張傳仁 徐興國(guó) 王澤浚 楊道連

(1.淄博市傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心;2.中材淄博重型機(jī)械有限公司,山東 淄博 255000)

我國(guó)是水泥生產(chǎn)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年水泥產(chǎn)量23.8億t，水泥熟料產(chǎn)量15.79億t，碳排放總量約13.2億t，占到我國(guó)碳排放總量的13%以上。水泥行業(yè)每年消耗大量的優(yōu)質(zhì)石灰石資源，為實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，保護(hù)資源、減少浪費(fèi)，減少水泥熟料用量，在水泥行業(yè)全面貫徹綠色發(fā)展行動(dòng)的同時(shí)，整合資源充分利用工業(yè)固廢及建筑垃圾生產(chǎn)高性能水泥及高性能水泥摻合料有著很好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。另外，我國(guó)還是能源、鋼鐵和建筑發(fā)展中的大國(guó)，每年產(chǎn)生的固廢量大，除占用大量土地外還造成環(huán)境污染及存在較大的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)每年約產(chǎn)生粉煤灰6億t左右、礦渣2億t左右、鋼渣1.5億t左右、工業(yè)副產(chǎn)石膏2億t左右、煤矸石8億t左右、建筑垃圾20～30億t、赤泥上億t。水泥行業(yè)是消解固廢的第一大行業(yè)，雖然目前水泥及混凝土行業(yè)消化了大量的固廢，但利用現(xiàn)有技術(shù)和途徑無(wú)法將固廢利用水平進(jìn)一步提升，特別是在節(jié)能減排方面難以實(shí)現(xiàn)新的突破。

中材淄博重型機(jī)械有限公司建企50多年來(lái)，一直致力于各類(lèi)粉磨工藝裝備技術(shù)的研究與應(yīng)用。通過(guò)近30年的多方合作研究，用超細(xì)粉磨單一或多種工業(yè)廢渣及建筑垃圾工藝，工業(yè)化生產(chǎn)出了低碳環(huán)保高性能水泥或高性能水泥參合料。其顯著特征：一是噸水泥二氧化碳排放低于400kg，比傳統(tǒng)噸硅酸鹽水泥二氧化碳排放降低50%以上；二是噸水泥工業(yè)廢渣使用量大于500kg，噸水泥綜合能耗降低30%以上，噸水泥石灰石使用量降低50%以上；三是施工性滿(mǎn)足自流平砼要求，耐久性成倍提高，水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)流動(dòng)度需水量比小于0.3，3d抗壓強(qiáng)度大于60MPa，28d抗壓強(qiáng)度大于100MPa。該工藝技術(shù)拓寬了工業(yè)廢渣及建筑垃圾的應(yīng)用范圍，開(kāi)創(chuàng)了超細(xì)粉磨設(shè)備制造、工業(yè)固廢超細(xì)粉磨、自流平砼施工、高強(qiáng)高性能裝配式建筑、冶金行業(yè)固廢、燃煤電廠固廢等新的產(chǎn)業(yè)。

目前水泥行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩，多數(shù)企業(yè)粉磨設(shè)備閑置率都很高。但大多數(shù)中小型水泥生產(chǎn)企業(yè)整體生產(chǎn)技術(shù)水平偏低，裝備落后，在現(xiàn)有條件下，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有水泥粉磨系統(tǒng)進(jìn)行超細(xì)粉磨工藝技術(shù)改造，提高水泥的粉磨細(xì)度，改善水泥的顆粒級(jí)配，以滿(mǎn)足特種水泥、超細(xì)水泥，高細(xì)摻合料等高附加值多品種水泥的市場(chǎng)需求，是企業(yè)擴(kuò)大水泥市場(chǎng)范圍，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的良好選擇。

在國(guó)家倡導(dǎo)實(shí)施碳達(dá)峰和碳中和的大背景下，水泥行業(yè)如何實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展和高質(zhì)量，成為行業(yè)面臨的重大課題。水泥企業(yè)利用工業(yè)廢渣及建筑垃圾來(lái)生產(chǎn)高性能水泥及高性能水泥摻合料不失為一條實(shí)現(xiàn)突破的有效途徑，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。利用超細(xì)粉磨技術(shù)，將這些廢料磨細(xì)，提高其活性，做為高性能混合材摻入到水泥中，可提高水泥的強(qiáng)度和改善水泥的性能，將其變廢為寶，既能實(shí)現(xiàn)資源綜合利用和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又能促進(jìn)水泥行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。

