P.O42.5水泥半终粉磨吨电耗降至20kWh以下关键技术

　　2012年我国水泥产量已达20.6亿吨。水泥粉磨工艺及其装备技术直接影响水泥工业的振兴和发展，在能源日趋紧张、竞争日益加剧的今天，水泥行业同仁不断探索创新，采用新理念、新工艺、新技术，全面提高粉磨系统工艺装备技术水平，进一步向优质高产、低消耗方向发展，实现更大力度的节能、利废，已迫在眉睫。

　　水泥辊压机联合粉磨系统相关技术经过国内多年来的实践，技术日趋成熟，节能降耗初见成效。然而在“多破少磨”理念指导下所采取的“大辊压机配小管磨”的粉磨工艺，始终未达到预期的最佳效果。

　　2012年6月，天山股份库车分公司在5000t/d 生产线的辊压球磨“双闭路联合粉磨系统”中，将辊压系统采用半终粉磨工艺（见图1），取得了重大突破：Ф4.2m×13m水泥磨系统产量达350t/h（物料配比：熟料75%、煤矸石18.5%、石膏6.5%，无助磨剂，无粉煤灰，成品比表≥360m2/kg），一年多稳定运行，水泥质量得到了客户的充分认可，吨水泥粉磨电耗20kWh左右，此系统相关工艺技术正在天山股份及国内同类新型干法生产线（中联水泥等）在建或技术改造项目中全面推广。

　　就天山股份库车分公司的5000t/d项目而言，遗憾之处在后续闭路管磨机系统选用的是O-Sepa选粉机N-4500，相对于内循环高效涡流选粉机，其选粉效率与选粉精度较低，在一定程度上影响了水泥粉磨电耗的进一步降低。扬州义合水泥有限公司Ф3.5m×13m管磨机采用辊压机联合粉磨系统（生产P·O42.5，45um筛余2.5%左右，成品比表面积≥360m²/kg），虽然未采用半终粉磨工艺，仅后续闭路管磨机系统选用内循环高效涡流选粉机，吨水泥粉磨电耗也能达到22kWh左右便是例证。

　　显然，就图1而言，如果前后均采用内循环高效涡流选粉机（见图2），则完全可以实现P·O42.5水泥半终粉磨吨电耗可降至20kWh以下。

　　水泥半终粉磨工艺与装备技术在各界同仁的共同努力下，主要技术指标已进入世界领先行列。水泥半终粉磨的实质是：选出大部分高效预粉磨系统所产生的微粉（30μm以下，主要是20μm以下）直接进入成品，一方面稳定了辊压机料床，极大地减轻了辊压机的振动，提高了预粉磨的效率；另一方面，大幅度减少了管磨机内的“软垫”与“过粉磨”现象，提高了管磨机的破碎与研磨效率，成品质量提高的同时，产量大幅度提高，效益显著。

　　水泥半终粉磨工艺发展趋势

　　1.主机及其配套设备大型化

　　水泥半终粉磨工艺主要应用Φ3.8m以上的管磨机系统，且大多数应用在Φ4.2m管磨机系统(最小应用于Φ3.2m管磨机系统)。

　　在“多破少磨”理念的指导下，对应管磨机所配套的预粉磨设备，均比传统配套规格大，目标产量提高约50%。以Φ4.2m管磨机系统为例，水泥粉磨系统为主机采用Φ1800×1200（至少Φ1600×1400 ）辊压机+Φ4.2m×13m球磨机组成的联合粉磨系统。

　　主机及其配套设备大型化则生产成本、管理成本均较低，销售与采购成本稍高，适应市场能力稍差。对水泥半终粉磨工艺而言，设备大型化则系统综合效益更为显著。如今，水泥工艺路线设计一方面以综合效益最大化为目标，谋求系统总运转率与瞬时效益最大化的平衡点；另一方面加大水泥粉磨系统规格以提高其生产能力，且增加熟料的储备能力。不少水泥企业因此抓住水泥价格较高的销售机遇，放量生产；而在水泥价格较低的时期，利用用电的“峰谷政策”，粉磨系统实行“谷开峰停”，主动适应了水泥市场需求变化与价格波动，收益颇丰。

