李銘哲，杜鑫，聶文海，石國平，秦中華

1 前言

水泥是國民經(jīng)濟建設(shè)中的一種重要基礎(chǔ)原材料。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2020 年我國水泥產(chǎn)量為23.77 億噸，占世界水泥產(chǎn)量的50%以上。隨著社會的不斷發(fā)展進步，水泥生產(chǎn)中的高能耗、高排放問題日益受到關(guān)注。在能耗方面，每生產(chǎn)一噸水泥需耗電70~80kW·h，其中，粉磨工序耗電量占60%~70%，而在粉磨工序中，水泥粉磨電耗占比最大[1]，因此，水泥粉磨系統(tǒng)的節(jié)能降耗對水泥行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

“碳達峰”是我國“十四五”規(guī)劃的重點工作之一，“十四五”規(guī)劃明確提出，我國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值。對于水泥行業(yè)而言，降低碳排放的措施主要有源頭減碳、過程降碳（降低電耗、煤耗）和碳捕集，其中，水泥粉磨系統(tǒng)的節(jié)電是過程降碳的主要措施之一。因此，探索更加節(jié)能高效的粉磨技術(shù)，進一步降低水泥粉磨系統(tǒng)的電耗，可有效降低水泥行業(yè)二氧化碳排放量，對水泥及建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

目前工業(yè)上應(yīng)用的水泥粉磨系統(tǒng)有，純球磨機系統(tǒng)，輥壓機、外循環(huán)輥磨與球磨機的聯(lián)合粉磨或半終粉磨系統(tǒng)，輥磨、外循環(huán)輥磨、輥壓機以及筒輥磨的終粉磨系統(tǒng)[3]。不同水泥粉磨系統(tǒng)電耗的比較如表1所示。

由表1 可知，純球磨機系統(tǒng)電耗最高，這是由于球磨機對物料進行粉磨時，研磨體的作用力只在一定概率上對某個單體顆粒起到破碎或粉磨作用，大部分能量轉(zhuǎn)化為熱損失和系統(tǒng)噪聲，粉磨效率較低[4]，目前這種系統(tǒng)已基本不再使用。

表1 不同水泥粉磨系統(tǒng)電耗比較，kW·h/t

不同于球磨機單體顆粒破碎的粉磨原理，料床粉磨則是將被破碎的顆粒聚集在一起，在一定壓力作用下，顆粒與顆粒相互作用傳遞壓力完成粉碎，是目前能量利用率更高的粉磨方式，料床粉磨的典型設(shè)備有輥壓機、輥磨和筒輥磨[5]。料床終粉磨系統(tǒng)不僅能量利用率高、碳排放量少，還具有工藝流程簡單、水泥成品溫度低和產(chǎn)品切換靈活等優(yōu)點，是目前最具發(fā)展前景的水泥粉磨系統(tǒng)。筆者綜合歸納了國內(nèi)外水泥料床終粉磨系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用情況，并對水泥料床終粉磨系統(tǒng)未來的發(fā)展前景進行了展望。

2 粉磨設(shè)備工作原理及系統(tǒng)介紹

水泥料床終粉磨系統(tǒng)主要由料床粉磨設(shè)備、提升機、選粉機、收塵設(shè)備、風機及輔助機械等組成。物料經(jīng)磨機研磨后，由提升機送入選粉機進行氣力分選，分選出來的粗顆粒返回磨機再次研磨，符合要求的細顆粒通過收塵設(shè)備收集，作為成品輸送至水泥庫。

輥壓機的工作原理為，物料在兩個相向轉(zhuǎn)動的壓輥帶動下向下運動，被兩輥擠壓粉碎形成料餅，排出輥壓機。在輥壓機水泥終粉磨系統(tǒng)中，需采用特殊形式的動態(tài)選粉機，以保證選粉機的選粉效率和水泥的產(chǎn)品性能，其工藝流程如圖1所示。

