P.O42.5水泥粉磨電耗降至20度以下技術途徑

  一、概述

  我國是水泥生產大國，水泥粉磨技術直接影響著水泥工業(yè)的振興和發(fā)展，相關資料表明每生產一噸水泥需粉磨各種物料達3-4噸之多，粉磨電耗占水泥生產總電耗的65-75%，粉磨成本占水泥生產總成本的35%左右，在能源日趨緊張的今天，要求我們不斷探索、采用新思路、新工藝、新技術向著優(yōu)質高產、節(jié)能降耗的方向發(fā)展。

  水泥輥壓機聯合粉磨系統(tǒng)相關技術經過國內多年來的實踐，技術日趨成熟，節(jié)能降耗初見成效。然在"多破少磨"理念指導下所采取的"大輥壓機配小管磨"的粉磨工藝，始終未達到預期的最佳效果。

  江蘇鹽城吉達公司是一家專注于水泥粉磨技術研究的高新技術企業(yè)，在水泥輥壓機聯合粉磨技術發(fā)展方面有著多年的技術改造經驗，公司于2012年6月在天山股份-庫車分公司的5000t/d 生產線的水泥聯合粉磨技改中，對輥壓機、球磨機采用"雙閉路聯合粉磨系統(tǒng)"，取得了重大突破：Ф4.2×13m水泥磨系統(tǒng)產量達350t/h，水泥質量穩(wěn)定，噸水泥粉磨電耗降至25度左右，目前此系統(tǒng)相關工藝技術正在天山股份及國內同類新型干法生產線（中聯、南方、西南等水泥）在建或技術改造項目中全面推廣。（見系統(tǒng)工藝圖1）：  

  （圖1）

  二、新疆天山股份庫車半終粉磨聯合改造技術介紹

  1、技改前基本情況

  新疆天山股份庫車水泥分公司日產5000t/d生產線，水泥粉磨系統(tǒng)主機采用φ1.8×1200輥壓機+φ4.2×13m球磨機組成的聯合粉磨系統(tǒng)，輥壓機裝機功率1250kW×2，通過能力：610～850t/h，球磨機裝機功率3550kW，生產能力：180~200t/h；物料配比：熟料75%、煤矸石18.5%、石膏6.5%為主、無助磨劑，成品比表≤350m2/kg，輥壓機與球磨組成的聯合粉磨系統(tǒng)采用的是國內水泥生產企業(yè)普遍采用的較成熟的粉磨工藝，此種工藝水泥企業(yè)認同度高，水泥產量、質量穩(wěn)定，能耗適中，系統(tǒng)運轉率高。工藝流程如下圖所示：

  鹽城吉達公司在總結了多年的粉磨工作經驗的基礎上，對采用"輥壓機與球磨機"組成的聯合粉磨工藝進行了系統(tǒng)分析，發(fā)現在輥壓系統(tǒng)中，物料經輥壓機強力擠壓后，經V型選粉機初分級后，粗粉仍回輥壓機，細粉經旋風筒（除塵器）收集后直接喂入球磨機，而這部分入磨的細粉中含有大量30μm及以下的合格細粉，在球磨機中形成"料墊"，降低了球磨機的粉磨效率并產生嚴重的過粉磨現象。因此，將輥壓系統(tǒng)中產生的合格細粉從入磨物料中分離出并送入成品，可大幅度提高成品產量，同時改善球磨機的工況，進而提高球磨機的產量。

  2、技術改造方案

  本著節(jié)能降耗充分挖掘企業(yè)的生產潛力的目的，2012年初，天山股份南疆事業(yè)部楊兆祺董事長帶著集團的技改課題組來到江蘇鹽城吉達公司進行技改考察，鹽城吉達公司根據天山股份南疆分公司提供了基礎技術資料做出了四種技改方案，隨后天山股份南疆分公司技改團隊會同成都水泥工業(yè)設計研究院及吉達公司對技改方案進行了深入的技術探討，最后確定選用鹽城吉達公司四套方案中的第三套方案進行技改，第四套方案留有進一步提產節(jié)能的潛力，可供以后進行改造。具體四套幾種方案工藝流程如下頁圖所示：