對(duì)超細(xì)水泥的研究表明，水泥的細(xì)度越來(lái)越細(xì)，水化越快，單位熟料的效率越高，用量越少，質(zhì)量越來(lái)越高；為了避免混凝土早期開(kāi)裂，每方混凝土的水泥用量會(huì)越來(lái)越少，混凝土摻合料的用量會(huì)越來(lái)越大。據(jù)測(cè)定, 當(dāng)比表面積為300m2/kg時(shí),水泥利用率為40%左右; 比表面積為700m2/kg時(shí),利用率為80%左右; 比表面積為1 000m2/kg時(shí),利用率為95%左右。從測(cè)試數(shù)據(jù)可知, 超細(xì)水泥的利用率比普通水泥高約1倍。現(xiàn)有的混凝土，里面至少有1/3的熟料沒(méi)有水化；利用超細(xì)粉磨技術(shù)，可以把現(xiàn)有的水泥產(chǎn)量減少一半以上，質(zhì)量提高一倍以上。這從理論技術(shù)方面為實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)質(zhì)量和效率增長(zhǎng)指明了方向。

目前超細(xì)摻合料的生產(chǎn)工藝主要是通過(guò)開(kāi)路超細(xì)磨進(jìn)行生產(chǎn)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求不高，細(xì)度一般控制R45μm≤0.5%；產(chǎn)品比表面積控制范圍一般在550m2/kg～700m2/kg；由于采用開(kāi)路磨生產(chǎn)工藝，無(wú)法在保持系統(tǒng)高產(chǎn)量的前提下生產(chǎn)出>800m2/kg的高性能摻合料。因此，開(kāi)路生產(chǎn)的摻合料僅具有普通摻合料的性能，在混凝土中添加量受限。為適應(yīng)各種工業(yè)廢渣的高性能應(yīng)用，需要對(duì)設(shè)備的大型化及如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)比表面積>800m2/kg超細(xì)摻合料的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入研究。近幾年，我們直接在工業(yè)化生產(chǎn)中對(duì)工業(yè)廢渣進(jìn)行了超細(xì)粉磨，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了與球磨機(jī)配套的新型高效超細(xì)選粉機(jī)，已經(jīng)成功應(yīng)用于各類(lèi)工業(yè)廢渣的超細(xì)粉磨中。根據(jù)各種工業(yè)廢渣的特殊性質(zhì)，我們分別設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的工藝流程方案，建立了多套能夠?qū)ｉT(mén)進(jìn)行工業(yè)廢渣超細(xì)加工的工業(yè)化中試生產(chǎn)線，所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及成果，足以對(duì)今后規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)起到指導(dǎo)作用。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外建材行業(yè)對(duì)各類(lèi)工業(yè)廢渣及建筑垃圾的超細(xì)粉應(yīng)用需求量大增，單機(jī)大產(chǎn)量、高細(xì)度的粉磨設(shè)備有著很好的市場(chǎng)需求。中材淄博重型機(jī)械有限公司抓住這一機(jī)遇，開(kāi)發(fā)出了適應(yīng)市場(chǎng)的大型超細(xì)粉磨工藝裝備技術(shù)并大力推廣應(yīng)用。

1 大型超細(xì)粉磨工藝裝備技術(shù)的應(yīng)用

1.1 項(xiàng)目介紹

2019年初，山東某公司擬將其閑置的一條水泥粉磨生產(chǎn)線進(jìn)行改造，利用鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的礦渣、鋼渣及爐渣進(jìn)行超細(xì)粉磨深加工，作為高細(xì)摻合料加入水泥，提高水泥強(qiáng)度，改善水泥品質(zhì)，同時(shí)提升企業(yè)銷(xiāo)售利潤(rùn)。中材淄博重型機(jī)械有限公司根據(jù)其現(xiàn)有磨機(jī)、選粉機(jī)及其收塵設(shè)備布置情況，通過(guò)實(shí)地考察測(cè)量、分析計(jì)算，設(shè)計(jì)出了由ZCX1600超細(xì)選粉機(jī)代替原O-SEPA N1000選粉機(jī)和對(duì)磨機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)超細(xì)研磨分選的技術(shù)改造的方案，用以進(jìn)行超細(xì)粉粉磨分選：原料粉從原料倉(cāng)通過(guò)計(jì)量給料機(jī)喂入MB30110球磨機(jī)，入磨原料粉細(xì)度400m2/kg, 經(jīng)過(guò)磨機(jī)研磨后的物料，通過(guò)氣力輸送從選粉機(jī)底部進(jìn)入選粉機(jī)，經(jīng)選粉機(jī)分選后合格超細(xì)粉被收塵器收集下來(lái)后，輸送入成品倉(cāng)；不合格粗粉由選粉機(jī)底部返回磨機(jī)，再重新研磨。改造工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 改造工藝流程圖