圖1 輥壓機水泥終粉磨系統(tǒng)工藝流程

輥磨主要是靠磨輥與磨盤之間的擠壓、剪切，實現(xiàn)對物料的粉碎。根據(jù)選粉機是否內(nèi)置，輥磨分為傳統(tǒng)輥磨和外循環(huán)輥磨。傳統(tǒng)輥磨又稱內(nèi)循環(huán)輥磨，是在輥磨內(nèi)部設(shè)置選粉機，利用氣力將物料提升至選粉機進行分選；外循環(huán)輥磨的選粉機設(shè)置在輥磨外部，采用機械方式將物料提升至選粉機進行分選。傳統(tǒng)輥磨水泥終粉磨系統(tǒng)工藝流程如圖2 所示。外循環(huán)輥磨水泥終粉磨系統(tǒng)工藝流程與輥壓機水泥終粉磨系統(tǒng)基本一致。

圖2 傳統(tǒng)輥磨水泥終粉磨系統(tǒng)工藝流程

筒輥磨由法國FCB公司研發(fā)，入磨物料在圓柱輥與旋轉(zhuǎn)筒體之間形成料床，壓力由圓柱輥施加在料床上。與輥壓機和輥磨水泥終粉磨系統(tǒng)相比，筒輥磨系統(tǒng)的磨輥擠壓壓力中等[8]。與球磨機系統(tǒng)類似，筒輥磨需要磨內(nèi)通風，使磨機在負壓狀態(tài)下工作。筒輥磨工作原理如圖3所示。

圖3 筒輥磨工作原理

3 工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 傳統(tǒng)輥磨水泥終粉磨系統(tǒng)

目前，國際上普遍采用傳統(tǒng)輥磨終粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)水泥，占比＞60%；國內(nèi)普遍采用料床粉磨裝備與球磨機組成的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)或半終粉磨系統(tǒng)，占比＞70%。

國際上傳統(tǒng)輥磨大型化的發(fā)展趨勢明顯，以國外典型裝備制造商為例，各公司投產(chǎn)的最大規(guī)格輥磨為：萊歇公司LM72.4+4，磨盤直徑φ7.2m，裝機功率10 000kW；非凡公司MVR6700C-6，磨盤直徑φ6.7m，裝機功率9 125kW；史密斯公司OK81-6，磨盤直徑φ8.1m，裝機功率11 000kW。

其中，萊歇公司LM70.4+4 水泥輥磨于2016 年9月在尼日利亞Unicem水泥公司的Mafmosing工廠投產(chǎn)，配套 6 250t/d 水泥熟料生產(chǎn)線，2016 年 11 月系統(tǒng)產(chǎn)量達到合同指標，2017年1月系統(tǒng)電耗達到合同指標。

萊歇公司LM70.4+4水泥輥磨運行情況見表2。從表2數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)產(chǎn)量、比表面積、電耗均達到或優(yōu)于合同指標。

表2 LM70.4+4水泥輥磨運行情況

目前，國產(chǎn)最大的水泥輥磨是TRMK60.3，由天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司（以下簡稱天津水泥院）設(shè)計并供貨。該系統(tǒng)于2020 年3 月投產(chǎn)，磨盤直徑φ6m，裝機功率6 300kW。在熟料占比90%、成品比表面積370m2/kg 的運行條件下，系統(tǒng)產(chǎn)量可達280t/h，電耗27~28kW·h/t，較同水泥廠內(nèi)“輥壓機+球磨機”聯(lián)合粉磨系統(tǒng)節(jié)電10%以上[6]。

2018 年，海螺水泥公司投產(chǎn)了兩套水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)，輥磨規(guī)格為CK-490，裝機功率5 100kW。在熟料占比87%、成品比表面積350m2/kg 的運行條件下，系統(tǒng)產(chǎn)量達250~260t/h，電耗約26kW·h/t。水泥標準稠度需水量為25%~27%，凝結(jié)時間、強度與球磨機水泥成品相當[7]。

傳統(tǒng)水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)工藝流程簡單、操作維護方便，系統(tǒng)電耗基本在24~27kW·h/t，水泥性能與聯(lián)合粉磨、半終粉磨系統(tǒng)相當，裝備大型化優(yōu)勢顯著，在國際上已被廣泛認可。

3.2 外循環(huán)水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)

外循環(huán)水泥輥磨是將傳統(tǒng)水泥輥磨的研磨和分選功能分開，物料經(jīng)研磨后全部排到磨機外，即物料全部通過輥磨的外部進行循環(huán)。研磨后的物料由提升機提升進入組合式選粉機分選，分選后合格的物料由收塵器收集為成品，粗粉回到輥磨再次研磨。相比傳統(tǒng)輥磨，外循環(huán)輥磨研磨后的物料不再通過氣力提升進入選粉機，而是采用機械提升送入選粉機，輥磨內(nèi)僅少量通風起收塵作用，系統(tǒng)通風壓力損失降低、風量降低，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。外循環(huán)水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)工藝流程見圖4。