　　2.对水泥的质量要求由传统的80μm筛余、追求比表面积，向追求颗粒级配组成与颗粒形貌的科学性，实现效益最大化方向转变

　　水泥粉磨细度不仅关系到水泥粉磨的能耗，更为重要的是对水泥性能有很大的影响。为了促进水泥水化，要提高水泥细度，可增大与水的接触面积，但粉磨过细会导致能耗大幅度增加，且需水量增加。尽管粉磨过细的水泥水化速度较快，有利于强度的发展，但水灰比大往往使强度下降。如粉磨过细，小于1μm的水硬性颗粒在不到1天时间内完全水化，对龄期强度的增长没有作用。根据国内外应用结果分析，仅从混凝土的角度来说，水泥细度应控制在比表面积为300m²/kg～360m²/kg较适宜。水泥颗粒组成与水泥性能有直接的关系：在水泥产品中，0～3μm的颗粒（微粉）决定1天强度；3μm～25μm（细粉）影响28天强度，但3天后可与0～3μm颗粒达到相同强度；25μm～50μm（粗粉）对28天强度影响不大，而90天后可同0～3μm颗粒的强度达到相同值；三者合计称为总体细度。在水泥产品中，一般公认：3μm～32μm颗粒对强度增进率起主导作用，其总量不能低于65%；10μm～24μm颗粒对水泥性能尤其重要，小于3μm颗粒不能超过10%；大于64μm的粗颗粒活性很小，最好没有。水泥颗粒的形状近于球形时，其单位重量的比表面积最小，这不仅使形成一定厚度的水膜所需要的水量最少，而且能减少颗粒相互间的磨擦，产生能提高流动性的滚珠效果。经日本有关专家研究证明：当水泥颗粒圆形度（球形为100%）从原来67%提高到85%以后，流动性的提高减少了用水量，因此混凝土的强度和耐久性都提高了。高的比表面积与颗粒圆形度、合理的颗粒结构与组成有利于大幅度提高混合材的掺加量，实现高利废、高效益。

　　为了兼顾实现优化颗粒组成与经济效益最大化，必须准确把握“多破少磨”的平衡点，即同时保证粉磨系统各个环节的能力平衡与粉磨系统状态的稳定。建议采用过程质量控制与目标管理相结合的方法：

　　①辊压机及V型选粉机物料控制要求：V型选粉机出口物料≤30μm一般达30%以上，最好40%以上；≤80μm一般达60%以上，最好70%以上；≤200μm一般达95%以上；

　　②精细选粉机成品质量控制要求：30μm零筛余。

　　严格执行上述过程质量控制指标要求，是半终粉磨系统成品质量、产量、综合效益大幅度提高的关键。

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　　辊压机与V型选粉机系统

　　1.实现高效率“料层挤压”

　　辊压机的“边际效应”众所周知，大规格辊压机漏边料的相对比例，比小规格辊压机明显偏小。选择合理的辊缝间隙与工作压力，确保料床的稳定性，从而实现高效率“料层挤压”。

　　2.V型选粉机的规格参数要达到最基本要求

　　目前不少水泥企业尚未充分认识到V型选粉机规格参数达到最基本要求的重要性。只有这样，才能发挥V型选粉机应有的功效。预粉磨效果越好，则V型选粉机分级效果也越好。V型选粉机对较粗物料分级效果不太理想，且磨损严重。

　　3.预粉磨系统生产能力平衡

　　V型选粉机、辊压机、精细选粉机等（包括相关输送、除尘等）系统生产能力的平衡和谐是关键。需要说明的是，（辊压机、立磨）预粉磨系统存在某个产量指标下其挤压效果最佳，低于这个产量或高于这个产量，效果会明显下降（微粉含量下降，循环负荷变大，设备振动大，且有恶性循环趋势）。

　　选粉机系统

　　１.V选与精细选粉机的连接方式

　　必须从颗粒流体力学的角度来设计，再通过实践来验证其效果，确保流体阻力小。对旋转型流体，一方面要降低局部阻力，因势利导；另一方面要降低沿程阻力，路径尽可能短。当两者矛盾时，一般是局部阻力大于沿程阻力，即管道设计顺风向较为有利。实践证明，图3的V选与精细选粉机切向连接方式是最佳连接方式。