  方案一：優(yōu)點：Sepax2000選粉機為獨立內循環(huán)分選系統(tǒng)，改造對原工藝系統(tǒng)參數沒有影響。缺點：增加一臺提升設備及內循環(huán)風機，設備土建投資大，額外增加系統(tǒng)能耗，與原改造降耗目標不一致。

  方案二：優(yōu)點：前面輥壓及后面球磨共用一臺高效選粉機，工藝簡單，緊湊，系統(tǒng)能耗低。缺點：選粉設備外形大，選粉濃度高。

  方案三：優(yōu)點：前后為獨立閉路系統(tǒng)，原系統(tǒng)工藝改變不大，便于實施，并基本不增加系統(tǒng)能耗。缺點：對二次分選設備技術要求高，選粉精度K值達0.9以上，要求系統(tǒng)低阻高效，阻力低于1000Pa。

  方案四：優(yōu)點：前輥壓閉分選系統(tǒng)與方案三優(yōu)點相同，同時球磨選粉機采用閉路內循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)阻力小，能耗低，且沒有外排。缺點：用在干法生產線上時，由于入磨熟料溫度高，需在后面循環(huán)選粉機上增加冷風口，以利于降低水泥溫度。

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  第三套方案具體內容:在原有V型選粉機后串聯接入一臺高效渦流選粉機，將經"V選"粗選后的細物料再進行一次精細分選，分選出的粗粉喂入球磨機，分選出粒徑30μm以下細粉由后續(xù)旋風筒收集直接送入成品庫。三方都認為該種工藝技改可行性高，投入低，可操作性強，風險小。但成都水泥工業(yè)設計研究院提出原輥壓機系統(tǒng)的循環(huán)風量250000m3/h，循環(huán)風機可提供的風壓為3500Pa，要求新增加的高效渦流選粉機對系統(tǒng)產生的阻力不得高于1000Pa，選粉精度K值要達0.90以上，因此傳統(tǒng)的"動態(tài)選粉機"（下進風）與"臥式轉子選粉機"，顯然不適合用于該系統(tǒng)改造，這兩種選粉機主要存在以下問題：①系統(tǒng)阻力大，能耗高；②水泥質量波動大，主要表現為水泥需水量增大；③選粉機效率低，分離出的粗粉中還含有大量合格細粉。為此吉達公司在成都水泥工業(yè)設計研究院，鹽城工學院、天山股份技術人員的鼎力支持下，對公司現有的渦流選粉機進行了低阻設計，降低選粉機系統(tǒng)阻力，使選粉機系統(tǒng)的壓損小于800Pa。（三種類型選粉機與V選聯接如下圖所示）

  3、新增的吉達渦流選粉機技術特點

  （1）Sepax渦流選粉機工作原理：

  選粉機工作時，可變速電機通過傳動裝置帶動主軸轉動，前級"V選"分選出相對較細的物料混合在高速氣流中，由選粉機側面切向進風口高速旋轉進入選粉機，氣流經選粉機底部的粗粉分離器時，一部分粗顆粒被分離，下落到粗粉錐中，其余物料被旋轉氣流吹起繼續(xù)上升，進入精確分級區(qū)：平面渦流分級區(qū)，含塵氣流在旋轉的籠形轉子形成的強烈而穩(wěn)定的平面渦流作用下，粗顆粒被拋向周圍的立式導向葉片，撞擊后失去動能經三通錐落入中粗粉錐中，經中粗粉鎖風閥排出，符合要求的細粉穿過籠形轉子進入其內部，隨氣流進入后續(xù)的旋風筒中被收集形成成品粉。改變主軸轉速可方便的調節(jié)細粉的粒徑范圍。

  結構如下圖所示：

  （2）Sepax渦流選粉機技術特點：

  1、分級原理先進。采用平面渦流分級原理設計分級區(qū)域，增設分散預分級區(qū)，減輕了主分級區(qū)的負荷，排除了粗顆粒的干擾作用，采用航空空氣動力學分析方法對整個流場進行了優(yōu)化設計，使得分級圈表面氣體流場均勻而穩(wěn)定，氣流相對誤差均<5%。