1.2 磨機(jī)改造

超細(xì)球磨機(jī)具有獨(dú)特的超細(xì)研磨及料球分離功能，配套大型超細(xì)選粉機(jī)使用，利用各種工業(yè)固廢可規(guī)?；a(chǎn)微納米復(fù)合超細(xì)粉產(chǎn)品。產(chǎn)品具有高細(xì)度、高活性、低需水量比等優(yōu)異性能，是一種高性能的水泥混合材和混凝土摻合料，可以完全代替S95礦粉或部分代替水泥，顯著降低水泥和混凝土生產(chǎn)成本，提高質(zhì)量，為助力水泥粉磨站轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和與引領(lǐng)固廢產(chǎn)業(yè)綠色協(xié)同發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)有效的途徑。

原有磨機(jī)規(guī)格為MB30110，采用超細(xì)球磨機(jī)專(zhuān)有技術(shù)進(jìn)行改造后，磨機(jī)具有以下特點(diǎn)。

(1)靠控制磨內(nèi)風(fēng)速控制磨機(jī)出料速度，磨內(nèi)風(fēng)速調(diào)整范圍0.5m/s～5m/s。(2)采用高強(qiáng)耐磨襯板，提高使用壽命。(3)采用低阻防堵耐磨隔倉(cāng)板及出料倉(cāng)篦板，有效降低磨機(jī)運(yùn)行阻力。(4)磨內(nèi)裝置篦縫全部采用精密加工而成，出磨物料細(xì)度控制準(zhǔn)確。(5)新型活化襯板有效提高研磨體全部參與運(yùn)動(dòng)做功，提升研磨效果。(6)合理選擇磨內(nèi)工藝參數(shù)并采用微型研磨介質(zhì)研磨，提高磨機(jī)的細(xì)磨能力。(7)獨(dú)特的出料裝置， 能夠及時(shí)導(dǎo)出合格細(xì)粉， 將不合格粗粉及時(shí)送回磨內(nèi)。 出磨物料20%靠氣流帶走， 80%靠磨外管道風(fēng)掃輸送喂料。 磨機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

1.襯板;2.隔倉(cāng)板;3.活化襯板;4.微型研磨介質(zhì)；5.擋圈;6.出料篦板;7.出料裝置。圖2 磨機(jī)

1.3 超細(xì)選粉機(jī)

超細(xì)選粉機(jī)是大型超細(xì)粉磨工藝裝備中的核心設(shè)備，其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性能，適應(yīng)范圍廣，可用于粉磨系統(tǒng)各種物料的分選，產(chǎn)品的細(xì)度調(diào)整范圍寬，細(xì)度調(diào)節(jié)靈活方便，顆粒級(jí)配合理，產(chǎn)品性能好，經(jīng)ZCX系列超細(xì)高效選粉機(jī)分選的物料可實(shí)現(xiàn)D97<10μm，其比表面積可以在800m2/kg～1500m2/kg之間任意靈活調(diào)整，既可以生產(chǎn)超細(xì)礦粉，超細(xì)粉煤灰，超細(xì)鋼渣粉等各種高細(xì)摻合料，又可生產(chǎn)各種標(biāo)號(hào)的水泥，可滿(mǎn)足水泥粉磨系統(tǒng)技術(shù)改造需要。ZCX型超細(xì)選粉機(jī)外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 ZCX型超細(xì)選粉機(jī)

超細(xì)選粉機(jī)規(guī)格：ZCX1600，額定風(fēng)量60 000m3/h，分選細(xì)度800m2/kg～1 500m2/kg任意可調(diào)。

1.3.1 分選原理

從磨機(jī)出來(lái)的物料通過(guò)下殼體內(nèi)筒9被負(fù)壓氣體帶到中殼體7底部時(shí)，物料與導(dǎo)流錐6底部碰撞后向四周分流，其中一部分顆粒落入調(diào)風(fēng)蝸殼8內(nèi)，被調(diào)風(fēng)蝸殼8內(nèi)形成的自由渦流進(jìn)一步分選，細(xì)顆粒上升入分選區(qū)進(jìn)一步分選，粗顆粒落入下殼體10經(jīng)下料鎖風(fēng)閥11排出返回磨機(jī)；另一部分顆粒與導(dǎo)流錐碰撞后隨氣流繼續(xù)上升，經(jīng)中殼體7和導(dǎo)流錐6形成的環(huán)狀通道，進(jìn)入上殼體5內(nèi)，通過(guò)轉(zhuǎn)子4進(jìn)行分級(jí)，符合要求的細(xì)粉成品經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子隨著氣流通過(guò)細(xì)粉出管2，進(jìn)入收塵器收集下來(lái)，不符合要求的顆粒粉被葉輪甩出后，因重力作用沿上殼體5內(nèi)壁下落，最終落到下料鎖風(fēng)閥12卸出并返回磨機(jī)。選粉機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