　　Sepax涡流选粉机切向连接方式实测指标为：系统阻力低至800Pa ~1000Pa，选粉效率高达90%以上，选粉精度K值达0.9，为系统产量高、单位电耗低提供了有效保证。

　　但如果V选与动态选粉机采用上下直接（见图4），沿程加长，阻力加大，且进入后再旋转所产生的局部阻力大幅度增加。目前一般所能达到的指标为：选粉效率仅能达70%左右；选粉精度K值达0.7；系统阻力达到1500Pa ~2000Pa，系统能耗高，单产电耗高。

　　2.两台选粉机成品质量控制标准不同

　　前置的精细选粉机成品质量控制标准为30μm零筛余；后续闭路粉磨系统所用内循环高效涡流选粉机成品质量控制标准为45μm筛余2.5%左右。这主要是考虑前置的精细选粉机所选成品为辊压机直接形成，颗粒圆形度较差，但其粒径较小，进入后续管磨系统，会大大增加管磨机内的“软垫”，破碎研磨效率锐减；而后续的内循环高效涡流选粉机所选成品颗粒圆形度较高，故其粒径可放宽至45μm筛余2.5%左右。实践探索，在此成品质量控制标准下，整体效益较好。

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　　3.国产内循环高效涡流选粉机与O-Sepa选粉机比较

　　国产内循环高效涡流选粉机与O-Sepa选粉机相比，采用内循环旋风筒收集成品，无须配套大规格收尘器（其配套风机功率动辄数百千瓦），系统能耗大幅度降低。国内多家水泥企业实践证明，由于其独特的原理、结构，选粉效率、选粉精度等主要经济、技术指标明显优于O-Sepa选粉机，且已达到国际领先水平（循环风机叶轮维修周期在两年以上便是例证）。

　　后续闭路粉磨系统面临新挑战

　　10多年前大多数水泥企业入磨粒度一般为小于25mm，管磨机产量维持较低水平。近年来绝大多数水泥企业通过降低入磨粒度，增加预破碎（或预粉磨）及其配套工艺，已经大幅度提高了管磨机粉磨效率。面对半终粉磨工艺带来的新情况，管磨机闭路粉磨系统进料粒度降至0.2mm筛余小于5%，确实史无前例，面临挑战。

　　水泥粉磨工艺手册等资料中，管磨机粉磨系统相关工艺参数，管磨机等设备的结构参数、工作参数均无法满足如此进料粒度对高效率粉磨的要求。管磨机筒体分仓尺寸、衬板及隔仓板结构、进出料螺旋等均无法满足现行工艺需要；传统管磨机破碎理论、转速理论、研磨体装载量理论、研磨体级配理论等均不能适应目前粉磨工艺技术的发展要求。水泥企业普遍出现了前仓筛余曲线下降很少，后仓经常“饱磨”的现象，需从理论与实践两个方面不断进行探索与创新。

　　1.管磨机内三元（物料、研磨体、空气）运动规律

　　传统理论主要研究磨内研磨体运动规律，忽视了管磨机内物料运动规律以及研磨体与物料之间相互影响规律的研究与分析。

　　①管磨机截面筛析现象：一方面是物料的筛析现象，即沿磨内半径方向基本上是粗粉到细粉的分布，这一点比较容易被大家接受。另一方面是研磨体的筛析现象：在管磨机运动参数适宜的状态下可以看到粉磨区的筛析现象，即沿磨内半径方向基本上是大研磨体到小研磨体的分布。

　　②磨内物料轴向流动观点：固态颗粒流、流态颗粒流、导向颗粒流、强制颗粒流等综合构成磨内物料轴向流动。磨内物料轴向分级与轴向流动主要靠系统及其参数优化与磨内结构优化来实现。当然还要考虑研磨体的磨内轴向微运动规律，即研磨体的磨内轴向分级及其稳定程度，要防止磨内研磨体的轴向反分级。

