侯龍華，柴星騰，賀孝一

水泥輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)電耗評價探討

侯龍華11，柴星騰22，賀孝一22

本文簡要介紹了水泥粉磨技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了各種水泥輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。針對當(dāng)前業(yè)內(nèi)熱議的水泥粉磨系統(tǒng)電耗指標(biāo)問題，理論聯(lián)系實(shí)際，提出了水泥輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)的電耗評價方法，供粉磨系統(tǒng)項目策劃、選型設(shè)計、生產(chǎn)管理人員參考。

輥壓機(jī)；預(yù)粉磨；系統(tǒng)電耗

Abstract:The development status of cement grinding technology was introduced,and the advantages and disadvantages of various cement roller press pregrinding system were analyzed.In view of cement grinding system power consumption hot debated by the current industry,theory with practice,the power consumption of cement roller press grinding system evaluation method was presented,which could be a reference for grinding system of project planning,configuration design,production management,etc.

Key words:roller press;pregrinding;system power consumption

水泥粉磨系統(tǒng)是水泥生產(chǎn)過程耗電最高的工藝系統(tǒng)，也是保障水泥性能的關(guān)鍵，體現(xiàn)著粉磨裝備技術(shù)進(jìn)步的水平。

借助籠型選粉機(jī)的高效分選、料床粉磨裝備（輥壓機(jī)、輥磨、筒輥磨）的高效粉碎以及靈活多變的系統(tǒng)組合工藝，水泥（P·O42.5水泥，下同）粉磨系統(tǒng)電耗從球磨機(jī)系統(tǒng)的40kWh/t以上降低到輥壓機(jī)循環(huán)預(yù)粉磨系統(tǒng)的35kWh/t左右和輥壓機(jī)半終粉磨系統(tǒng)的30kWh/t左右，個別先進(jìn)指標(biāo)可達(dá)到25kWh/t左右，即優(yōu)于“第二代新型干法水泥技術(shù)”相關(guān)指標(biāo)，令人鼓舞。

近期，有多位業(yè)內(nèi)專家提出，水泥粉磨系統(tǒng)電耗可以降低到20kWh/t以下！筆者認(rèn)為，在滿足水泥標(biāo)準(zhǔn)和水泥性能要求的前提下，如果僅依靠流程變化、選粉機(jī)創(chuàng)新、陶瓷研磨體的應(yīng)用等，而沒有其他突破性的技術(shù)進(jìn)步，要達(dá)到水泥粉磨系統(tǒng)電耗≤20kWh/t的目標(biāo)，近期難以實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)，P·O型普通硅酸鹽水泥的配比要求為：熟料+石膏=80%～95%，混合材=5%～20%；而水泥市場對P·O42.5典型水泥的一般要求為：比表面積≥3 500cm2/g，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量≤27%，初始流動度≥200mm，28d抗壓強(qiáng)度≥50MPa。

水泥粉磨系統(tǒng)電耗以粉磨P·Ⅰ型硅酸鹽水泥為評價基準(zhǔn)，即水泥配比為：熟料+石膏=100%。當(dāng)然，在實(shí)際工程中，主要產(chǎn)品并非是這種水泥，而是摻加不同種類和比例混合材的P·O型普通硅酸鹽水泥。這種情況下，比較、評價系統(tǒng)電耗需進(jìn)行校正、統(tǒng)一基準(zhǔn)，否則毫無意義。

1 水泥預(yù)粉磨系統(tǒng)特點(diǎn)

粉碎原理為料床粉磨的輥壓機(jī)、輥磨和筒輥磨等被認(rèn)為是迄今為止效率最高的粉磨裝置。隨著這些料床粉磨裝置的大量應(yīng)用，球磨機(jī)在粉磨領(lǐng)域的占比不斷減少，粉磨電耗不斷降低，尤其在生料粉磨和煤粉制備系統(tǒng)中，新的球磨機(jī)訂單非常少見。而在水泥粉磨領(lǐng)域，粉磨裝備及系統(tǒng)則顯示出多樣性。