  2、性能好、分級精度高、效率高。一級選粉預分離出混合粉中的粗粒子，二級精確選粉在導向葉片與直籠型轉子所構成的環(huán)形空間內完成，由于預分離了粗粒子，排除粗顆粒的干擾，因此分級精度特高，分選效率更高。

  3、節(jié)能幅度大。設備系統(tǒng)采用流線形設計，使系統(tǒng)阻力小于1000Pa，選粉氣流內部循環(huán)，細粉收集僅采用高效低阻旋風筒即可，節(jié)能降耗十分明顯。

  4、細度調節(jié)容易。只要改變轉子的轉速就可將成品的細度控制在250~600m2/kg勃氏比表面積范圍內。

  5、選粉能力大。Sepax吉達渦流選粉機的直徑可在φ1.9~φ5.75m之間，相應的選粉能力為25~600t/h。

  6、適應性強。Sepax吉達渦流選粉機結構緊湊，體形較小，加之可將物料進行多級分離，因而適應性強，可用于任何粉磨設備所組的閉路粉磨系統(tǒng)，尤其是對帶有輥壓機的半終粉磨和終粉磨系統(tǒng)，是其最佳的配套分級設備。

  7、使用壽命長。選粉機易損部位耐磨件：如粗粉分離器、導向葉片和轉子分級葉片等均采用耐磨材料制造或進行抗磨工藝處理，其磨損率極低。采用新型合金板作內襯，有效延長了其使用壽命。

  8、改善水泥質量。由于Sepax吉達選粉機選粉效率高、精度高，減少了物料過粉磨現象，成品的顆粒徑分布相對較窄，級配組成合理，提高了水泥中微粉含量，3~32μm的含量達70%以上，而<3μm的含量僅占8%左右，從而提高了水泥的強度。

  （3）Sepax渦流選粉機與V選系統(tǒng)中常用的選粉機性能比較

  4、天山南疆分公司半終粉磨技改前后配置對比

  （1）改造前主要設備配置

  （2）改造后主要設備配置

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  5、天山南疆分公司半終粉磨技改后的效果分析

  2012年5月選粉機運至技改現場，經兩周的精心安裝，試車，6月10日系統(tǒng)聯動開機試生產，在φ4.2×13m球磨機研磨體裝載量達75%時，系統(tǒng)產量已經達290t/h，現場調試人員對這么高的系統(tǒng)產量表示懷疑，當即通過現場校準計量系統(tǒng)，結合開機時間及庫存水泥量核算發(fā)現平均臺時產量達300t/h。在額定裝載量達到100%時，整個系統(tǒng)臺時產量達到了創(chuàng)歷史的新高；磨機臺時350t/h，平均比表面積在360 m2/kg左右，具體參數見下表：

  6、改造后成品質量粒度激光分析結果

  (1)成品粒度特征參數表

  (2)成品粒徑分布表

  (3)成品樣品粒度分布圖

  7、技改效果與體會

  （1）天山股份庫車項目技改效果

  天山南疆分公司通過將輥壓系統(tǒng)中合格細粉選出形成半終粉磨，工藝流程為在"V選"與細粉收集器之間新增加一臺吉達渦流選粉機與V選串聯，對出"V選"的細物料進行精細分級，將30μm以下的細粉選出，進入成品水泥，取得了顯著的經常效益，水泥質量得到很大的改善，水泥的標準稠度用水量減少1個百分點，后期28天強度有所提高，因此受到混凝土企業(yè)的好評。系統(tǒng)臺時產量達350t/h，在天山集團內同類生產線提高100t/h以上，噸水泥電耗降至25kWh/t以下，同比下降6kWh/t，運行一年后產生的經濟效益相當可觀。

