎功耗关联式[17-18]等。

目前，通过对破碎过程中的颗粒分布规律研究，研究其颗粒群分布与能耗变化的关系，发现大颗粒破碎相对容易，而小颗粒在颗粒群中对整个破碎过程能耗影响较大。在此基础上形成的颗粒群技术，通过采用“多碎少磨”和“以碎代磨”的方法可以优化破碎设备及系统，它也越来越成为了制粉系统的一种发展方向[19]。

随着计算机技术的不断发展，离散元法也在不断改进完善，目前已成为研究物料破碎的一种重要分析方法。针对破碎过程颗粒群的实际情况，也可采用离散元法来实现物料破碎的可视化研究及数值模拟。以分子动力学及牛顿理论为基础，针对物料破碎过程中的颗粒群，对各颗粒的运动轨迹，结合相关参数进行计算机模拟，最后可根据计算结果进行颗粒的运动规律分析。此外，离散元方法还可用于对不规则矿样的多尺度颗粒的运动规律模拟分析[20]，及内聚颗粒建模实现振动慢剪破碎[21]。

2 流化床物料的破碎设备

循环流化床锅炉破碎系统的主要设备，即为破碎机，主要包括鄂式破碎机、齿辊式破碎机、锤式破碎机。破碎方法常采用撞击、挤压、劈裂等，对入炉煤进行破碎处理，基于颚式、锤式、齿辊等原理形成不同的破碎设备，具体选用何种形式破碎机，由循环流化床锅炉的用煤特性决定。

2.1 颚式破碎机

这种破碎机的破碎颗粒较大，一般用来破碎中等硬度的物料。主要部件由机架、颚板、电机、平衡飞轮、曲柄连杆传动装置、破碎腔间隙调节装置等组成。各类颚式破碎机的结构部件有所不同，其破碎原理主要是，由偏心轴在电动机带动下旋转，使垂直连杆做上下方向的运动，物料在不断规律位移的破碎腔中分别受到劈裂、挤压等作用而破裂。在循环流化床破碎系统中，现多采用分级破碎筛分，颚式破碎机可作为多级破碎的预处理，一般最大进料粒度可达80 mm，破碎后出料粒度在20 mm以下[22]。颚式破碎机广泛应用于各类工业破碎生产上，具有结构简单、适应性强、工作可靠等特点，可作为循环流化床锅炉破碎筛分系统中重要参考选型设备。

颚式破碎机作为传统的机械形式破碎机，所形成的破碎产物颗粒较大，其缺点也相对明显，如破碎比小、破碎不连贯、给料不均匀、效率较低等[23]。为使燃煤粒度更好地满足循环流化床入炉要求，同时更好地降低破碎电耗，颚式破碎机也不断进行了着改造和升级，出现了许多新型颚式破碎机，如双腔颚式破碎机、外动颚式破碎机、振动颚式破碎机等。罗红萍等[24]通过MATLAB编程开发，对双腔颚式破碎机的动颚体，进行各关键结构的运动规律模拟计算，实现了双腔颚式破碎的仿真分析。针对振动颚式破碎机，宋波等[25]结合其动力学特性，就振动冲击的破碎过程，形成了冲击频率、振幅、速度和能量与振动等参数的能耗分析模型。Daniel等[26]运用DEM离散元方法，通过数值计算，模拟了破碎过程中的能量消耗，对颚式破碎机在物料破碎中能量利用率低的情况，提出了能量有效利用的改进方法。

2.2 齿辊式破碎机

该破碎机是一种较传统的破碎机，通常用来破碎中、低硬度物料。主要由传动装置，表面带有齿的破碎辊，机械弹簧装置，联动机构等组成，其主要破碎方式为劈碎，同时伴随有冲击和弯曲。一般可分为单辊式、对辊式、三辊式和四辊式破碎。物料由入料口进到齿辊之间的缝隙，通过齿辊的剪切和挤压作用，直到物料粒度减小到可以经过齿辊间的最小缝隙为止。所产生的物料粒度的大小取决于齿辊缝隙的大小。齿辊式破碎机可以实现连续运行，并且具有强制卸料的工作特性。具有结构紧凑，易于调整破碎比，过破碎现象少等优点。但其出力较低的缺点也相对明显，对于传统的齿辊破碎机，在给料粒径在50 mm左右的情况下，将物料破碎至小于10 mm时的出力目前仅为60 t/h[27]。且当设置出料粒度较小时齿辊间隙容易堵塞，对铁块等难破碎物的躲避性不强，同时对煤矸石含量高的硬度较大的低热值燃料适应性较差。