一般認(rèn)為，從水泥性能上比較，球磨機(jī)水泥好于預(yù)粉磨水泥，預(yù)粉磨水泥好于終粉磨水泥，主要原因是球磨機(jī)可以改善水泥顆粒級配和形貌。實(shí)踐證明，如果預(yù)粉磨和終粉磨采用的都是輥壓機(jī)或輥磨，情況確實(shí)如此。但是如果預(yù)粉磨用輥壓機(jī)、終粉磨用輥磨，則終粉磨水泥性能并不處于弱勢，這也是水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)在國際市場被廣泛應(yīng)用的原因。

從粉磨電耗比較來看，球磨機(jī)系統(tǒng)＞預(yù)粉磨系統(tǒng)＞終粉磨系統(tǒng)，主要原因是因?yàn)榍蚰C(jī)的粉磨效率太低，進(jìn)而影響系統(tǒng)電耗。然而，輥磨終粉磨系統(tǒng)電耗并不比輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)電耗有明顯優(yōu)勢，這是因?yàn)檩伳ソK粉磨系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)電耗太高，一般在7kWh/t左右，影響系統(tǒng)電耗。如果采用外置選粉機(jī)輥磨即外循環(huán)輥磨系統(tǒng)，則系統(tǒng)電耗有望降低，電耗優(yōu)勢會得到體現(xiàn)。

水泥輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)如能得到采用，則電耗優(yōu)勢會進(jìn)一步體現(xiàn)。然而，我們進(jìn)行的工業(yè)試驗(yàn)證明，輥壓機(jī)終粉磨水泥的某些性能確實(shí)存在問題，如初始流動度和流動度經(jīng)時損失等，這也是水泥輥壓機(jī)系統(tǒng)止步于預(yù)粉磨系統(tǒng)的根源。

水泥輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)是目前中國水泥市場的主導(dǎo)方案，這是因?yàn)椋海?）采用了高效節(jié)能的輥壓機(jī)裝置，系統(tǒng)電耗顯著降低；（2）保留了球磨機(jī)，使水泥性能基本維持了傳統(tǒng)球磨機(jī)水泥的基本特性；（3）將粉磨作業(yè)一分為二，便于系統(tǒng)產(chǎn)能的大型化設(shè)計。輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)經(jīng)過了近30年的發(fā)展，從最初的循環(huán)預(yù)粉磨和混合粉磨，經(jīng)過聯(lián)合粉磨，發(fā)展到當(dāng)下的半終粉磨，總的趨勢是輥壓機(jī)功率與球磨機(jī)功率之比越來越大。各種預(yù)粉磨系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。

循環(huán)預(yù)粉磨和混合粉磨（少部分選粉機(jī)粗粉回輥壓機(jī)）是輥壓機(jī)問世之初普遍采用的系統(tǒng)，流程簡單，便于現(xiàn)有球磨機(jī)的改造。因擠壓物料未經(jīng)選粉即循環(huán)擠壓，含有大量細(xì)粉，易造成料床失穩(wěn)，循環(huán)量受限，因此輥壓機(jī)規(guī)格不能太大，提產(chǎn)和節(jié)電有限。入球磨物料含有粗顆粒，對球磨機(jī)的操作管理不利。

聯(lián)合粉磨系統(tǒng)是伴隨V型選粉機(jī)的應(yīng)用而出現(xiàn)的二代輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)。因擠壓物料經(jīng)過分選后粗粉再循環(huán)擠壓，輥壓機(jī)的規(guī)格開始大型化，入球磨物料比表面積達(dá)到2 000cm2/g左右，且不含粗顆粒，提產(chǎn)和節(jié)能幅度大增。首套國產(chǎn)化聯(lián)合粉磨系統(tǒng)于2004年在天津振興水泥公司投運(yùn)。

