水泥粉磨節(jié)能技術和FPP磨機的研發(fā)

　　粉磨是建材、冶金、火電、無機化工等眾多過程工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的工藝流程，其電耗大、鐵耗高，不僅加大了生產(chǎn)成本，更影響到全社會的資源供應。

　　從上世紀70年代以來，可持續(xù)發(fā)展逐步成為世界各國政府與科技界、工業(yè)界最關注的焦點。什么叫可持續(xù)發(fā)展？布倫特蘭委員會認為：在不影響子孫后代生存的情況下，使當今人們的需求得到滿足。因此，經(jīng)濟運行的模式必須發(fā)生巨大變革。近幾年中，隨著溫室效應的日趨嚴重，低碳經(jīng)濟成為全球的中心議題。

　　在這一浪濤中，水泥粉磨節(jié)能技術得到了飛速發(fā)展，各種節(jié)能降耗的新型粉磨設備應運而生；FPP磨機就是其中最新的設備之一。

　　一、低碳經(jīng)濟推動水泥粉磨節(jié)能技術的發(fā)展

　　1、水泥粉磨三大特征

　　水泥生產(chǎn)流程通常可簡單描述為“兩磨一燒”,原、燃料和水泥熟料的粉磨電耗大約占水泥總電量的70%-75%,對水泥生產(chǎn)的總能耗和成本影響很大。水泥粉磨主要有三大特征：

　?、?產(chǎn)量大、能耗高。1978年我國水泥產(chǎn)量僅為0.65億噸，從1985年起一直居世界第一并呈加速增長態(tài)式；到2002年猛增至7.25億噸，2007、2008、2009年，我國水泥產(chǎn)量更是分別高達13.2、13.9、16.3億噸。以每噸水泥綜合電耗105度計算，09年累計耗電171億度，其中用于粉磨的電耗約占整個電耗的70%－75%，為120－130億度。

　?、?物料的多樣性與時變性?！八喾勰ァ敝傅氖撬嗍炝蠠汕昂蟮摹皟赡ァ保ㄒ允沂癁橹鞯纳戏勰?、煤磨和水泥熟料的粉磨、混合材的粉磨。各種物料、特別是產(chǎn)地或生產(chǎn)廠家不同的同類物料，其易磨性相差較大；而且隨著濕度、溫度的變化，粉磨、篩分效率等參數(shù)會相應波動，單位產(chǎn)品的能耗也隨之不同，實施節(jié)能粉磨技術時必須予以分析。

　　⑶ 特定的工藝要求。粉磨作業(yè)必須滿足水泥生產(chǎn)工藝過程和產(chǎn)品質量的要求，這是水泥粉磨節(jié)能技術的大前提。生料粉磨要保證其易混性、易燒性；煤的粉磨要根據(jù)煅燒要求，從化學、物理兩方面予以平衡；熟料和混合材的粉磨涉及到水泥的質量，工藝約束更加嚴格：要在保證良好水化性、混凝土各期強度和耐久性等各方面性能的條件下，從比表面積、顆粒級配、微觀形貌及粉體混合的均勻度等各項指標上予以實現(xiàn)。中國水泥協(xié)會秘書長孔祥忠教授近年在不同場合，多次強度：從事粉磨技術研究和粉磨設備設計制造的同行，必須充分重視這一問題。 

　　2、節(jié)能降耗是水泥粉磨的熱點

　　節(jié)能降耗既是提高運轉率、降低生產(chǎn)成本的要求，也是節(jié)約資源、降低環(huán)境負荷的要求。這是水泥粉磨的熱點，也是世界水泥工業(yè)長久以來的主題之一。