  （2）技術改造不足之處

  天山股份-庫車分公司5000t/d 項目水泥磨，磨前采用半終粉磨精細選粉工藝，磨尾仍采是o-sepa- N-4500選粉機，相對于內循環(huán)高效渦流選粉機，其選粉效率與選粉精度較低，裝機功率較大，在一定程度上影響了水泥粉磨電耗的進一步降低。就天山庫車聯合粉磨系統(tǒng)工藝而言，如果前后均采用內循環(huán)高效渦流選粉機（見系統(tǒng)工藝圖2），則完全可以實現P.O42.5水泥半終粉磨噸電耗可降至20度以下。揚州義合水泥有限公司Ф3.5×13m管磨機采用輥壓機聯合粉磨系統(tǒng)（生產P.O42.5，45um篩余2.5%左右，成品比表面積≥360m2/kg），未采用半終粉磨工藝，僅后續(xù)閉路管磨機系統(tǒng)選用內循環(huán)高效渦流選粉機，噸水泥粉磨電耗也能達到22度左右便是例證。

  (3)天山股份庫車項目半終粉磨技改體會

  我國的水泥半終粉磨工藝與裝備技術在各界同仁的共同努力下，主要技術指標已進入世界領先行列。水泥半終粉磨的實質是：選出大部分高效預粉磨系統(tǒng)所產生的微粉（30um以下，主要是20um以下）直接進入成品，一方面穩(wěn)定了輥壓機料床，極大減輕了輥壓機的振動，提高了預粉磨的效率；另一方面，大幅度減少了管磨機內的"軟墊"與"過粉磨"現象，提高了管磨機的破碎與研磨效率，成品質量提高的同時，產量大幅度提高，效益顯著。

  三、水泥半終粉磨工藝發(fā)展趨勢

  1、粉磨新工藝的新思路、新方向

  傳統(tǒng)大型管磨機粉磨工藝目前有兩種：（1）輥壓機+離心打散機+管磨機+O-sepa選粉機+袋式除塵器，此工藝的優(yōu)點：動態(tài)分離處理量大，工藝簡單。缺點：只能初級分離，分級2mm以下，分級原理單一。（2）輥壓機+V形選粉機+旋風除塵器+管磨機+O-sepa選粉機+袋式除塵器。工藝的優(yōu)點：靜態(tài)分級打散設備，無運動部件，工作可靠。 結構簡單，耐磨部件使用壽命長；缺點:與其他類型的選粉機相比效率較低，選粉細度不均勻，分選效果不佳，穩(wěn)流倉含細粉多,容易導致輥壓機頻繁塌料。征對以上兩種工藝的優(yōu)缺點，結合目前"多破少磨"粉磨理論鹽城吉達公司開發(fā)一種全新粉磨工藝：輥壓機+雙轉子三分離選粉機+管磨機+高效渦流選粉機+磨機除塵器：此工藝已在多家水泥廠：天山股份庫車分公司，揚州義合水泥，提產明顯，節(jié)能效果顯著.工藝圖如下圖如示：

  此工藝的優(yōu)點：磨機前后為獨立閉路系統(tǒng)，分級處理量大，工藝簡單，分級精度高，體積小，提產效果明顯 。缺點：對磨前精細粉選粉機設備技術要求高，選粉精度K值達0.9以上，選粉機低阻高效，阻力應低于1000Pa。

  對于該工藝的缺點，可以通優(yōu)化選粉機內部結構來解決，目前鹽城吉達公司已經在這方面做了不少工作，已經將磨前雙轉子三分離選粉機系統(tǒng)阻力控制1000Pa以下，應用于天山股份，揚州義合水泥，邳州中聯等多家水泥廠的磨前磨后配套，效果顯著，因此此工藝必將是未來粉磨工藝發(fā)展的主攻新方向。