單動態(tài)選粉機(jī)半終粉磨系統(tǒng)是在總結(jié)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2006年開發(fā)的三代輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)，在亞泰哈水首次應(yīng)用。該系統(tǒng)的最顯著特點(diǎn)是出V型選粉機(jī)的細(xì)粉再經(jīng)過二次分選，合格細(xì)粉進(jìn)入成品，粗粉入球磨，球磨機(jī)的粉磨效率進(jìn)一步提高，同時消除了聯(lián)合粉磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)的磨損問題，提高了運(yùn)轉(zhuǎn)率。

表1 水泥輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)特點(diǎn)

雙動態(tài)選粉機(jī)半終粉磨系統(tǒng)是單動態(tài)選粉機(jī)半終粉磨系統(tǒng)的一種變形，將動態(tài)選粉機(jī)一分為二，便于調(diào)控V型選粉機(jī)用風(fēng)，進(jìn)而提高輥壓機(jī)系統(tǒng)的分選效率和擠壓效率，利于系統(tǒng)操作。該系統(tǒng)的應(yīng)用前提是單位產(chǎn)品輥壓機(jī)功耗較大，半成品比表面積＞2 000cm2/g，前置動態(tài)選粉機(jī)可以分選出較多的合格細(xì)粉。

2 水泥粉磨電耗影響因素

影響水泥粉磨系統(tǒng)電耗的因素很多，主要包括熟料的性質(zhì)（溫度、粒度和易磨性）、混合材和石膏的品種和摻量、產(chǎn)品的比表面積等。

2.1 熟料的易磨性

同為預(yù)分解窯熟料，其易磨性（邦德功指數(shù)）差別卻較大，我們統(tǒng)計了連續(xù)的121項結(jié)果：其中最小 值 11.7kWh/t，平 均 值 16.3kWh/t，最 大 值19.6kWh/t（見表2）。其實(shí)對于水泥粉磨來說，邦德功指數(shù)只反映了熟料粗磨的難易程度，日本川崎公司還采用了T3000（在規(guī)定的小球磨條件下將熟料粉磨到3 000cm2/g所需要的時間）這一指數(shù)判斷熟料細(xì)磨的難易程度，他們利用這兩個易磨性指數(shù)對提供的粉磨系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，這一點(diǎn)值得我們借鑒。我們測定的熟料T3000平均值為45min。

表2 熟料粉磨功指數(shù)

2.2 混合材品種及摻量

確定粉磨主機(jī)電耗最為復(fù)雜的是摻入混合材后的情況，因?yàn)榛旌喜钠贩N繁多，性能差異較大，摻量不一。眾所周知，礦渣難磨，石灰石易磨，粉煤灰基本不消耗電能，這只是定性分析，在計算時要求定量化。我們通過試驗(yàn)室的球磨試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了礦渣、石灰石、粉煤灰和火山灰對球磨機(jī)粉磨效率的影響，基本結(jié)論如下：

（1）熟料中摻入不同的礦渣后粉磨功指數(shù)變差，T3000延長，粉磨相同的時間時比表面積下降，當(dāng)摻量達(dá)到40%以上時，這些指標(biāo)接近純礦渣的數(shù)值，即大摻量的礦渣對混合粉磨不利。

（2）石灰石可以改善配合料的易磨性，即粉磨功指數(shù)變好，T3000縮短，粉磨相同的時間時比表面積增加。由此說明，當(dāng)用石灰石作為混合材，并且以比表面積作為計算基準(zhǔn)時，單位產(chǎn)品電耗需要校正，校正的方法可以按每摻加1%的石灰石比表面積增加50cm2/g考慮，即每摻入1%的石灰石可以按水泥比表面積減去50cm2/g后計算主機(jī)電耗。