　　傳統(tǒng)的破碎設備、粉磨設備以及兩者之間的關聯(lián)與負荷分配方式，使單位產(chǎn)品的電耗、鐵耗都偏高。在粉碎設備100多年的發(fā)展進程中，世界各國圍繞節(jié)能、降耗作了無數(shù)工作。在20世紀80年代，出現(xiàn)了“高能化”破碎理論以及基于高能化理論的破碎機，如美國A-C公司的高能圓錐破碎機、前蘇聯(lián)選礦設計院的系列慣性破碎機。尤其是“料層擠壓粉碎”理論的出現(xiàn)以及由此而開發(fā)的輥壓機、立磨等擠壓粉磨設備的成功應用，使粉磨節(jié)能技術產(chǎn)生了一次飛躍。從本質上講，“料層擠壓粉碎”就是“高能化”粉碎的一種有效方式。上述的理論與相應的設備，打破了傳統(tǒng)的節(jié)能模式，在對脆性物料斷裂特性與粉碎過程充分研究的基礎上，采用“高能輸入、強力粉碎”的途徑，取得了革命性的節(jié)能效果。這種開放性思維的成功范例，確實值得我們借鑒。

　　在國內(nèi)水泥界，粉磨作業(yè)主要設備一直是粉磨效率只有5%-8%的球磨機占支配地位，因此開發(fā)和研究高效粉磨工藝和新型粉磨設備一直是國內(nèi)外粉磨節(jié)能研究主題。法國FCB公司、德國洪堡公司和丹麥史密斯公司先后開發(fā)出基于料床擠壓粉碎理論的新型粉磨裝備，如現(xiàn)代立磨、擠壓磨和筒輥磨，在各國水泥廠廣為運行，粉磨節(jié)能效果達到25%-35%。國內(nèi)，在科技部和行業(yè)主管部門的重點支持下，天津水泥設計研究院、合肥水泥研究設計院從“七五”開始多年來一直對擠壓粉磨設備以及其構成的預粉磨和終粉磨系統(tǒng)進行了研究，取得了可喜的成果。南京水泥研究設計院、武漢理工大學、華新水泥股份有限公司分別開展了基于料床擠壓粉碎理論的新型筒輥磨機進行的理論與應用研究，已取得了階段性成果。

　　目前存在的問題是：在全國范圍內(nèi)，單位產(chǎn)量的粉磨電耗仍然高于國外水平；大型設備仍處于技術跟蹤的狀態(tài)，更缺乏系統(tǒng)成套的自主開發(fā)能力；日益增多的固體廢物和低品位原燃料的利用須進行粉磨，相應的設備尚待研究開發(fā)。為此，國家相關部門采取了系列重大措施，強制性地限期淘汰直徑3米以下的高能耗球磨機，大力支持節(jié)能粉磨技術和裝備。據(jù)國家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)司劉明處長的測算：“采用節(jié)能粉磨技術，對年產(chǎn)60萬噸以上規(guī)模粉磨系統(tǒng)進行改造，需要投資約800億元”，這是一個很大的市場！

　　3 、水泥粉磨節(jié)能技術的新進展：

　　在上世紀90年代以后，節(jié)能降耗的驅動從單一的追求利潤擴展到社會責任，從而加快了技術發(fā)展的速度與廣度。主要表現(xiàn)在下列幾個方面：

　?、拧案吣芑狈鬯榧夹g的進一步拓展，大批新型粉碎設備不斷涌現(xiàn)。這是近20年來粉碎技術與設備發(fā)展的一個明顯特征。如瑞典sandvik集團推出的H7800型圓錐破碎機、德國Hazemag&EPR公司推出的AP—K51型反擊破碎機；法國FCB公司對Horomill做了重大改進，完善了產(chǎn)品系列，等等。而原有的輥壓機、立磨以及大型破碎機也進一步提高了性能、完善了運行參數(shù)、擴大了使用范圍。我們國內(nèi)，也從初期的引進、消化到實現(xiàn)技術與產(chǎn)品的國產(chǎn)化。如合肥水泥院、中信洛礦、天津水泥院等企業(yè)的輥壓機、立磨分別成為了行業(yè)的知名產(chǎn)品。江蘇飛鵬公司率先自主研發(fā)的多輥立式預粉磨機——FPP磨機，先后通過省、部級的技術成果鑒定和產(chǎn)品鑒定，正在迅速擴大市場。

　?、乒?jié)能粉碎措施從宏觀向微觀的深化。作一個簡單的例子：在圖1中，從A點到D點，從宏觀上講，不管走ABD或ACD，距離相等。在步行時，從人的趨近心理出發(fā)，大部分人會走ABD；但若是開車，就必須從微觀上考慮轉彎的減速與功耗，應該走ACD更省功、省時。當然粉磨節(jié)能的問題不會這么簡單。

