矿物质特性对E型中速磨煤机研磨过程的影响研究

摘要

煤炭是我国能源结构最重要的组成部分，2016年能源消费总量43.6亿吨标准煤，煤炭在我国能源消费中的比重达到62%，其中约有一半的煤炭用于燃烧发电。在燃煤发电过程中，高能耗与污染性气体排放等问题使燃煤电厂实现节能减排的目标面临着巨大的挑战。在电厂磨机制粉过程中，高密度、高硬度的矿物质可磨性差，会聚集在返料中并被反复循环研磨。磨机的研磨物料是由煤和大量的返料组成的，而返料中不同性质的矿物质对煤的研磨特性的影响规律各不相同。本文以燃煤电厂广泛使用的E型中速磨煤机为研究对象，通过实验室研磨试验与数值模拟试验相结合的方法，研究了矿物质特性对煤研磨过程的影响规律。
　　首先使用现代分析仪器对分离器返料进行矿物学分析，得知返料中的矿物质主要为：铝硅酸盐类矿物、石英和黄铁矿，三种矿物质含量不同、嵌布粒度各异、硬度差距较大。据此，选用高岭石、石英、黄铁矿分别与-1.25+0.71mm粒级的煤样进行掺混，制备混合物料，通过改变混合物料中矿物质的含量、粒度与种类来模拟研究矿物质特性对煤研磨过程的影响。
　　利用加装功率测量装置的哈氏可磨仪进行实验室混合物料研磨试验，研究了煤的研磨行为及能耗规律。结果表明：高硬度的矿物质（本研究中为黄铁矿、石英）能够对煤起到助磨作用、促进煤的研磨，而细粒级（本研究中为-0.09mm）矿物质则对煤起到缓冲和保护作用、阻碍煤的研磨；矿物质的富集会加剧高硬度和细粒级矿物质对煤研磨过程的影响，当矿物质含量低于33.33%时，矿物质硬度对煤研磨的影响作用较大，而当矿物质含量高于33.33%时，矿物质粒度对煤研磨的影响作用较大；煤在混合物料中的研磨规律不完全符合原一级磨矿动力学模型，需引入与物料性质有关的参数m，并用tm替换时间参数t来进行修正；基于修正后的一级磨矿动力学模型对能量—粒度减小模型进行参数优化，建立了涵盖矿物质含量的研磨能量模型，通过数据拟合得出相应的影响参数；利用参数优化后的能量—粒度减小模型研究了混合研磨中的能量分配问题，当矿物质为-0.09mm的高岭石、石英、黄铁矿时，煤在研磨时的能量占比小，且随矿物质含量和硬度的增加而单调递减，当矿物质为-1.25+0.71mm和-0.3+0.2mm石英时，煤在研磨时的能量占比随矿物质含量的增加而先增大后减小，当矿物质含量超过50%时，煤在研磨时的能量占比逐渐降低，研磨效率也随之降低。
　　在实验室研磨试验的基础上，建立了EDEM数值模拟模型。通过颗粒替换模型和颗粒黏结力模型模拟物料磨碎的过程；使用C++程序自行编译磨盘运动模型，实现了对哈氏可磨仪恒压研磨过程的模拟；通过实验室堆积角测定试验与EDEM模拟堆积角试验，结合GEMM数据库信息及数值模拟试验，确定了数值模拟试验中的材料参数，并设置了数值模拟的其它操作条件和基本参数。
　　对数值模拟试验结果进行后处理结果分析，得到了黏结键的断裂情况、颗粒的运动、受力、能耗和颗粒间的碰撞次数、碰撞能耗等数据，分别从煤颗粒的运动及碰撞、受力及能量的角度，揭示了研磨时间、矿物质含量及矿物质硬度对混合物料中煤研磨的影响规律。结果表明，煤在高硬度矿物质的影响下平均受力大、碰撞次数多、能量损耗大，所以煤的研磨程度高，但当混合物料中矿物质含量升高时，煤颗粒的受力减小、碰撞次数减少、能量损耗减小，使煤的研磨程度降低。EDEM数值模拟结果与实验室研磨试验现象相同、规律一致，说明数值模拟试验结果具有较高的可信度，从微观颗粒动力学角度揭示了矿物质特性对煤研磨过程的影响机理。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 课题来源(Project Resource)

1.2 研究背景(Research Background)

1.3 研究内容与技术路线(Research Contents and Technical Route)

1.4 创新性(Innovation)

2 文献综述

2.1 中速磨煤机制粉系统简介(Brief Introduction of Vertical Spindle Pulverizer System)

2.2 中速磨煤机研磨特性研究现状(Research Status of Grinding Characteristics of Vertical Spindle Pulverizer)

2.3 颗粒破碎模型(Particle Grinding Models)

2.4 离散元数值模拟研究现状(Research Status of Discrete Element Method)

2.5 本章小结(Conclusions)

3 原样矿物学性质分析

3.1 概述(Overview)

3.2 试验原料与设备(Materials and Equipment)

3.3 原料性质分析(Analysis of Material Properties)

3.4 本章小结(Conclusions)

4E型中速磨煤机研磨过程的模拟试验研究

4.1 概述(Overview)

4.2 试验系统(Experimental System)

4.3 混合物料中煤的研磨特性研究(Grinding Characteristics of Coal in Mixed Materials)

4.4 混合研磨的能耗模型及能量分配规律(Energy Consumption Model and Distribution of Mixed Grinding)

4.5 本章小结(Conclusions)

5 数值模拟模型构建及参数设定

5.1 概述(Overview)

5.2 EDEM 基本模型的建立(The Establishment of EDEM Basic Model)

5.3 EDEM研磨模型的建立(The Establishment of EDEM Grinding Model)

5.4 模型参数的设定(Parameters Setting)

5.5 本章小结(Conclusions)

6 EDEM数值模拟试验

6.1 概述(Overview)

6.2 物料研磨情况分析(Analysis of Grinding Characteristics of Particles)

6.3 煤颗粒的运动特性分析(Analysis of Moving Characteristics of Particles)

6.4 煤颗粒的力学特性分析(Analysis of Mechanical Characteristics of Particles)

6.5 本章小结(Conclusions)

7 结论与展望

7.1 结论(Conclusions)

7.2 展望(Prospects)

参考文献

作者简介

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