（3）粉煤灰也可以改善配合料的易磨性，即粉磨功指數(shù)變好，T3000縮短，粉磨相同的時間時比表面積增加，但是效果不如石灰石，這是因?yàn)榉勖夯冶旧淼囊啄バ圆蝗缡沂７勖夯覍σ啄バ缘挠绊懗潭葲Q定于原灰的細(xì)度，計算時一般可以按每摻加1%的粉煤灰主機(jī)電耗下降1%考慮。

（4）火山灰本身的易磨性差別很大，表層風(fēng)化后的粉磨功指數(shù)＜10kWh/t，底層沉積巖可能～20kWh/t。混合粉磨產(chǎn)品的比表面積不同，火山灰的影響程度也不同，總的來說是有利的。每摻加1%的中等易磨性的火山灰可能帶來成品15～35cm2/g比表面積減值。

2.3 成品比表面積和細(xì)度

在系統(tǒng)選型設(shè)計計算時，首先設(shè)定不摻加任何混合材（熟料95%＋石膏5%），粉磨至3 200cm2/g時圈流球磨機(jī)（主機(jī)）的電耗33kWh/t左右作為計算基準(zhǔn)。然后，根據(jù)配比計算各種混合材對基準(zhǔn)電耗和比表面積帶來的影響。如果實(shí)際的比表面積與設(shè)計的比表面積不一致則需進(jìn)行校正。一般建議，比表面積≤3 800cm2/g時，按1.3次方校正；比表面積3 800～4 500cm2/g時，按1.4次方校正；比表面積≥4 500cm2/g時，按1.5次方校正。

在近年的工程實(shí)踐中，也有部分業(yè)主提出了水泥成品細(xì)度的控制要求，如類似P·O42.5水泥要求R45μm≤7%或R30μm≤20%。經(jīng)過查詢分析發(fā)現(xiàn)，水泥細(xì)度和比表面積不存在確定的換算關(guān)系，水泥配比、系統(tǒng)流程和選粉機(jī)型式等均可能影響水泥的顆粒級配和比表面積。因此，只有在數(shù)據(jù)積累后才能提出水泥細(xì)度與粉磨電耗的關(guān)系式。

3 輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)電耗分析

估算粉磨系統(tǒng)電耗的基礎(chǔ)是計算給定系統(tǒng)的理論產(chǎn)量。輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)的理論產(chǎn)量計算如式（1）：

物料的粉碎過程是通過吸收機(jī)械能使顆粒不斷變小而轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺艿倪^程。對于輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)來說，機(jī)械能通過輥壓機(jī)和球磨機(jī)消耗電能來提供，球磨機(jī)裝填到設(shè)計合理的研磨體后出力基本上為定值，因此影響系統(tǒng)產(chǎn)量的關(guān)鍵因素是輥壓機(jī)的出力即功率消耗。

式（1）中WT指單位水泥成品的球磨機(jī)當(dāng)量電耗。如前所述，與水泥品種、配料、熟料性能和成品比表面積等因素有關(guān)。PT是球磨機(jī)消耗的功率，PR是輥壓機(jī)消耗的功率。K是輥壓機(jī)的增效系數(shù)，雖然與半成品的細(xì)度有一定的關(guān)系，但是波動范圍不大，對于熟料介于1.6～2.0之間。因此，對系統(tǒng)產(chǎn)量影響最大的是輥壓機(jī)功率消耗的大小，功耗越大，系統(tǒng)產(chǎn)量越高，即有Q∝PR。

主機(jī)的實(shí)際電耗為：

這意味著輥壓機(jī)的功耗PR越大，單位成品電耗越小，極端情況是終粉磨系統(tǒng)（PT=0）電耗最少，PR=0時等同于球磨系統(tǒng)電耗。

對于球磨機(jī)來講，要裝填合理的研磨介質(zhì)，控制合適的物料流速和球料比，才能達(dá)到理想的研磨效果，完成球磨機(jī)本身的任務(wù)。理論上講，進(jìn)入球磨機(jī)的物料顆粒尺寸均應(yīng)＞45μm，研磨效率最佳，半終粉磨系統(tǒng)貼近了這一要求。