　　以生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥為例，傳統(tǒng)的方法是將礦渣、水泥熟料、石膏共同粉磨。細化分析得知，由于易磨性差異較大，礦渣達不到應有細度而浪費了它的潛在活性，因此，目前先進的生產(chǎn)線都采用礦渣與水泥熟料“單獨粉磨”再混合的技術和設備配置，雖然設備投資大一些，但節(jié)能效果明顯、資源利用充分。再細化研究，還有沒有節(jié)能的潛力呢？德國一家水泥廠提出了“混合粉磨”的方式：先將礦渣預粉碎改善其易磨性，再與水泥熟料、石膏混合粉磨至成品，既可以利用粉磨中自然混合而省去“單獨粉磨”后的混合能耗，又可以利用硬質礦渣微粉的微介質作用減少熟料粉磨的電耗。這種“宏觀加微觀” 的節(jié)能、降耗思路，在其他粉碎設備的設計與配置上也有所體現(xiàn)，不在此一一列舉。我們看重的是這種思路的啟發(fā)。

　　[3]從單機節(jié)能向系統(tǒng)節(jié)能的擴展。粉碎設備是一個系統(tǒng)，和所有機器一樣，由四大部分組成，如圖2所示：

　　顯然，產(chǎn)品生產(chǎn)的能耗，不僅取決于“工作機”的功能與性能，也與其他三大部分的功能和性能密切相關。90年代以前，人們在“工作機”上做了很多有益的工作，現(xiàn)在也還在做；90 年代以后有了很大變化，除了調(diào)頻技術、斬波技術等等被廣泛采用之外，傳動、驅動部分的技術與設備也在圍繞節(jié)能而改進。例如粉磨設備的支承方式，在大型球磨機上普通采用了滑履支承；在中、小型球磨機上，出現(xiàn)了用新型滾動軸承取代傳統(tǒng)的軸瓦，國內(nèi)以遼寧北票理想公司自主開發(fā)了JMQ系列節(jié)能磨機和LMJU系列磨機專用滾動軸承為代表的產(chǎn)品。由華中科技大學研發(fā)的“變極起動無滑環(huán)繞線轉子感應電動機”，無需串入起動電阻解決了重載起動問題，取消了滑環(huán)碳刷，不僅提高了驅動裝置的可靠性，而且降低了7%-9%的驅動能耗，并且有較大的過載能力。FPP磨機系統(tǒng)中，以新型的自流振動分級代替現(xiàn)行的氣流分級，使分級電耗從每噸4度降為0.1度，等等。當然，從系統(tǒng)上綜合節(jié)能，還有其他方面與實例，不再一一列舉。

　　4、“綠色制造”為粉磨技術提供了廣闊的舞臺

　　水泥的綠色制造已提了10來年，主要包括節(jié)省資源、減排降荷、消納廢棄物、研究新型的“綠色水泥”等。

　?、?nbsp;  天然礦物的充分利用，拓展了粉磨技術的研究與應用

　　上世紀90年代以來，若干主要工業(yè)生產(chǎn)所需的天然礦物資源漸顯短缺，原料成本上升，而市場上對粉體產(chǎn)品的質量要求越來越高。如何滿足市場要求，提高天然礦物的利用率和附加值，是粉碎技術與裝備發(fā)展中，必須關注的一個課題。

　　由于高品位、優(yōu)質礦物的日益短缺，低品位、劣質礦物的利用勢在必行，這就對礦物的預加工、粉碎、分選、均化等提出了更高的要求。

　　對水泥工業(yè)來說，優(yōu)質石灰石、優(yōu)質原煤面臨著潛在的資源危機；巨量的煤矸石和礦山表層料，必須消納。

　　對石灰石資源：已探明我國各種石灰石資源儲量為500多億噸，其中目前不能用于水泥生產(chǎn)的低品位石灰石約300億噸。2009年我國水泥產(chǎn)量16.3億噸，消耗優(yōu)質石灰石11.5億噸以上。以次預測，水泥工業(yè)按目前增長速度和現(xiàn)有資源利用技術，優(yōu)質石灰石資源將在今后20年內(nèi)耗竭。 低品位資源、替代資源的有效利用技術，是解決水泥工業(yè)面臨的資源挑戰(zhàn)問題的一項重大共性關鍵技術。其中，原料粉磨技術是重要內(nèi)容之一。

