Powder Technology 256 (2014) 377–384

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Powder Technology

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Investigation of breakage characteristics of low rank coals in a laboratory swing hammer mill

Jihoe Kwon ⁎, Heechan Cho, Daeyang Lee, Rina Kim

a Department of Energy Systems Engineering, Seoul National University, Korea

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 9 June 2013

Received in revised form 18 December 2013

Accepted 10 January 2014

Available online 21 January 2014

Keywords: Hammer mill Coal Breakage

Population balance model Scale-up

Comminution theory

a b s t r a c t

The breakage characteristics of low rank coals were tested in a laboratory using ECO coal from an Indonesian mine as the feed material. The grinding test results were used to fit the parameters of the breakage functions of an existing continuous hammer mill model. The mill hold-up, specific energy and projection rate to the screen were analyzed to observe the effects of operating conditions. The results indicate that for each underscreen aperture there exists a characteristic threshold point of the feed rate above which over-grinding occurs. This threshold point can be used to determine the optimal operating conditions of the breakage process. Additionally, a scale-up model of the hammer mill is established based on the energy-size relationship to predict the mill capacity as a function of the mill design and the operating parameters. A comparison between the prediction from the model and the manufacturers data illustrates that the model based on Rittingers theory fits the break- age characteristics of the hammer mill better than the models based on Bonds and Kicks theories. The established scale-up model agrees well with the manufacturers test data within an acceptable degree of accuracy.

copy; 2014 The Authors. Published by Elsevier B.V. Open access under CC BY-NC-ND license.

1. Introduction

Low-rank coal (LRC) generally refers to brown coal, lignite and, occasionally, sub-bituminous coal. Reservoirs of LRC are well distributed worldwide and the total amount of LRC is comparable to that of bitumi- nous coals. Despite its abundance and distribution of reservoirs, LRC has two major drawbacks as a fuel, i.e., the high water contents and the sus- ceptibility to spontaneous combustion. Because of these drawbacks, LRC is generally recognized as a fuel with no value and is partially used as a base material for some chemical products.

However, increases in oil prices are expected to be prolonged over de- cades and the utilization of LRC is a potential method to cope with the global energy crisis in the long-term. Recently LRC has been regarded as a major source of various clean coal technology processes such as the ultra clean coal (UCC) I, UCC-II, hyper coal and upgraded brown coal (UBC) processes. To meet the requirements for environmental quality and efficiency standards, all of these processes require proper designing of beneficiation or chemical treatments to remove moisture, ash and the functional oxygen group which is a major cause of spontaneous combustion.

The first stage of coal beneficiation is comminution, a process of breaking a large mass into fine particles. Comminution is one of the most energy intensive unit operations in coal processing. During crusher

⁎ Corresponding author. Tel: 82 2 880 1895.

E-mail address: iori96@snu.ac.kr (J. Kwon).

or mill operation, only a small fraction of the energy is used for actual breakage and the rest is absorbed into the machine and lost. The total cost of the beneficiation procedure strongly depends on the efficiency of comminution process. Thus, designing an energy efficient comminu- tion process plays an important role in the coal beneficiation process in minimizing cost. Selecting the appropriate grinding machine and estab- lishing the optimal conditions are crucial to increase the efficiency of comminution.

A hammer mill, an impact-type crusher, is one of the most exten- sively used mills for coal crushing, and it provides high-performance breakage. A hammer mill provides a high size reduction ratio, i.e., the ratio of the particle size of the feed to that of the product, by just a single stage of breaking, without having stepwise operations or using different types of grinding equipment for each stage. Another advantage of using a hammer mill is that given the product size it provides, the capacity, i.e., throughput per unit time, is very high. A major drawback of using the hammer mill, the wear and tear of hammers, appears negligible or less important especially for the crushing of LRC, which is generally softer than high-rank coal.