對于輥壓機(jī)來講，要施加合適的擠壓力，發(fā)揮應(yīng)有的預(yù)粉碎能力，提供優(yōu)質(zhì)的半成品給球磨機(jī)。擠壓后的物料分選是保證輥壓機(jī)擠壓效率的關(guān)鍵，循環(huán)進(jìn)入輥壓機(jī)的物料含有的細(xì)粉（＜80μm）量越少，則含氣量越少，粉體層的摩擦系數(shù)越大，料層越穩(wěn)定，輥壓機(jī)出力越高，擠壓效果越好。這也是雙動態(tài)選粉機(jī)半終粉磨系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)。

對于選粉機(jī)來講，功率消耗不到1kWh/t，但其作用重大。如前所述，選粉機(jī)的分選效率是保證輥壓機(jī)的擠壓效率和球磨機(jī)研磨效率的關(guān)鍵。當(dāng)然，目前采用的動、靜態(tài)選粉機(jī)都屬空氣選粉機(jī)，需要消耗一定的功率提供風(fēng)量、克服阻力。

近兩年來，不少水泥企業(yè)采用陶瓷球替換鋼球，以期實(shí)現(xiàn)降低粉磨電耗的目的。幾乎所有的實(shí)踐證明，替換后初期系統(tǒng)產(chǎn)量降低，節(jié)電效果不明顯。從產(chǎn)量計算公式分析，用陶瓷球替換鋼球后，因質(zhì)量減輕，球磨機(jī)功率顯著降低，產(chǎn)量肯定下降。從電耗計算公式分析，球磨機(jī)功率下降，主機(jī)電耗應(yīng)該下降。但是因?yàn)橄到y(tǒng)產(chǎn)量下降，單位輔機(jī)功耗有所上升，系統(tǒng)電耗降低不明顯。調(diào)整的措施是：提高球磨機(jī)的填充率即提高其功率消耗，保證球磨機(jī)的研磨能力；提高輥壓機(jī)的功率消耗即提高預(yù)粉磨能力，改善進(jìn)入球磨機(jī)的半成品細(xì)度，使其更符合陶瓷球的研磨要求。因此，使用陶瓷球后預(yù)粉磨系統(tǒng)的產(chǎn)量不降低或少降低的根本是粉磨任務(wù)的重新分配。

4 典型案例分析

A廠（技改）采用φ1 800mm×1 200mm、2×1 400kW輥壓機(jī)配φ4.2m×13m、3 550kW球磨機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，后在V型選粉機(jī)出口加設(shè)三分離動態(tài)選粉機(jī)，改成雙動態(tài)選粉機(jī)半終粉磨系統(tǒng)，效果顯著，調(diào)查情況如下：

水泥品種：P·O42.5；

水泥配比：熟料72.0%，脫硫石膏4.0%，石灰石6.0%，濕礦渣4.0%，干粉煤灰14.0%；

熟料易磨性：邦德功指數(shù)14.95kWh/t，T3000=40.5，偏好；

綜合水分：1.4%；

比表面積：3 200cm2/g；

水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量：28.0%；

助磨劑情況：0.03%；

干基產(chǎn)量：290t/h；

系統(tǒng)電耗：輥壓機(jī)8.6kWh/t，球磨機(jī)12.4kWh/t，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)+循環(huán)風(fēng)機(jī)3.6kWh/t，其他輔機(jī)2.9kWh/t，合計27.5kWh/t。

但是，如果將熟料比例提高到80%左右，熟料易磨性取中等，水泥比表面積折算到3 500cm2/g，則系統(tǒng)產(chǎn)量相當(dāng)于230t/h，系統(tǒng)電耗＞30kWh/t，屬正常水平。