  2、主機及其配套設備大型化

  水泥半終粉磨工藝主要應用Φ3.8M以上的管磨機系統(tǒng)，且大多數應用在Φ4.2M管磨機系統(tǒng)(最小應用于Φ3.2M管磨機系統(tǒng)),在"多破少磨"理念的指導下，對應管磨機所配套的預粉磨設備，均比傳統(tǒng)配套規(guī)格大，目標產量提高約50%。以Φ4.2M管磨機系統(tǒng)為例，水泥粉磨系統(tǒng)主要采用Φ1800×1200（至少Φ1600×1400 ）輥壓機+Φ4.2×13M球磨機組成的聯合粉磨系統(tǒng)。對水泥半終粉磨工藝而言，設備大型化則系統(tǒng)綜合效益更為顯著?，F如今水泥工藝設計一方面以綜合效益最大化為目標，謀求系統(tǒng)總運轉率與瞬時效益最大化的平衡點；另一方面加大水泥粉磨系統(tǒng)規(guī)格以提高其生產能力，不少水泥企業(yè)因此抓住水泥價格較高的銷售機遇，放量生產；而在水泥價格較低的時期，利用用電的"峰谷政策"，粉磨系統(tǒng)實行"谷開峰停"，主動適應了水泥市場需求變化與價格波動，收益頗豐。

  3、水泥質量控制的多樣化

  對水泥的質量要求由傳統(tǒng)的80um篩余、追求比表面積，向追求顆粒級配組成與顆粒形貌的科學性，實現效益最大化方向轉變，水泥粉磨細度不僅關系到水泥粉磨的能耗，更為重要的是對水泥性能有著很大的影響。為了兼顧實現優(yōu)化顆粒組成與經濟效益最大化，必須準確把握 "多破少磨"的平衡點，即同時保證粉磨系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的能力平衡與粉磨系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定。建議采用過程質量控制與目標管理相結合的方法：

  （1）輥壓機及V型選粉機物料控制要求：V型選粉機出口物料≤30μm一般達30%以上，最好40%以上；≤80μm一般達60%以上，最好70%以上；≤200μm一般達95%以上；

  （2）精細選粉機成品質量控制要求：30μm零篩余；

  嚴格執(zhí)行上述過程質量控制指標要求，是半終粉磨系統(tǒng)成品質量、產量、綜合效益大幅度提高的關鍵。

  4、主機及配套設備平衡

  （1）輥壓機與V形選粉機系統(tǒng)

  輥壓機的"邊際效應" 眾所周知，大規(guī)格輥壓機漏邊料的相對比例，比小規(guī)格輥壓機明顯偏小。選擇合理的輥縫間隙與工作壓力，確保料床的穩(wěn)定性，從而實現高效率"料層擠壓" 。V型選粉機、輥壓機、精細選粉機等（包括相關輸送、除塵等）系統(tǒng)生產能力的平衡和諧是關鍵。

  （2）V形選粉機與精細選粉機系統(tǒng)

  １、V選與精細選粉機的連接方式

  必須從顆粒流體力學的角度來設計，再通過實踐來驗證其效果。確保流體阻力小。對于旋轉型流體，一方面要降低局部阻力，因勢利導；另一方面要降低沿程阻力，路徑盡可能短。當兩者矛盾時，一般是局部阻力大于沿程阻力，即管道設計順風向較為有利。實踐證明圖3的V選與精細選粉機切向連接方式則是最佳連接方式。

  圖3    V選與精細選粉機切向連接方式

  Sepax渦流選粉機切向連接方式實測指標為：系統(tǒng)阻力低至800-1000Pa，選粉效率高達90%以上，選粉精度K值達0.9，為系統(tǒng)產量高，單位電耗低提供了有效保證。

  但如果V選與動態(tài)選粉機采用上下垂直連接（如圖4），沿程加長，阻力加大，且進入后再旋轉所產生的局部阻力大幅度增加。目前一般所能達到的指標為：選粉效率僅能達70%左右；選粉精度K值達0.7；系統(tǒng)阻力達到1500-2000Pa，系統(tǒng)能耗高，單產電耗高。

  （圖4   V選與動態(tài)選粉機采用上下直接方式）

  （3）磨尾選粉機的選擇

  磨前精細選粉機分選后的粗粉進入磨機，經磨機研磨后進入后續(xù)選粉機進行選粉，成品入庫，粗粉回磨機繼續(xù)研磨。目前國內大型管磨機磨尾選粉機選擇有兩種，分別是o-sepa選粉機和內循環(huán)高效渦流選粉機。