　　據(jù)統(tǒng)計：2009年我國原煤產(chǎn)量為29.6億噸；水泥生產(chǎn)就消耗了1.8億噸，占了6.6%，而旋窯水泥燒成中，原應采用高熱值煙煤。國內(nèi)外煙煤供應緊張、價格高，應尋求改用煙煤和低熱值煤的途徑。合肥水泥研究設計院近來研制出高細煤粉立式磨，“打破了水泥業(yè)界煤粉制備只能用球磨的傳統(tǒng)”，解決了新型干法水泥生產(chǎn)中利用無煙煤和低品位煤做燃料的難題，獲得良好的經(jīng)濟效益和節(jié)能效果。

　　⑵   固體廢棄物的再資源化，正在推動著粉磨技術裝備發(fā)展

　　工業(yè)固廢種類繁多，如冶煉廢渣、化工廢渣、礦山廢石與尾礦、火電廠廢渣等等，數(shù)量龐大，性質各異。目前其利用的主要途徑是生產(chǎn)建筑材料。上世紀90年代以前，上述固廢也在利用，如?；郀t礦渣、粉煤灰等早已用于水泥混合材，但是屬于低水平的利用。近20年來，利用工業(yè)固廢的技術與設備的水平有很大提高，從而實現(xiàn)了資源化利用。以?；郀t礦渣為例，前后的變化可用下表1簡概表明：

　　對于建筑垃圾的資源化利用，近20年內(nèi)才逐步成為熱點。建筑垃圾主要來源于新建筑物施工、舊建筑物拆除、建筑物裝修以及建筑物的非正常破壞。建筑垃圾是城市垃圾的主要來源之一。國外發(fā)達國家對建筑垃圾的利用發(fā)展很快：在德國，建筑工地垃圾利用率1987年還為零，到1998年就達到72%；在丹麥，建筑垃圾利用率從1990年的25%提高到1999年的90%；在日本，土木工程建設廢棄物再生率1995年就達到68%。

　　我國起步較晚，建筑垃圾占地與資源浪費比較嚴重。以廣州為例，每天有200多個建筑工地施工，建筑垃圾排放堆場面積在1萬平方米以上的有110多個，主要傾倒和填埋。中國建材研究院1999年開始將建筑廢棄物綜合治理列為院“九五”攻關，10多年來做了大量前期工作，并在汶川大地震后建設了建筑垃圾資源化利用生產(chǎn)線。但全國范圍內(nèi)，情況仍顯落后，尤其是在建筑垃圾資源化利用技術與設備方面。將建筑垃圾制成粗砂，是提高其利用率和資源化水平的有效途徑之一。目前面臨的難點之一是設備問題。如：廢混凝土粉碎中如何去除鋼材的影響；在公路工程中如何解決沿線作業(yè)的設備等等。這也是對粉碎設備的挑戰(zhàn)與機遇。

　?、?nbsp;  綠色水泥欣然問世，將提出全新的技術課題

　　據(jù)科學網(wǎng)電子雜志最新報道：由英國Novacem公司瓦拉斯普魯斯牽頭研制成功的綠色水泥，被評為2010年最具潛力的十大科技成果。瓦拉斯普魯斯的綠色水泥采用鎂硅酸鹽取代先前的基礎原料石灰?guī)r。鎂硅酸鹽不僅在制造過程中比標準水泥需要的熱量少，而且在硬化過程中還能夠有效吸收空氣中大量的二氧化碳，這使得生產(chǎn)總體上是“碳負性”。Novacem公司表示，這種水泥產(chǎn)品在整個生命周期中每噸可吸收0.6噸的二氧化碳，而且，它在加熱時需要的溫度也相對不高，大約需要650攝氏度(℃)。有學者分析:這種水泥的原料制備和水泥制成，將使現(xiàn)有的粉磨技術發(fā)生巨大變化。