圖4 外循環(huán)水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)工藝流程

近年來，國內(nèi)對外循環(huán)水泥輥磨技術(shù)的研究較多，主要以天津水泥院、合肥水泥院、南京凱盛等為代表，系統(tǒng)方案多為聯(lián)合粉磨系統(tǒng)和半終粉磨系統(tǒng)；國外對此方面的研究較少，原因是國外對輥磨技術(shù)的發(fā)展思路與國內(nèi)不同。國外的發(fā)展思路是：規(guī)模更大、可靠性更高、系統(tǒng)更簡單、粉磨能耗更低，這也是國外傳統(tǒng)水泥輥磨單機規(guī)模越來越大（最大550t/h）、輥磨系統(tǒng)占比高于聯(lián)合粉磨系統(tǒng)的原因之一。而外循環(huán)水泥輥磨系統(tǒng)雖具有能耗更低的優(yōu)勢，但目前能做到的最大規(guī)模是300t/h，且外循環(huán)水泥輥磨系統(tǒng)工藝比傳統(tǒng)輥磨略復雜。

2014 年，遼寧某水泥廠投產(chǎn)了一臺TRM31.3外循環(huán)水泥輥磨，裝機功率1 600kW，系統(tǒng)配置了φ3.2m×13m球磨機（裝機功率1 600kW），既可實現(xiàn)外循環(huán)水泥輥磨終粉磨，也可實現(xiàn)半終粉磨和聯(lián)合粉磨，系統(tǒng)切換靈活。采用終粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)低堿水泥時，成品比表面積340m2/kg 左右，粉磨系統(tǒng)電耗約為24kW·h/t。

2015 年，山東某水泥廠采用KVM46.4-C 外循環(huán)輥磨用于水泥終粉磨，裝機功率4 000kW，生產(chǎn)P·O42.5R 水泥時，熟料占比75.6%，成品比表面積為360m2/kg，產(chǎn)量180t/h，系統(tǒng)電耗23.6kW·h/t。水泥細度及顆粒分布與已有球磨機系統(tǒng)接近，成品比表面積可在300~400m2/kg之間調(diào)節(jié)，水泥標準稠度需水量為26.9%，低于相同原料配比的球磨機成品需水量[8]。

從不同廠家外循環(huán)水泥輥磨系統(tǒng)運行情況看，外循環(huán)水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)通風電耗較低，水泥粉磨系統(tǒng)電耗為23~25kW·h/t，系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢明顯。

3.3 輥壓機水泥終粉磨系統(tǒng)

天津水泥院有限公司從2012年開始進行水泥輥壓機終粉磨技術(shù)研究工作，經(jīng)過不斷探索，開發(fā)了多轉(zhuǎn)子選粉機，達到了水泥成品粒度分布靈活調(diào)控的效果，并取得了實際工業(yè)應(yīng)用業(yè)績[9]。從生產(chǎn)情況來看，輥壓機規(guī)格為TRP180-140，裝機功率為2×1 400kW，多轉(zhuǎn)子選粉機風量為180 000~260 000m3/h，生產(chǎn)P·O42.5水泥，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，成品比表面積370~400m2/kg，系統(tǒng)產(chǎn)量140~150t/h，電耗23~24kW·h/t，較原有聯(lián)合粉磨系統(tǒng)降低20%左右；在水泥性能方面，對比輥壓機終粉磨系統(tǒng)與聯(lián)合粉磨系統(tǒng)兩種系統(tǒng)生產(chǎn)的成品，終粉磨系統(tǒng)成品粒度分布更寬，從而保證了其生產(chǎn)的水泥及制備的混凝土性能與聯(lián)合粉磨系統(tǒng)成品相當。配置多轉(zhuǎn)子選粉機的輥壓機終粉磨系統(tǒng)工藝流程見圖5。