近年来，在传统齿辊式破碎机上发展起来的一种新型四齿辊式破碎机在循环流化床破碎系统中已有所应用[28]。它具有双电机启动的两组相向转动的齿辊，这些齿辊以上下方式布置，并可进行转速调整。物料在破碎腔里研磨时，可用两组齿辊间隙来调节流过其中的细颗粒尺寸大小，可以让满足要求的细颗粒直接通过，而大于齿辊间隙的物料将被旋转的齿辊劈裂、折破至合格粒径后方可通过齿辊间隙。其特殊的设计结构使其能够自动清除粘堵物料的功能，可较好地保证设备连续运转。可以处理抗压强度值<100 MPa、使入料粒径(<300 mm)经破碎后可以直接达到8 mm以下，研磨后的产物粒度任意可调，适应不同循环流化床锅炉流化速度的破碎要求。由于其良好的破碎性能，可在循环流化床破碎系统中通过一级破碎即可达到入炉粒径的要求，不过当入料为煤、煤泥、煤矸石的混合料时，该破碎机的齿板磨损严重，应用受限。

2.3 锤式破碎机

锤式破碎机在要求较细颗粒的工矿企业中应用广泛，出力可达到650 t/h 以上。主要结构部件包括破碎板、锤头、转子和筛板等。物料由给料口进入破碎机，在破碎腔中受到高速运动锤子的打击、剪切、磨研等作用而破碎。按照关键部件的不同可分为多种类型，如按照转子旋转方向，可分为可逆式与不可逆式；按照转子的数目，可分为单转子式与双转子式；按照锤子的连接形式，可分为固定式与活动式；按照锤子的排数，可分为单排式与多排式。在多种形式的锤式破碎机中，由于可逆式破碎机碎后物料的粒度分布较均匀，“过铁性”好，即使物料中出现难破碎的物体，如石头、铁块等，也能顺利通过，并且维修方便[29]。可逆式破碎机可以将50 mm的物料破碎至13 mm 以下，通过适当的调整可以使出料粒度10 mm以下甚至更小。目前在循环流化床锅炉电厂中使用较多，目前我国四川白马600 MW循环流化床锅炉破碎系统中已采用锤式破碎机。

锤式破碎机可以直接满足循环流化床锅炉的入炉粒度要求。其适应性较好，能容易到达到其设计的额定功率，是循环流化床满足入炉粒径的一种较为理想的破碎设备。但当物料中煤泥、煤矸石所含水分过高时，将限制锤式破碎机的额定出力，容易发生堵塞等情况。当物料含水量超过一定限值时，锤式破碎机内将产生大量的粘糊状煤，极易造成设备超负荷损坏，因此破碎前需要进行物料干燥。

3 存在问题

(1)适用于循环流化床锅炉的能耗模型问题。关于能耗破碎模型的三大经典破碎理论、通用关系式以及考虑粒度分布的破碎研究，主要对象为矿石、金属等物料，而对于电厂用煤，由于需要结合用电能耗考虑经济细度，所提到的各类经验关联式主要针对煤粉炉的百微米量级，而对于给煤粒度在0～10 mm左右的循环流化床锅炉的研究相对较少。如何在现有破碎理论的基础上，利用各类数值仿真模拟技术建立适合循环流化床锅炉具体给料及产品粒径的能耗模型，寻求破碎机的最佳经济细度，需要从理论上进一步研究和解决。

