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(jì)建設(shè)中的一種重要基礎(chǔ)原材料。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?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(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)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(dá)峰”是我國“十四五”規(guī)劃的重點(diǎn)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(dá)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(jìn)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(jī)系統(tǒng)，輥壓機(jī)、外循環(huán)輥磨與球磨機(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)電耗最高，這是由于球磨機(jī)對物料進(jìn)行粉磨時(shí)，研磨體的作用力只在一定概率上對某個(gè)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(jī)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(jī)、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(diǎn)，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(jìn)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(jī)、選粉機(jī)、收塵設(shè)備、風(fēng)機(jī)及輔助機(jī)械等組成。物料經(jīng)磨機(jī)研磨后，由提升機(jī)送入選粉機(jī)進(jìn)行氣力分選，分選出來的粗顆粒返回磨機(jī)再次研磨，符合要求的細(xì)顆粒通過收塵設(shè)備收集，作為成品輸送至水泥庫。

輥壓機(jī)的工作原理為，物料在兩個(gè)相向轉(zhuǎn)動(dòng)的壓輥帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，被兩輥擠壓粉碎形成料餅，排出輥壓機(jī)。在輥壓機(jī)水泥終粉磨系統(tǒng)中，需采用特殊形式的動(dòng)態(tài)選粉機(jī)，以保證選粉機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)對物料的粉碎。根據(jù)選粉機(jī)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(jī)，利用氣力將物料提升至選粉機(jī)進(jìn)行分選；外循環(huán)輥磨的選粉機(jī)設(shè)置在輥磨外部，采用機(jī)械方式將物料提升至選粉機(jī)進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)類似，筒輥磨需要磨內(nèi)通風(fēng)，使磨機(jī)在負(fù)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(jī)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(jī)功率10 000kW；非凡公司MVR6700C-6，磨盤直徑φ6.7m，裝機(jī)功率9 125kW；史密斯公司OK81-6，磨盤直徑φ8.1m，裝機(jī)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(dá)到合同指標(biāo)，2017年1月系統(tǒng)電耗達(dá)到合同指標(biāo)。

萊歇公司LM70.4+4水泥輥磨運(yùn)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(dá)到或優(yōu)于合同指標(biāo)。

表2 LM70.4+4水泥輥磨運(yùn)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(jì)研究院有限公司（以下簡稱天津水泥院）設(shè)計(jì)并供貨。該系統(tǒng)于2020 年3 月投產(chǎn)，磨盤直徑φ6m，裝機(jī)功率6 300kW。在熟料占比90%、成品比表面積370m2/kg 的運(yùn)行條件下，系統(tǒng)產(chǎn)量可達(dá)280t/h，電耗27~28kW·h/t，較同水泥廠內(nèi)“輥壓機(jī)+球磨機(jī)”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(jī)功率5 100kW。在熟料占比87%、成品比表面積350m2/kg 的運(yùn)行條件下，系統(tǒng)產(chǎn)量達(dá)250~260t/h，電耗約26kW·h/t。水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為25%~27%，凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度與球磨機(jī)水泥成品相當(dāng)[7]。

傳統(tǒng)水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)工藝流程簡單、操作維護(hù)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(dāng)，裝備大型化優(yōu)勢顯著，在國際上已被廣泛認(rèn)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(jī)外，即物料全部通過輥磨的外部進(jìn)行循環(huán)。研磨后的物料由提升機(jī)提升進(jìn)入組合式選粉機(jī)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(jìn)入選粉機(jī)，而是采用機(jī)械提升送入選粉機(jī)，輥磨內(nèi)僅少量通風(fēng)起收塵作用，系統(tǒng)通風(fēng)壓力損失降低、風(fēng)量降低，從而實(shí)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(jī)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(fù)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(jī)功率1 600kW，系統(tǒng)配置了φ3.2m×13m球磨機(jī)（裝機(jī)功率1 600kW），既可實(shí)現(xiàn)外循環(huán)水泥輥磨終粉磨，也可實(shí)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(shí)，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(jī)功率4 000kW，生產(chǎn)P·O42.5R 水泥時(shí)，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(xì)度及顆粒分布與已有球磨機(jī)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(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為26.9%，低于相同原料配比的球磨機(jī)成品需水量[8]。

從不同廠家外循環(huán)水泥輥磨系統(tǒng)運(yùn)行情況看，外循環(huán)水泥輥磨終粉磨系統(tǒng)通風(fēng)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(jī)水泥終粉磨系統(tǒng)

天津水泥院有限公司從2012年開始進(jìn)行水泥輥壓機(jī)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(jī)，達(dá)到了水泥成品粒度分布靈活調(diào)控的效果，并取得了實(shí)際工業(yè)應(yīng)用業(yè)績[9]。從生產(chǎn)情況來看，輥壓機(jī)規(guī)格為TRP180-140，裝機(jī)功率為2×1 400kW，多轉(zhuǎn)子選粉機(jī)風(fēng)量為180 000~260 000m3/h，生產(chǎn)P·O42.5水泥，系統(tǒng)運(yùn)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(jī)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(dāng)。配置多轉(zhuǎn)子選粉機(jī)的輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)工藝流程見圖5。

圖5 配置多轉(zhuǎn)子選粉機(jī)的輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)工藝流程

2018年，在德國VDZ會(huì)議上，Nuh ?imento公司介紹了采用KHD輥壓機(jī)進(jìn)行終粉磨的情況[10]。系統(tǒng)配置了兩套COMFLEX 輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)，輥壓機(jī)規(guī)格為RPM170-180，裝機(jī)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(jī)終粉磨系統(tǒng)工藝流程見圖6。

圖6 COMFLEX輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)工藝流程

2020 年，四川峨勝水泥也進(jìn)行了輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)的生產(chǎn)嘗試。輥壓機(jī)規(guī)格為φ160-120，裝機(jī)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(jī)終粉磨成品與球磨機(jī)成品相比，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量略微上升，凝結(jié)時(shí)間縮短約30min。終粉磨系統(tǒng)水泥顆粒粒徑分布較球磨機(jī)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(jī)系統(tǒng)約為63.33%。輥壓機(jī)水泥終粉磨系統(tǒng)所生產(chǎn)水泥用于制備混凝土?xí)r，混凝土性能能夠符合使用標(biāo)準(zhǔn)。對輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)和球磨機(jī)系統(tǒng)水泥樣品進(jìn)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(dǎo)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(jī)終粉磨系統(tǒng)通風(fēng)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(jī)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(jìn)行水泥終粉磨，裝機(jī)功率2 400kW，選粉機(jī)型號TSV4500，裝機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為29.9%，略高于球磨機(jī)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(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為26.3%，低于聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，水泥強(qiáng)度與聯(lián)合粉磨系統(tǒng)成品相當(dāng)[13]。

從早期的運(yùn)行數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)來看，筒輥磨系統(tǒng)電耗在25kW·h/t 以上，機(jī)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(huì)存在差異，需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷改善。