论文总字数：28033字

摘 要

循环流化床（CFB）锅炉技术是最近几十年兴起的一种高效、清洁的燃煤新技术。相比于传统煤粉炉，CFB锅炉具有燃料适应性广、燃烧效率高、污染物排放少等优点。因此CFB锅炉对于缓解目前的能源短缺和环境污染等问题有着重要意义。

但是，CFB锅炉在运行过程中存在厂用电消耗大的问题，主要电耗集中在原煤破碎阶段，故解决问题的关键在于降低原煤的破碎功耗；另外，入炉煤的粒度分布对CFB锅炉的运行状况也有较大的影响。对辊式破碎机和锤式破碎机性能稳定，破碎产物粒径易于控制，因此被CFB锅炉煤制备系统广泛采用，成为 CFB 锅炉机组主要的破碎设备。由于破碎机内煤岩颗粒所受到的作用力复杂，难以对某种特定的作用力进行研究，故而本课题采取对单颗粒煤岩进行破碎实验，包括单颗粒冲击破碎和单颗粒挤压破碎实验，通过对煤岩颗粒形状参数、冲击势能、破碎产物t₁₀值、挤压峰值压力以及破碎产物粒度分布、破碎能耗等量值的研究，以期可以指导褐煤在对辊式破碎机、锤式破碎机中的实际破碎过程。

褐煤是煤化程度最低的煤种，但是由于优质煤几乎被开采一空，褐煤如今已成为我国主要的电厂用煤。褐煤是一种多裂纹的不均匀固体，裂纹的大小、形式以及分布方式都会对破碎产生影响，因此，研究裂纹对破碎过程的影响机理具有很大的现实意义。

关键词：CFB 锅炉；褐煤；单颗粒；破碎特性；裂纹。

Study on Coal(lignite) Comminution Energy

Characteristics of CFB Boiler

ABSTRACT

Circulating fluidized bed (CFB) boiler technology is an efficient, clean coal technology that arose in recent decades. Compared with conventional pulverized coal-fired boilers, CFB boiler has wider fuel adaptability、higher combustion efficiency and less emissions. For the sake of current energy shortage、environmental pollution and other issues, it’s of great importance to develop CFB boiler .

However, CFB boiler needs a great deal of electricity during operation which is the main problem need to be solved. Since the coal crushing process costs a majority of power, the key to solve the problem is to reduce the power consumption of raw coal crusher; in addition, the particle size distribution of coal that is feed into the furnace also has an impact on the health of CFB boiler. Roll crusher and hammer crusher whose particle size of production is easy to control both have stable performance, so they are widely adopted by CFB boiler as coal preparation facilities, and become the important part of the whole CFB boiler. Since the complicity of force that inner rock coal particles suffered ,it’s difficult to carry out research for a particular force, and therefore to take this issue to a single particle of coal crushing experiments, including single-particle impact crusher and single particle crushing squeeze test .Through the particle shape parameters of coal, the impact of potential, crushed product value of t₁₀, peak pressure and squeezing crushed product size distribution, broken energy research values ​​in order to guide the lignite roll crusher, hammer crusher, the actual crushing machine.

Lignite has low coal rank. As good coal has been almost exhausted, lignite has now become major coal used in power plants in China. Lignite is a more solid uneven crack, crack size, form and distribution will have an impact on fragmentation. Study the effects of the crushing process mechanism of crack has great practical value.

Keywords: CFB boiler; lignite；single particle；fragmentation behavior；crack

目录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章：绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究背景及其研究意义 1

1.2.1 CFB锅炉制煤系统中破碎机械的应用现状 1

1.2.2 课题研究意义 2

1.3 破碎理论的发展及研究现状 2

1.3.1 三大破碎功耗学说 3

1.3.2 破碎产物粒度分布特性研究现状 3

第二章：单颗粒煤岩冲击破碎实验 4

2.1 引言 4

2.2 实验装置 5

2.3 单颗粒煤岩冲击破碎相关理论 5

2.3.1 单颗粒煤岩冲击破碎新生表面能和能量利用率的计算 5

2.3.2 单颗粒煤岩冲击破碎能耗模型 8

2.3.3 单颗粒煤岩冲击破碎产物粒度分布模型 8

2.4 单颗粒煤岩冲击破碎实验 9

2.4.1 破碎能耗与破碎产物t10值的关联研究 9

2.4.2 原煤粒径对破碎特性的影响规律 12

2.4.3 单颗粒煤岩冲击破碎能量利用率的影响因素 14

2.4.4 单颗粒煤岩冲击破碎产物的粒度分布特性 15

第三章：单颗粒煤岩挤压破碎实验 18

3.1 引言 18

3.2 实验装置 18

3.3 单颗粒煤岩挤压破碎力学模型 18

3.4 单颗粒煤岩挤压破碎实验 20

3.4.1 煤岩几何形状对其破坏力的影响 20

3.4.2 煤岩几何形状对其破碎功耗的影响 22

第四章：煤岩裂纹对其破碎特性的影响 23

4.1 煤岩的结构特征 23

4.1.1 煤岩的裂纹分类及成因 23

4.1.2 煤岩裂纹的受力扩展方式 24

4.2 煤岩裂纹对其破碎特性的影响 25

4.2.1 裂纹的分布方式对破碎特性的影响 25

4.2.2 裂纹的尺寸大小对破碎特性的影响 26

结 论 28

致 谢 30

参考文献 31

第一章 绪论

1.1引言

进入21世纪，伴随着科技进步、人们生活质量提高的同时，环境污染、能源危机等问题也日益严峻。发电厂是城市的动力核心，然而高能耗、高污染等问题却制约着其进一步的发展。如何提高发电效率、减少污染物排放成为电厂急需解决的问题。