(2)破碎模型的计算基准问题。近年来，越来越多的研究人员通过落锤、自制实验系统、哈氏可磨仪测量等实验结合离散元法等仿真分析，建立有关能耗分析模型，然而由于缺少相关的技术标准及行业规范，所选取的状态点和校准缺乏参考依据，导致所建的能耗模型与仿真结果之间存在较大差异，从而严重影响模型的有效性、准确性和可靠性，因此，需要业界相关技术研究人员，制定有关破碎的关键状态点及校准依据和标准。

(3)破碎物料粒度分布与要求的匹配性问题。在实际运行中，经过破碎后的燃料颗粒，往往出现不同时段颗粒分布偏差较大的现象。目前国内循环流化床锅炉的破碎机多采用锤式或齿辊式，此类破碎机在破碎煤矸石等坚硬物料时，通过增加锤子重量或者提高转子速度的方式来增加破碎效果，这将会使煤所需破碎能量过剩导致过粉碎情况发生，从而使系统的破碎出料粒度过小。而当破碎机长时间运行后，其核心部件锤子的打击平面变成曲面，改变了冲击角，使得冲击破碎几率变少，低效率的挤压破碎几率增大，最后会造成破碎板等部件磨损严重，使得合格的产物粒度减少，即要产生同样数量的合格颗粒就需要更大的能耗[30]。

破碎颗粒的大小直接影响炉膛流场的分布，也影响着分级燃烧的污染物减排效果，因此研究颗粒大小带来的各种影响方向和程度，便于实现更好地污染物减排和控制。

(4)破碎系统适应性问题。由于电厂来料成分的复杂性和不稳定性，物料中含水量高及含硬物多等因素，容易造成破碎机磨碎和堵塞等情况的发生，因此，确定合理的破碎筛分方式很重要。当循环流化床锅炉采用一级破碎方式，未设置有筛分系统使得入料粒度分布差异较大，也会形成磨损及堵塞等问题，造成出力降低和能耗增大。而循环流化床采用二级或三级破碎筛分系统时，由于破碎和筛分属于分层布置方式，占用空间较大，设备系统庞杂，投资费用大，工期长，运行时能耗高、费用大，并不易进行全系统密封，会使扬尘加大，造成工作环境恶劣。

(5)耐磨新材料新技术需求。我国目前使用的循环流化床锅炉破碎设备及系统的耐磨材料，一般为高铬铸铁、超高锰钢等，而随着煤种和煤质的多样化和不确定性，使得破碎机的核心部件磨碎严重，使用寿命较短。同时，在对破碎机关键部件材料的研究上，计算机辅助设计计算的开发软件，如有限元软件ANSYS、运动学软件AD-AMS等等，对其应用开发还有待进一步深入，要充分发挥当前的先进计算技术，加快新产品的开发进度[31]。为此，积极推广耐磨介质等新型材料的应用，提高破碎核心部件锤子等易损易耗件的寿命，对降低破碎运行成本具有重要意义。

4 发展方向及建议

(1)适应多种物料破碎要求条件。在循环流化床破碎系统设计时，为达到物料自身特性及流化床锅炉的产物粒度要求，在正常运行前，应做破碎性能测试研究，确定其满足机组各负荷阶段的破碎性能曲线要求。然而不同燃料(如煤、煤矸石等)都有各自的破碎规律，因国内各循环流化床的破碎系统均只适合单一的物料，不具有同时适合两种或者多种物料的特性，如，既可以破碎煤又可同时破碎煤矸石等的破碎机。若在一台破碎机上同时进行不同物料破碎，易出现过粉碎或者煤矸石等硬物料破碎不合格等现象。结合国内外循环流化床锅炉燃烧技术的发展要求，简化输煤工艺流程，节省投资，研制同时适应煤炭、矸石、煤泥等多种燃料的破碎、筛分于一体的破碎机设备，是今后循环流化床破碎系统的发展重点。