To establish the optimal operating conditions of hammer mills, we employed a mathematical modeling approach, which minimizes the need for tests under extensive conditions. A frequently used approach for the breakage modeling is a population balance model (PBM) which is based on the size-mass balance and the kinetic functions of breakage. of spontaneous combustionCompared to the empirical energy-size relationship model, PBM is able to predict the complete size distributions under given operating conditions.

http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2014.01.047

0032-5910 copy; 2014 The Authors. Published by Elsevier

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实验室摆动锤磨低品位煤的破碎特性研究

摘 要

以印尼某煤矿生态煤为原料，在实验室对低品位煤的破碎特性进行了测试。磨削试验结果拟合了现有连续锤磨模型的断裂函数参数。分析了阻留率、比能和屏幕投影率对操作条件的影响。结果表明，对于每个下筛孔径，都存在过磨率的特征阈值点。该阈值点可用于确定断裂过程的最佳操作条件。此外，基于能量-尺寸关系建立了锤式轧机的放大模型，预测了锤式轧机的产能随轧机设计和运行参数的变化关系。模型预测结果与生产厂家数据的对比表明，基于Rittinger理论的模型比基于Bond和kick理论的模型更符合锤磨机的断裂特性。所建立的放大模型在可接受的精度范围内与制造商的测试数据吻合良好。

关键字：锤式粉碎机 煤炭 破损 人口平衡模型 扩大规模 粉碎理论

第1章 介绍

低级煤一般是指褐煤、褐煤，偶尔也指亚烟煤。LRC油藏在世界范围内分布良好，其储量总量与烟煤相当。尽管储集层丰富且分布广泛，但LRC作为一种燃料存在两个主要缺点:，水含量高，易自燃。由于这些缺点，LRC通常被认为是一种没有价值的燃料，部分用作一些化工产品的基材。

然而，石油价格的上涨预计将在几十年内持续下去，使用LRC是一种长期应对全球能源危机的潜在方法。近年来，LRC被认为是超清洁煤(ultra clean coal, UCC) I、UCC- ii、超清洁煤(hyper coal, UBC)和褐煤(coal, UBC)等多种洁净煤技术流程的主要来源。为了满足环境质量和效率标准的要求，所有这些过程都需要进行适当的选矿或化学处理设计，以除去作为自燃主要原因的水分、灰分和官能团。

选煤的第一阶段是粉碎，即将大质量的煤粉碎成细颗粒的过程。粉碎机是煤炭加工中最耗能的单元作业之一。在破碎机

或磨机操作，只有一小部分的能量用于实际破碎，其余的被吸收到机器和损失。选矿过程的总成本很大程度上取决于粉碎过程的效率。因此，设计一种节能的粉碎工艺对降低选矿成本具有重要意义。选择合适的磨床，确定最佳的磨削条件是提高粉碎效率的关键。

锤磨机是一种冲击式破碎机，是目前应用最广泛的碎煤机之一，具有高性能的破碎性能。锤磨机提供了一个高的尺寸缩小比，即。，即原料粒度与产品粒度之比，只需一次破碎，无需分步操作，也无需各阶段使用不同类型的研磨设备。使用锤磨机的另一个优点是，考虑到它所提供的产品大小、容量，即。，单位时间的吞吐量非常高。锤磨机的一个主要缺点是锤头的磨损，这一点在碾碎LRC时显得微不足道或不那么重要，因为LRC通常比高级煤更软。

为了确定锤磨机的最佳运行条件，我们采用了数学建模的方法，在广泛的条件下最小化了测试的需要。一种常用的破碎建模方法是基于尺寸-质量平衡和破碎动力学函数的总体平衡模型(population balance model, PBM)。与经验能量-尺寸关系模型相比，PBM能够预测给定工况下的完整尺寸分布。。

本研究的目的是研究在洁净煤技术中使用的摆动锤式碾碎机对轻质混凝土的破碎特性。一般来说,适当的棕色的煤的粒度分布范围是100 - 3000mu;m升级过程,因此,这一过程被认为是在这个工作是专为这个范围。为了设计出最佳的褐煤磨削工艺，使其达到粒度范围，我们首先在不同的进给速度和筛分尺寸下进行了多次磨削试验。奥斯汀等人利用磨削试验结果确定了包含破碎函数的连续锤磨模型的理想参数。与广泛应用于球磨机和半自凝(SAG)磨机的PBM相比，从批量磨削试验中确定锤磨破碎模型的参数存在实际问题。因此，我们采用了非线性规划方法。通过减少规划方法中目标参数的数量，提高了反算的可靠性;一些参数是利用不同实验数据集之间的关系确定的(详见第2节和第3节)。