　　③磨内研磨规律：即在磨内研磨体密实区域内，管磨机单位运动周期内某处研磨体的表面积ds与所在位置压强p的乘积积分表征磨内研磨能力的大小。而所在位置压强p近似等于其在密实区域的垂直高度h与料及研磨体混和物的比重γ的乘积。Q=kn∫hγds其中k为研磨能力系数；n为管磨机转速。实践中可以发现：

　　在一定范围内，管磨机转速越高，产量越高；超过一定范围，产量又降下来。这是因为转速高到一定程度，某处密实区域的垂直高度h就要明显下降，导致产量下降。而且管磨机的惯性偏心距加大导致电机功耗加大。如此进料粒度，管磨机最佳转速面料再认识的问题，转速有时微小变化，都会带来产量的较大变化。

　　在一定范围内，填充率越高，产量越高；超过一定范围，产量又降下来。这是因为填充率高到一定程度，密实区域的分层粉磨运动效率就要明显下降，导致产量下降。而且管磨机的惯性偏心距加大导致电机功耗加大。

　　管磨机有效内径越大，产量越高。这是因为有效内径越大，某处密实区域的垂直高度h就越大。

　　小的研磨体有利于加大其接触表面积，提高粉磨效率，但小的研磨体容易使隔仓板、篦板堵塞，也存在最佳值的问题。

　　早期设计隔仓板只是为了隔离大小钢球和阻拦研磨体不被排出，而今则已开始注重控制料流速，平衡首、尾仓的破碎、粉磨能力，保证合适的料球比，进而增大了研磨体动能的有效利用。通盘考虑隔仓板和卸料装置（出料篦板）的磨损速度与过料能力、通风能力的变化规律来设计，则效果明显。

　　衬板的耐磨性在效益中占有重要的地位,厚度较小则效益明显。衬板的作用是由过去单纯的防护装置发展到按不同仓被破碎、粉磨物料的需要来调节研磨体的动态分布和运动轨迹。

　　传统观念中管磨机的首仓主要是块状物料，需用具有较大落差的大研磨体击碎物料，而尾仓是粗粉细渣物料，是用小研磨体互相滚蹲来研磨物料。而活化环又为微介质创造了三维运动条件，强化了研磨作用。因此首仓通常采用具有阿基米德对数螺线提升角提升船形（阶梯）衬板，其提升角的大小要由磨体转速和研磨体填充率来决定。而尾仓则应采用具有分级兼提升的双曲面衬板，其分级斜度和提升角由磨体转速和研磨体级配而定。管磨的尾仓常加活化环。衬板的改进和活化环的使用能使管磨机的产量明显提高，电耗下降，比表面积加大。如此进料粒度则衬板结构需重新考虑，整个管磨机主要考虑研磨，破碎要求已经微乎其微了。

　　改善磨内结构。管磨机的粉磨效率与研磨体的装载量、填充系数及其级配密切相关，传统设计中的研磨体装载量偏少，所配的传动电机富余较大，可以适当增加研磨体的装载量使电流略低于配电机的电流允许范围的上限值，这样即保证了安全运转，又提高了管磨机产量。采用预粉磨的圈流生产管磨机，一般适当缩短首仓长度，加长二仓长度，但要适度。首仓长度本来就短的管磨机就可以不调整。

　　④磨内通风普遍存在严重不均现象，导致跑粗料：中部风速是边部风速的数十倍，且随着规格越大，此现象越严重。闭路粉磨有效缓解但不完全解决这个问题，仍有待进一步探索与研究。

　　2.对于半终粉磨，仍需坚持管磨机进料原则：匀、干、稳、冷。

　　①进料均匀原则： 一方面是进料粒度要均匀；另一方面是易磨性、易破性要均匀。管磨机进料粒度均匀有利于管磨机首仓配球，实现较高的粉磨效率。易磨性差别较大的分别粉磨然后再混合已经形成共识（建议有条件的水泥企业矿渣、粉煤灰、水泥熟料分别粉磨再科学配比混合，效益显著）。

　　②控制水分原则：实践表明，管磨机进料综合水分一般小于1% ，但同时又大于0.5%；矿渣进料综合水分小于1.5%。综合水分的控制指标随易磨性的变化而变化，越难磨则综合水分的控制指标要相应提高。