CFB技术即循环流化床锅炉的产生提供了一种可能解决上述问题的可能。CFB锅炉燃烧技术是新兴的一种高效、清洁的燃煤技术。相较于传统煤粉炉，CFB锅炉具有燃料适应性广、燃烧效率高、污染物排放少等优势。因此CFB锅炉对于缓解目前的能源短缺和环境污染等问题有着重要意义。

但是CFB锅炉在运行过程中存在着厂用电消耗大的问题,其中很大一部分消耗在原煤的破碎过程中；另外，原煤破碎产物的粒度分布状况对CFB锅炉运行特性也会产生较大的影响。

因此，研究原煤的破碎特性，掌握破碎过程中的能耗规律以及产物粒度分布情况是十分必要的。

本章主要介绍原煤破碎特性研究的重要性，该领域国内外的研究现状，以及阐述本课题研究目的和研究工作的开展。

1.2 课题研究背景及其研究意义

1.2.1 CFB 锅炉制煤系统中破碎机械的应用现状

CFB锅炉可以对燃煤进行循环燃烧，由于这个特点其对燃煤的粒径范围的要求就相对宽松了很多。理论上认为，燃煤颗粒粒径在0—12mm范围之内就能够在CFB锅炉内进行很好地燃烧。因此，不同于传统的锅炉燃煤制备系统需要对原煤进行反复破碎研磨，CFB锅炉的原煤只需要简单的破碎即可进行燃烧^[1]。

破碎机械施加的常见破碎力有挤压、劈碎、冲击和剪切折断。基于此，破碎机械通常有对辊式破碎机械、锤式破碎机械、圆锥破碎机械和颚式破碎机械这几大类。其中锤式破碎机和对辊式破碎机具有破碎性能稳定，破碎产物粒径易于控制等优点。因而，CFB锅炉广泛采用这两种破碎机械进行燃煤的制备。同时，这两种破碎机械又都存在自身的不足。对辊式破碎机对水分的适应性强，但其破碎比小、产量相对较低的缺点成为了其发展的瓶颈。另一方面，锤式破碎机有着破碎比大、产量高的优势，但是其对水分的适应性差^[2]。

1.2.2 课题研究意义

CFB锅炉技术存在高效、清洁、低污染排放的优势，这使其成为未来电厂燃煤技术的一个重要发展方向。同时，CFB锅炉技术的厂用电耗率大、破碎机械耗能严重等问题也亟待改善和解决。

破碎机械内部的力学作用复杂，原煤破碎机理研究不足。现阶段我们还只能依靠经验对破碎机械进行设计、选型。这势必会造成一定的问题，如能耗过大、破碎产物粒径不合格等。国内外对破碎原理的研究比较广泛，然而专门对电厂用煤的原煤破碎特性的研究还远远不足。鉴于破碎机械内部对原煤施加的作用力复杂，难以进行深入的研究，因而本课题选择对原煤单颗粒进行相关的研究。研究的开展主要包括两个方面：单颗粒的挤压破碎和单颗粒的冲击破碎。通过研究原煤粒径、形状、裂纹分布、冲击势能、破碎产物t₁₀值，获得对能耗、破碎产物粒径分布产生重要影响的因素，以期对原煤的破碎生产产生一定的指导作用。

本课题研究的煤种是褐煤。褐煤是煤化程度最低的煤种，但是由于优质煤几乎被开采一空，褐煤如今已成为我国主要的电厂用煤。因此，对褐煤的破碎特性以及破碎产物的分布特性进行研究具有巨大的现实意义。

1.3 破碎理论的发展及研究现状

破碎是一个物料粒度逐渐变小、形状随之不断变化的不可逆过程。外部荷载作用在物料的裂缝处、损伤处等薄弱环节，导致应力集中使裂缝扩展变形，当变形达到极限时就会发生破碎。破碎过程中新产生的粒子吸收一部分破碎能，再次产生裂缝。因此，从力学的角度来讲，破碎过程实质上是一个功能转化的过程。在实际生产过程中，破碎能耗很大，对破碎理论的研究逐渐因此人们的关注。破碎生产活动历来已久，但是大规模的生产作业开始于第一次工业革命之后。伴随着大规模的工业生产，急需一种破碎理论可以指导实际的生产活动。1867年，德国学者P.R.Von Rittinger首次提出了一个崭新的概念——破碎理论，以一种量化的方式揭示了破碎能耗与物料破碎状态的关系。随后众多学者纷纷提出自己的看法，逐渐奠定了破碎理论的基础。这其中最经典理论包括：Rittinger的“面积学说”，Kick的“体积学说” 以及Bond的“裂缝学说”。

1.3.1 三大破碎功耗学说

1、P.R.Von Rittinger的面积学说

1867年，P.R.Von Rittinger提出的“面积学说”认为破碎能耗与破碎产物的新生表面积成正比。数学表达式如下：

（1.1）

式中：e为单位质量物料所消耗的能量；C_R为Rittinger能耗系数；d₁、d₂分别为破碎前后颗粒的平均粒径。

2、F. Kick的体积学说

1874年，Kick提出“体积学说”。他认为外力使物料发生形变，当物料的变形程度达到极限时就会发生破碎。他提出物料变形的程度是与其体积的改变量成正比关系的，从而建立了物料的破碎能耗与物料体积之间的联系。其数学表达式如下：

（1.2）

式中：e为单位质量物料所消耗的能量；C_K是Kick能耗系数；d₁、d₂ 分别为破碎前后颗粒的平均粒径。

3、F.C.Bond的裂缝学说

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