分析了磨机的持量、比能和对屏幕的投影率，评价了操作条件的影响。接下来，为了扩大锤击式磨机的规模，建立了一个模型，根据磨机的尺寸、转速、进料材料的尺寸和目标产品尺寸来预测磨机的生产能力。利用该模型对轧机产能进行了预测，并与三家不同厂家的技术数据进行了比较。

第2章 模型描述

本文采用Austin等人的连续锤磨模型。完全混合磨削模型的方程为

=- (1)

在哪里

= (2)

平衡物料在磨机保持与产品之间的每一尺寸间隔

=r(1-)tau; (3)

结合方程式。(1)和(3)给出

= （4）

Si和Bij的函数形式，即Bij的累加形式，一般符合以下参数方程[2,3]

(5)

我们在本文中使用的选择性函数si具有如下参数形式。

对于一个已知的Si, Bij和r (1minus;Si),其可能计算gamma;i顺序从i= 1开始。一般情况下，函数S和函数b的参数可以分别用一种采用一阶动力学[3]的单尺寸分数进料进行估计，也就是我们所说的BII方法[4]。然而，对于锤磨机，颗粒破碎时间较短，基于这些方法的一阶动力学速率和一次破碎分布的测量存在问题。从实验室规模的试验结果来看(图1)，考虑到99%的材料在1s内破碎，我们得出的结论是，由于实际原因，确定s的功能，特别是B的批量磨矿试验不适用于锤磨机。相反，我们使用了一种使用非线性优化技术的反向计算方法。该方法得到的破碎参数使试验数据与计算数据的尺寸分布差异平方和最小。

为了减少参数间的干扰，提高反算的可靠性，需要减少未知数的数量。为此,相关的参数动力分类是决定不通过计算但拟合实验结果通过比较产品的粒度分布和使用情商的轧机障碍。(3)和tau;= W / F。测试的可靠性和选择性函数的计算将在

第3章 节中讨论。

3.1 试验与破损建模实验方法

实验采用立式回转锤磨机进行。锤磨机的结构和工作条件如表1所示。以印尼的生态煤为原料。调查提要的大小分布的影响煤炭,煤炭是按大小分类使用radic;2我们标准的筛子和重组以几种不同的方式来使不同粒径分布。采用五种不同饲料粒度组成(图2)研究饲料粒度分布的影响。对于所有其他的实验，只有饲料3号使用。

选了一个振动给煤器把煤放进去。由于振动给料机在精确控制给料速度方面存在固有的困难，故采用

1

2

3.

4

5

图1所示 锤式粉碎机批量磨削试验结果与单一尺寸饲料(1.18times;0.83mm）

参考	价值	单位
轧机长度	360	mm
轧机直径	270	mm
转子转速	1260	Min^-1
锤头速度	16	m/s
锤子数量	3	ea
下筛孔径	3.2，9.6，3.2	mm

每次测试后测量。采用3.2、4.8、9.6 mm三种不同孔径的下屏。3.2、4.8和9.6 mm屏幕的进给速率分别为215-741、199-854和187-1608 kg/h。

为保证铣削过程的稳定，从开始到结束三分钟后对破碎产品进行取样，然后停止铣削。在停机的同时，将下筛封好，防止磨机中滞留的颗粒通过下筛。然后，对轧机保持架进行采样，测量其尺寸分布。测量的轧机支撑的准确性并不总是可靠的，特别是如果摆动锤需要很长时间来停止[5]。机用于这项工作是实验室轧机中,花费的时间不到5 s的锤子变得静止不动的,因此,在贮存期间停止操作是合理假定为微不足道的错误的测量机障碍被认为是微不足道的。

3.2 实验结果

由所测得的持水量和进给速率得到的产品的尺寸分布和平均停留时间，即tau;= W / F,五个不同的feed绘制在无花果。3和4,分别。实验控制在10%以内，使饲料率变化最小。结果表明，在本工作中应用的粒度范围内，进料粒度分布对产品粒度分布和产能的影响可以忽略不计。

不同进给速率和屏幕尺寸下的平均停留时间如图5所示。对于每一种筛下尺寸，存在一个进料速率的阈值点Fc，在该阈值点Fc之上，滞留时间和平均停留时间显著增加，如3.2 mm、4.8 mm筛上滞留时间约为500 kg/h, 9.6 mm筛上滞留时间约为800 kg/h。不言自明的是，随着平均停留时间的增加，比能增加。锤磨机是一种中型冲击破碎机，颗粒在短时间内破碎成目标粒径。停留时间的增加会导致磨削过度，使磨削效率降低。对颗粒粒度分布的分析表明