在提供循环流化床合格入炉颗粒的同时，还要考虑相应的燃烧烟气污染物排放情况。在物料颗粒小及循环倍率大比较有利。特别是，颗粒分布中1 mm以下颗粒占30%以上，而循环倍率尽量可以设置在循环物料料量是投煤量的20倍稍大些。这样将达到较好的炉内石灰石法脱硫及分级燃烧脱硝脱硫效果[32]。炉内NO和SO2浓度随温度(650～950℃)，及过量空气系数(1.05～1.35)的增大而升高。掺混生物质进行破碎后燃烧时，由于易于形成还原性气氛，更利于脱硫脱硝[33]。

(2)多种破碎方式的选择与适用。物料破碎是在通过外界输入能量形成外力的作用下，以冲击或挤压方式，破坏物料内部分子间的聚合力，造成其组织结构破裂，使得大块物料变为较小合格粒度的过程。破碎方法选择的合适与否，会直接影响循环流化床锅炉入料的粒度合格效果，采用合适的破碎方式，可显著提高物料的破碎效果。物料破碎应用最普遍最广泛的是机械法。硬度较高矿石尽量利用弯折配合冲击作用进行破碎；对脆性矿石，则采用劈裂方式效果较好；而对韧性较高矿石，以磨剥作用为主较为适宜[34]。近年来，在破碎过程中施加振动载荷的方法逐渐增多，振动作用可通过较小的破碎力使物料能够获得较大的破碎比。这同无施加振动作用情况相比，物料的粒度更细[35]。

在物料破碎时，往往会有不同破碎方式的综合使用，可通过不同物料破碎方式的参数调整对比试验研究，并进行参数优化，达到在降低能耗的情况下，实现更加理想的破碎效果。为探寻循环流化床锅炉的适应煤炭、矸石、煤泥等各种燃料破碎、筛分于一体的新型破碎方案，建立基于振动的破碎方式的能耗模型，并结合实验研究为今后一个热点研究方向。

(3)破碎设备的大型化、智能化。近年来，随着大型煤炭基地开采过程中煤泥及煤矸石大量的出现，由于国内现役的各类循环流化床机组的破碎系统大多设计出力较小，已经难以满足当前的破碎需要。要想充分合理利用这部分低热值资源，这就迫切要求循环流化床破碎设备向大型化发展。目前，我国煤炭破碎技术和设备在“黄金十年”背景下取得了长足的发展，破碎方面的诸多技术也已达到了世界先进水平[36]。

今后，高度智能化将是未来破碎技术的发展方向。随着信息技术的发展，将在现有自动化的基础上，如何选煤以及混煤破碎，建立智能信息管理系统，实现破碎过程的可视化，并可根据计算结果反馈，进而确认和科学合理调整，将进行数字互联和信息交流决策，达到生产设备过程的智能管理水平，从而使得破碎系统成为一个高度智能化的节能、高效、长寿命、低成本系统。

5 结束语

介绍了目前常规的破碎机破碎能耗分析模型，特别是通用模型及基于多尺度分布的离散元方法，并结合实际情况使用时的经验系数确定尤为关键。

分析了常用的三种破碎机的优缺点和应用前景。鄂式破碎机利用物料在破碎腔中分别受到鄂板间的劈裂、挤压等作用；锤式破碎机在破碎腔中受到高速旋转运动锤子的打击、剪切、磨研等作用而破碎；齿辊式破碎机是物料由入料口进到带有齿的两辊之间的缝隙，通过齿辊之间的剪切和挤压作用实现破碎，齿辊间的最小缝隙决定了破碎后的物料粒度。三种破碎机各有优势，相对而言，锤式破碎机可以将50mm的物料破碎至10 mm 以下，同时出力达到650 t/h 及以上，对于不同特性的物料适应性好，是循环流化床满足入炉粒径的一种较为理想的破碎设备。

最后结合破碎后颗粒大小及分布对流化床燃烧和流动的影响分析，提出了相应的研究发展方向。在循环流化床锅炉大型化的趋势下，如何基于各类破碎能耗理论建立相关计算模型，对其燃料颗粒大小及其分布进行分析研究，确定物料粉碎的最佳经济细度，研制出较好适应煤泥、矸石低热值煤资源的新型智能化、大出力、高效率的破碎机，将是未来的发展方向。