　　③进料稳定原则：目前不少水泥企业出于对系统运转率的追求，尽可能减少系统设备数量，将传统的磨前小仓与圆盘喂料机全部去掉，而来料却又难以稳定，管磨机实际变成间隙进料，一会儿有料，一会儿没有料，管磨机内研磨体与研磨体、研磨体与衬板的直接接触就无法避免，难以保证研磨体与物料的充分接触，总体粉磨效率较低，且衬板与研磨体等的磨耗较高。

　　另外，管磨机所进物料的物理特性（综合水分、细度、颗粒均匀性、温度等）相对稳定同样重要，不可掉以轻心。管磨机对应的粉磨系统只可能对某一物理特性稳定且进磨均匀的物料实现优质高产低消耗。否则，对应粉磨系统的粉磨效率一定不会达到高水平。

　　④进料控制温度原则：在水泥粉磨过程中，管磨机所进物料温度对管磨机粉磨效率影响较大。当垫层达20mm时，粉磨能力下降近50%（这一现象圈流粉磨系统中可以得到一定程度改善），显然台时产量下降很多（约30%），单位电耗也大幅增长。国内外一些大型水泥管磨机，从磨头端加水管喷头（1%～2%）来降低管磨机内物料温度，减少细粉黏聚，大约提高管磨机台时约10%～15%，水泥“假凝”现象消除，但在“饱磨”与管磨机开停频繁时，喷嘴易堵。最理想的方法还是控制住进入管磨机的物料温度。

　　降低熟料温度办法有：首先是采用先进的熟料冷却机，使其在较短时间内急冷，且可提高供回转窑用的二次风温。其次是对熟料采用喷水或湿的混合材混合后堆放一段时间，再入库存放。最后，增加熟料库容量（或堆棚），使其有足够时间冷却，改善熟料易磨性能。

　　3.仍然坚持应用高效助磨剂

　　在粉磨过程中加入少量的助磨剂，可消除细粉黏附聚集现象，对半终粉磨工艺较为重要（因其进料粒度实在太细）。在水泥粉磨过程中加入助磨剂后，它吸附在颗粒表面，引起颗粒表面特性的许多变化。当助磨剂存在时，随着物质表面吸附量的增加，耐磨力下降，在完全吸附时，耐磨能力最小。研磨是个表面现象，表面硬度的减小，无疑有助于这个过程的进行，故加入助磨剂后能大幅提高管磨机的粉磨效率，增加水泥中细粉含量，水泥的ISO强度相应得到提高。同时，可提高混合材掺加量8%左右，效益显著。但是，在使用过程中必须注意：不是分散剂要适应粉磨系统，而是粉磨系统去适应分散剂。使用分散剂后物料在磨内的停留时间缩短，磨内流速加快，因此必须相应改变研磨体的级配和循环负荷来适应流速变化。

　　精心操作和管理维护是高效稳产的必要条件，为此应制订相应的规范和制度。例如补料、调整循环负荷、控制磨温和设备的巡检、维护等，以保证计划产量期间的设备运转率。生产过程中调整喂料时应均衡地、逐渐地进行，切忌忽大忽小，并根据物料的变化，如物料粒度、水分、易磨性、库存料的多少等，及时调整操作，绝不能等管磨机状况发生显著变化时才采取应急的措施，这对管磨机产量成品质量是极为不利的。全方位综合优化组合上述相关措施，相对于传统观念Φ4.2m×13m闭路管磨联合粉磨系统，产量从230t/h~250t/h增产350%以上，熟料配比下降2%，水泥的标准稠度用水量稍有下降，水泥质量将会得到一定改善，极易受到混凝土客户的喜爱。天山库车、邓州中联半终粉磨系统均取得了很好的效果。同时，水泥企业的综合效益受多方面因素的影响，粉磨工艺是其中相对重要的技术因素。资源、市场、行业背景、资金、企业文化、人员素质、管理水平等不仅直接影响水泥企业的综合效益，也影响粉磨工艺新技术的推广应用，进而间接影响水泥企业综合效益的提高。本文姑且抛砖引玉，愿其能为第二代水泥新型干法技术的进一步完善尽微薄之力。