B廠（技改）采用φ1 800mm×1 200mm、2×1 250kW輥壓機(jī)配φ4.2m×13m、3 550kW球磨機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，后在V型選粉機(jī)出口加設(shè)組合式動態(tài)選粉機(jī)，改成雙動態(tài)選粉機(jī)半終粉磨系統(tǒng)，報道產(chǎn)量300t/h以上，調(diào)查情況如下：

水泥品種：P·O42.5；

水泥配比：熟料79.0%，石膏5.0%，煤矸石7.0%，爐渣4.0%，干粉煤灰5.0%；

熟料易磨性：小磨時間＞30min，中等；

比表面積：3 700cm2/g；

干基產(chǎn)量：233t/h；

水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量：28.4%；

系統(tǒng)電耗：輥壓機(jī)10.5kWh/t，球磨機(jī)14.5kWh/t，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)+循環(huán)風(fēng)機(jī)4.2kWh/t，其他輔機(jī)2.9kWh/t，合計32.1kWh/t。

運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)產(chǎn)量、電耗指標(biāo)亦屬正常水平。調(diào)查同時了解到，該系統(tǒng)生產(chǎn)P·C32.5水泥產(chǎn)量可達(dá)300t/h左右，此時熟料配比為69%，混合材品種成為影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。

C廠（新建）同樣采用φ1 800mm×1 200mm、2×1 250kW輥壓機(jī)配φ4.2m×13m、3 550kW球磨機(jī)雙動態(tài)選粉機(jī)半終粉磨系統(tǒng)，文獻(xiàn)資料見表3。

值得關(guān)注的是從P·C32.5水泥轉(zhuǎn)換為P·O42.5水泥，熟料比例增加7.7%，比表面積增加390cm2/g，但是產(chǎn)量降低100t/h，系統(tǒng)電耗從23.8kWh/t增加到31kWh/t。

表3 同一系統(tǒng)生產(chǎn)不同品種水泥數(shù)據(jù)對比

D廠（海外總包）采用φ1 800mm×1 400mm、2×1 400kW輥壓機(jī)配φ4.2m×13m、3 550kW球磨機(jī)單動態(tài)選粉機(jī)半終粉磨系統(tǒng)，考核結(jié)果如下：

水泥配比：熟料91%，石膏4.5%，石灰石4.5%；比表面積：3 279cm2/g；干基產(chǎn)量：223t/h；系統(tǒng)電耗：30kWh/t；

該系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后，產(chǎn)量可達(dá)260t/h左右，但是電耗降低不多。

5 結(jié)語

我們利用φ560試驗(yàn)輥磨進(jìn)行了大量的水泥粉磨試驗(yàn)研究，結(jié)論是粉磨純硅水泥即P·Ⅰ水泥至3 200cm2/g時，輥磨主機(jī)電耗20kWh/h左右，這和工業(yè)數(shù)據(jù)一致。從粉碎機(jī)理比較分析，輥壓機(jī)和輥磨同屬料床粉碎裝置，輥壓機(jī)壓力高，料床完全受限，粉碎效率略高于輥磨。但是輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)含有低效的球磨機(jī)（即使采用陶瓷研磨體，其效率也僅提高20%左右），輥壓機(jī)+球磨機(jī)的主機(jī)電耗應(yīng)大于輥磨主機(jī)電耗?？紤]到風(fēng)機(jī)、選粉機(jī)、輸送設(shè)備等輔機(jī)電耗，輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)可比電耗（P·Ⅰ水泥3 200cm2/g，或P·O水泥3 500cm2/g，無助磨劑）能達(dá)到二代指標(biāo)的27kWh/t即為先進(jìn)水平，要達(dá)到20kWh/t絕非易事?！?/p>

Evaluation and Discussion of Power Consumption of Roller Press Cement Pregrinding System

HOU Longhua1,CHAI Xingteng2,HE Xiaoyi2
(1 Sinoma Technical Service Co.,Ltd.,Tianjin 300400;2 Sinoma International Research Institute,Tianjin 300400)

TQ172.639

A

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2017-07-20； 編輯：呂 光