图2所示 饲料煤粒度分布

0.1

1

图3所示 不同进料粒度分布下产品的合成粒度分布:(a) xs = 3.2 mm， (b) xs = 4.8 mm， (c) xs = 9.6 mm。

在上述进给速率Fc的阈值点附近，超磨至0.1 mm以下的细颗粒也显著增加(图6)。

3.3 测定硅

如第2节所述，在反算函数S和B的参数之前，先确定了r和si的参数

图4所示 平均停留时间(tau;= W / F)对不同饲料分布和屏幕尺寸大小

使用Eq.(3)的测量值和pi;,mi, r和tau;。R的测定通过比较大小的分数区间72 - 102mu;m停顿和产品。

合成的选择性函数si如图7所示。结果的微小偏差表明，通过拟合实验数据来确定r和si是较为准确的。对于每个屏幕大小，四组不同实验结果的选择性函数值在可接受的偏差范围内很好地对应。

图8所示为实测持位r值，也清晰地显示了阈值点Fc的存在。为了获得最佳的性能和防止过度研磨，锤磨机应在接近阈值点Fc的进给速率下运行。屏幕尺寸与Fc之间的定量关系尚不明确，今后将进行详细的实验建立实证关系。对于xs =9.6 mm的情况，在本工作中采用的进给速率范围内，磨机持磨量的绝对值和平均停留时间维持在足够低的水平，在阈值点附近没有观察到明显的物理性能变化。

3.4 反算和仿真结果

单纯形法[6]是用来确定最优值的五个参数:alpha;,phi;,gamma;和beta;。反算结果提供以下值:= 2.813 sminus;1 (xo = 1.18毫米)

图5所示 平均停留时间(tau;= W / F)对不同饲料利率和屏幕尺寸

图6所示 在不同的进给速度和筛分尺寸下，产品中的细颗粒分数(b0.1 mm)

alpha;= 1.3,phi;= 0.7,gamma;= 0.85,beta;= 3.35。表2列出了从各种初始猜测中反算出的参数。用五种不同的初始猜测反演得到的五个参数的解收敛;这说明反算得到的解是唯一的。图9为模拟尺寸分布与实验结果的对比。实验结果与仿真结果基本一致，说明所估计的参数是准确的。从图9(a)和(b)的产品尺寸分布也可以清楚地看到临界点Fc附近的“跳跃”。

第4章 锤磨放大模型

本研究中使用的“放大模型”是指磨机生产速率与设计/运行参数(如转子直径、转速、进料物料尺寸、目标产品尺寸)之间的定量关系。该数学关系的建立为给定轧机尺寸和运行条件下的生产能力预测提供了依据。

就能量而言，磨机的生产速率可以描述如下。

生产速率= （8）

为了将式(8)中的能量变量代入感兴趣的设计/运行参数中，我们考虑了三种被广泛使用的传统粉碎理论，它们提供了能量与粒度缩减之间的定量关系。Rittinger的理论是基于这样一个假设:研磨所需的能量与新形成的表面[7]成正比。

=(-） （9）

Kick理论通过对弹性极限下塑性变形的应力分析，认为在恒压比下磨削所需的能量是恒定的，即进料粒度与产品粒度[8]的比值。

（10）

邦德的第三个粉碎理论认为，研磨所需的能量与新裂纹的长度成正比。得到的方程如下:

（11）

尽管许多不同的来源将这三种理论称为“定律”，但这些理论一直是争议的主题。因为

图7所示 实验数据拟合的选择性函数

图8所示 r用于不同的进给速率和屏幕大小

在这三种模型基本假设的差异中，模型的有效性在很大程度上取决于破碎机理，尤其是颗粒尺寸范围。由Hukki[10]推导，这些理论是Walker等人提出的相同微分方程的特殊形式，具体如下:

dEsp=-C

注意，对于Rittinger, n是2,Kick是1,Bond是1。5。Morrell[12]还提出了n关于x的指数函数形式。然而，使用这个模型会增加不确定性，因为附加的参数，因此在本文中不会讨论。

净磨削功率Pnet的测量或预测并不简单。注入磨机的大部分能量以热和

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