圖5 配置多轉(zhuǎn)子選粉機的輥壓機終粉磨系統(tǒng)工藝流程

2018年，在德國VDZ會議上，Nuh ?imento公司介紹了采用KHD輥壓機進行終粉磨的情況[10]。系統(tǒng)配置了兩套COMFLEX 輥壓機粉磨系統(tǒng)，輥壓機規(guī)格為RPM170-180，裝機功率3 500kW，經(jīng)考核，終粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量為148t/h（比表面積415m2/kg），系統(tǒng)電耗32.9kW·h/t，折合到比表面積350m2/kg，系統(tǒng)電耗25.9kW·h/t。COMFLEX輥壓機終粉磨系統(tǒng)工藝流程見圖6。

圖6 COMFLEX輥壓機終粉磨系統(tǒng)工藝流程

2020 年，四川峨勝水泥也進行了輥壓機終粉磨系統(tǒng)的生產(chǎn)嘗試。輥壓機規(guī)格為φ160-120，裝機功率2×900kW，產(chǎn)量為110~115t/h，系統(tǒng)電耗24.9kW·h/t，相比聯(lián)合粉磨及半終粉磨模式，電耗降低約4~5kW·h/t。水泥性能方面，輥壓機終粉磨成品與球磨機成品相比，標準稠度需水量略微上升，凝結(jié)時間縮短約30min。終粉磨系統(tǒng)水泥顆粒粒徑分布較球磨機系統(tǒng)生產(chǎn)的水泥更集中，終粉磨系統(tǒng)水泥成品粒徑3~32μm顆粒含量占68.54%，球磨機系統(tǒng)約為63.33%。輥壓機水泥終粉磨系統(tǒng)所生產(chǎn)水泥用于制備混凝土時，混凝土性能能夠符合使用標準。對輥壓機終粉磨系統(tǒng)和球磨機系統(tǒng)水泥樣品進行X光衍射分析發(fā)現(xiàn)，由于終粉磨系統(tǒng)成品溫度低，水泥中石膏脫水程度較低，導致水泥中二水石膏含量偏高[11]。

與外循環(huán)水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)相似，輥壓機終粉磨系統(tǒng)通風電耗較低，水泥粉磨系統(tǒng)電耗為22~24kW·h/t。目前國內(nèi)外對該系統(tǒng)的研究主要以選粉機為核心，希望通過調(diào)整成品粒度級配提升產(chǎn)品性能。

3.4 筒輥磨水泥終粉磨系統(tǒng)

2003 年，北方水泥曾采用筒輥磨HORO?mill3800進行水泥終粉磨，裝機功率2 400kW，選粉機型號TSV4500，裝機功率132kW，生產(chǎn)P·O42.5水泥，成品比表面積349m2/kg，產(chǎn)量119t/h，系統(tǒng)電耗25kW·h/t，較球磨機系統(tǒng)電耗低40%。水泥性能方面，經(jīng)檢測水泥成品的粒度分布情況，筒輥磨系統(tǒng)水泥成品均勻性系數(shù)為1.12，水泥成品標準稠度需水量為29.9%，略高于球磨機系統(tǒng)[12]。

2005 年，中材漢江水泥公司同樣采用筒輥磨HOROmill3800 生產(chǎn) P·O42.5 水泥，成品比表面積353m2/kg，產(chǎn)量87.9t/h，系統(tǒng)電耗33.18kW·h/t，與聯(lián)合粉磨系統(tǒng)相比，電耗降低4.19kW·h/t。水泥性能方面，筒輥磨系統(tǒng)水泥均勻性系數(shù)為1.19，比聯(lián)合粉磨系統(tǒng)低20%，標準稠度需水量為26.3%，低于聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，水泥強度與聯(lián)合粉磨系統(tǒng)成品相當[13]。

從早期的運行數(shù)據(jù)及設(shè)備運行狀態(tài)來看，筒輥磨系統(tǒng)電耗在25kW·h/t 以上，機械可靠性有待提升，該裝備系統(tǒng)暫未大面積推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

從國內(nèi)外水泥料床終粉磨系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用可以看出，與聯(lián)合粉磨系統(tǒng)和半終粉磨系統(tǒng)相比，料床終粉磨系統(tǒng)具有明顯的能耗優(yōu)勢，值得深入研究。由于粉磨原理、物料配比、混合材種類等不同，水泥性能可能會存在差異，需要在實際應(yīng)用中不斷改善。