　　二、FPP磨機研發(fā)的技術特點探討

　　為了滿足 “節(jié)能降耗”與“資源有效利用”的社會要求，粉碎設備必須在技術上不斷進步。江蘇飛鵬公司經(jīng)多年努力研制成功FPP磨，體現(xiàn)了粉磨節(jié)能技術的潮流，其主要特點為：

　　1、FPP磨機采用“優(yōu)勢設計”的市場原則和技術創(chuàng)新相結合的措施

　　所謂“常規(guī)設計”（Routine Design），就是按照已有的知識和規(guī)劃，進行一般機器的設計。從上世紀50年代起，在市場競爭推動下，從美國開始掀起了“創(chuàng)造性設計”的熱潮，傳及到世界各發(fā)達國家。在此熱潮中，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，市場空前繁榮。但這并不能使每個企業(yè)都平安生存，甚至一些知名的大企業(yè)也發(fā)生過破產(chǎn)或面臨過破產(chǎn)的威脅。人們發(fā)現(xiàn)：花樣翻新的設計在市場上的成功率只有20-30%或更低，甚至加重企業(yè)的危機。用前幾年國內(nèi)流行的一句話：“不上項目是等死，上項目是找死”。因此，人們又把注意力放到企業(yè)的“經(jīng)營管理”和“市場營銷”上來，還興起了一門“工業(yè)工程學”的新學科。這對于企業(yè)當然是十分重要的。但是，這些學科都是以企業(yè)有了某種（些）有生命力的產(chǎn)品為前提，再從管理、經(jīng)營與市場營銷的角度來強化企業(yè)競爭力的。如果沒有好的產(chǎn)品，再好的管理也無濟于事。在美國最先出現(xiàn)了“為競爭的優(yōu)勢而設計”的思想，明確提出了“優(yōu)勢設計”（Advanced Desigh）的概念。因此，“優(yōu)勢設計”是以“常規(guī)設計”和“創(chuàng)新設計”為“基礎”的更高一層的設計概念，是強化市場競爭力的設計方法。

　　決定市場競爭優(yōu)勢地位的兩個主要指標是相對品質差異（relative difference）和相對成本（relative cost）。當企業(yè)產(chǎn)品的相對品質越高，而且相對成本越低時，企業(yè)的競爭地位就越高，甚至進入天堂的位置；相反則越危險，甚至跌入地獄。如圖3所示：

　　FPP磨的主要研發(fā)者從事水泥設備設計制造40余年，把握著市場脈搏與行業(yè)動態(tài)，他們把粉磨工藝、機械設計、耐磨材料等多門學科融為一體，面對國內(nèi)市場的需求和飛鵬公司自身的特點，經(jīng)過對產(chǎn)品方向的調(diào)研、分析、預測，堅持不懈走過了從“常規(guī)設計”到“創(chuàng)新設計”再到“優(yōu)勢設計”的各個階段，形成了目前的“優(yōu)勢產(chǎn)品”－－FPP磨機系列，被用戶迅速接受，獲得良好效益。

　　2、FPP磨節(jié)能技術的系統(tǒng)化方法

　　“系統(tǒng)化”是提高粉磨節(jié)能技術水平的有效途徑之一，F(xiàn)PP磨綜合運用粉磨工藝技術、機械工程技術及分級技術的方法，從壓力傳遞、料床穩(wěn)定、即時分級、機械篩分、系統(tǒng)配置等各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)功能優(yōu)化、節(jié)省粉磨過程能耗，降低成本。

　　FPP磨機構成的水泥粉磨系統(tǒng)，如下圖所示：

　　在圖示粉磨系統(tǒng)中，由于優(yōu)化了壓力機構的參數(shù)和壓力值，提高了壓輥向被磨物料傳遞壓力的有效性、減少了無用功；調(diào)整喂料位置、保持料層厚度提高了料床穩(wěn)定性；磨內(nèi)分級裝置起到即時分級作用，提高有效粉碎率；獨創(chuàng)自流振動篩替代氣流篩分，大幅度降低了選粉能耗；達到綜合節(jié)電30%-35%的世界先進水平。而圖4－2中的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)又將篩下物料中的合格細粉分出來，經(jīng)高效選粉機進成品庫，進一步降低了系統(tǒng)的分磨電耗。按“系統(tǒng)節(jié)能”的思維，F(xiàn)PP磨研制者還在繼續(xù)探索；這是值得借鑒的。