  國產內循環(huán)高效渦流選粉機與o-sepa選粉機比較

  國產內循環(huán)高效渦流選粉機與o-sepa選粉機相比，采用內循環(huán)旋風筒收集成品，無須配套大規(guī)格收塵器（其配套風機功率動輒數百千瓦），系統(tǒng)能耗大幅度降低。國內多家水泥企業(yè)實踐證明，由于其獨特的原理、結構，選粉效率、選粉精度等主要經濟、技術指標明顯優(yōu)于o-sepa選粉機，且已達到國際領先水平（循環(huán)風機葉輪維修周期在兩年以上便是例證）。

  A、結構性能比較：

  ① 與O-Sepa選粉機相比Sepax高效渦流選粉機增設分散和予分級區(qū)域，采用高風壓，強氣流，首先將高速拋散的物料進行強力分散，并在旋轉氣流作用下將大于150～200μm的粗顆粒分離出來，這樣既提高了物料分散度，又大大減輕了主分離區(qū)域內物料的相互干擾作用。

  ② Sepax高效渦流選粉機其專利型整流籠形轉子的運用使得分級圈表面氣體流場均勻而穩(wěn)定，其任何一處的氣體流速相對誤差均<5%，為精確分級創(chuàng)造了條件。

  ③ Sepax高效渦流選粉機徹底改變了現有各種選粉機分散與分離完全處在統(tǒng)一區(qū)域的弊端，將分散與分離區(qū)域隔開，能夠單獨分別調節(jié)分散和分離區(qū)域內氣體流場的流速，這樣既能提高物料的分散程度，又能提高物料的分離效率。

  ④ Sepax高效渦流選粉機選粉效率85%以上，回粉中45μm以下顆粒含量3%以下，特別適合與高細磨相配套使用，控制循環(huán)負荷在100～150%范圍內，使得系統(tǒng)既有高產量又有高質量，即合理的顆粒級配和顆粒形貌。

  B、投資比較

  Sepax高效渦流選粉機與O-Sepa選粉機相比，其主機部分與O-Sepa選粉機投資價格相當，但O-Sepa選粉機需配套一臺大型脈沖除塵器收集成品，而Sepax渦流選粉機僅須一臺處理量小得多的除塵器用于磨機通風除塵，其一次投資要少得多。Sepax渦流選粉可在正壓下工作，細粉收集采用高效旋風筒即可，無需再配置龐大的氣箱脈沖袋式除塵器，這樣不但降低了粉磨電耗，而且也降低了投資費用（省去了氣箱脈沖袋式除塵器）和維護保養(yǎng)費用。

  四、結束語

  精心操作和必要的管理維護是高效穩(wěn)產的必要條件，為此應制訂相應的規(guī)范和制度，以保證計劃產量期間的設備運轉率。生產過程中應均衡喂料，并根據物料的變化，及時調整操作。一般精細選粉機成品質量控制標準為30μm零篩余；后續(xù)閉路球磨系統(tǒng)所用內循環(huán)高效渦流選粉機成品質量控制標準為45μm篩余2.5%左右。這主要是考慮前置的精細選粉機所選成品為輥壓機直接形成，顆粒圓形度較差，但其粒徑較小，進入后續(xù)管磨系統(tǒng)，會大大增加管磨機內的"軟墊"，破碎研磨效率銳減；而后續(xù)的內循環(huán)高效渦流選粉機所選成品顆粒圓形度較高，故其粒徑可放寬至45μm篩余2.5%左右。實踐探索，在此成品質量控制標準下，Φ4.2×13M閉路管磨聯合粉磨系統(tǒng)，產量從230-250t/h增產350t/h以上，整體效益較好，熟料配比下降2%，水泥的標準稠度用水量稍有下降，水泥質量將會得到一定改善，極易受到混凝土客戶的喜愛。 鹽城吉達公司在天山庫車、邳州中聯、西南筠連、宜賓瑞興（星船城）、鄧州中聯半終粉磨等系統(tǒng)均取得了很好的效果。