　　3、抗磨技術與耐磨材料的應用

　　抗磨技術與耐磨材料，是摩擦學與材料工程所研究的問題，也是粉碎設備的發(fā)展所必須面對的問題。磨損問題，不僅加大了耗材成本，降低了運轉率；而且也消耗了能量！但單純的強調(diào)材料的硬度或一味地追求高檔的耐磨材料，在很多情況下不僅增加了設備成本，而且效果并不好。在粉碎設備的抗磨措施中，要針對具體對象的磨蝕機理而采用合理的抗磨技術和選用合適的耐磨材料。

　　FPP采用變質劑澆鑄技術實現(xiàn)了硬度和韌性的協(xié)調(diào)，磨輥表面硬度達到HRC63以上、韌性達到6.5J/cm2。設計了獨特的抗磨結構，降低了金屬磨損耗，延長了構件的使用壽命。經(jīng)多方考核，該產(chǎn)品粉磨水泥熟料其無維修耐磨壽命可達5000小時以上，實踐證明：耐磨性能好，可以取代鎳硬Ⅳ，其價格也比較適中。

　　4、FPP磨機功能設計的個性化

　　粉碎設備的功能，不同于通常的制造業(yè)，其個性化要求高得多。特別是近20年來，功能個性化的趨勢日益明顯，除了受原料與產(chǎn)品的多變性影響之外，還有一個市場爭奪的因素。諾貝爾經(jīng)濟獎獲得者赫伯特.西蒙曾說過，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，最有價值的不再是信息，而是你的注意力。這就是所謂的“注意力經(jīng)濟”。

　　在國內(nèi)近10多年新開發(fā)粉體加工設備中，這種“功能個性化”的特征更為明顯。如南京高精齒輪公司研制了兩級均載功能的傳動裝置而突破了國內(nèi)立磨大型化的瓶頸；中材國際集團開發(fā)成功了NC型輥式篩分喂料機，實現(xiàn)了對礦石進行預處理的功能；還有諸多的烘干機、選粉機、收塵器等等，都體現(xiàn)了功能個性化的特征，對粉碎設備的拓展起著有利的作用。

　　FPP磨及其配置的自流振動篩，具有主機磨、選分離，磨內(nèi)調(diào)隙分級、磨外先篩后選等主要的獨到功能。以下圖所示的結構作一比較：

　　圖5中，立磨是將粉磨與分選合為一體，系統(tǒng)緊湊、可在磨內(nèi)烘干，特適用于生料磨，發(fā)達國家水泥生產(chǎn)線的生料磨幾乎全用它；但主機高度大、造價高，風機大、電耗高，磨、選串聯(lián)降低了可靠性。圖6中的FPP磨把磨、選分離，并通過內(nèi)篩分裝置（5）實現(xiàn)磨內(nèi)即時分級；出磨粉料經(jīng)自流振動篩篩分后，上篩面上物料反回FPP磨，下篩面上的細顆粒料進球磨機，最下面的細粉再進選粉機和球磨機的出料一起得到合格的產(chǎn)品（見圖4－2）。這種配置特適合水泥熟料、?；郀t礦渣、鋼渣等物料的粉磨；投資省、電耗低、維修方便，產(chǎn)品理化指標好。

　　這里要注意的是，功能個性化固然能吸引市場注意力，但是如果沒有性能的保證，產(chǎn)品是沒有市場的，即使短期吸引了眼球，也不會有長久的效益。劣質設備本身就是與低碳經(jīng)濟相背離。

　　結束語

　　粉磨設備是水泥工業(yè)生產(chǎn)中的關鍵設備，在冶金、礦業(yè)等過程工業(yè)中也基本相同，節(jié)能降耗大可為。只要我們樹立科學思路、重視技術創(chuàng)新，遵循“優(yōu)勢”原則，一定會獲得巨大的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。

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