1.3.2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)采用單葉輪大型超細(xì)選粉機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，單機(jī)處理能力大。(2)采用大型超細(xì)選粉機(jī)專(zhuān)利動(dòng)靜葉片技術(shù)，分級(jí)效率高，運(yùn)行阻力低。(3)采用一種低旁路值的雙重密封結(jié)構(gòu)，可達(dá)到實(shí)現(xiàn)分選比表面積800m2/kg～1 500m2/kg的超細(xì)粉的使用要求。(4)轉(zhuǎn)子采用變頻調(diào)速，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)成品細(xì)度D97從5μm到150μm任意控制可調(diào)。(5)設(shè)計(jì)調(diào)風(fēng)蝸殼部件，可平衡選粉機(jī)風(fēng)量與磨機(jī)所需風(fēng)量大小，實(shí)現(xiàn)氣流均衡。(6)采用CFD模擬分析，指導(dǎo)對(duì)選粉機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。(7)選粉機(jī)內(nèi)部構(gòu)件均采用耐磨材料防護(hù)處理，延長(zhǎng)整機(jī)使用壽命。

1.4 袋收塵器

主要特點(diǎn)如下。

(1)采用防粉塵二次吸附設(shè)計(jì)，避免清灰不徹底，超細(xì)粉二次吸附到過(guò)濾袋上。

(2)采用降阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)濾袋使用壽命。

1.驅(qū)動(dòng)裝置；2.細(xì)粉出管；3.支架；4.轉(zhuǎn)子；5.上殼體；6.導(dǎo)流錐；7.中殼體；8. 調(diào)風(fēng)蝸殼；9.內(nèi)筒；10.下殼體；11.下料鎖風(fēng)閥。圖4 ZCX1600超細(xì)選粉機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.5 料封泵

料封泵，特別適應(yīng)超細(xì)微粉遠(yuǎn)距離多點(diǎn)輸送，本粉體低壓空氣輸送系統(tǒng)是機(jī)械輸送系統(tǒng)投資、運(yùn)行費(fèi)用1/3以下，電耗和機(jī)械系統(tǒng)相當(dāng)，幾乎是零故障。

1.6 無(wú)動(dòng)力均化庫(kù)

無(wú)動(dòng)力均化庫(kù)，解決了全世界水泥廠中微粉難以均化和計(jì)量的難題，以極少動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了一庫(kù)儲(chǔ)存、均化、進(jìn)出有序、穩(wěn)定計(jì)量。

2 改造效果(圖5，6)

經(jīng)過(guò)前期的順利改造、安裝、調(diào)試及空試車(chē)，于2019年6月，這條超細(xì)礦渣粉生產(chǎn)線正式投產(chǎn)(見(jiàn)圖5)，目前運(yùn)行穩(wěn)定。ZCX1600超細(xì)選粉機(jī)可實(shí)現(xiàn)臺(tái)時(shí)超細(xì)礦渣粉產(chǎn)量16t/h～20t/h，其中：產(chǎn)品細(xì)度D90=8.66um時(shí)，產(chǎn)量16t/h；產(chǎn)品細(xì)度D90=11.53um時(shí)，產(chǎn)量20t/h；產(chǎn)品細(xì)度D97=10um時(shí)，產(chǎn)量12t/h，比表面積為1 511m2/kg。產(chǎn)品實(shí)際數(shù)據(jù)和性能滿(mǎn)足了客戶(hù)的預(yù)期改造生產(chǎn)要求。

另外，我們采用類(lèi)似的工藝流程方案，在粉煤灰與鋼渣的工業(yè)化超細(xì)微粉加工中試生產(chǎn)中獲取了大量的實(shí)驗(yàn)成果，對(duì)今后超細(xì)微粉的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)將起到指導(dǎo)作用。

圖5 ZCX1600超細(xì)選粉機(jī)現(xiàn)場(chǎng)照片

圖6 粒度分析表

山東某公司采用我公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的Φ3.5m超細(xì)磨和配套新型專(zhuān)利超細(xì)選粉機(jī)生產(chǎn)超細(xì)粉煤灰。成品細(xì)度調(diào)節(jié)靈敏，運(yùn)行產(chǎn)量為45t/h～75t/h,比表面積控制700m2/kg～1 000m2/kg，達(dá)產(chǎn)幅度118%～136%；與其它公司同規(guī)格磨機(jī)系統(tǒng)相比，系統(tǒng)電耗降幅14.2%～21.6%。

山東某公司超細(xì)鋼渣粉項(xiàng)目，采用我公司設(shè)計(jì)制造的上喂料NU2500改進(jìn)型超細(xì)選粉機(jī)，當(dāng)成品比表面積750m2/kg時(shí)，產(chǎn)量75t/h，當(dāng)成品比表面積650m2/kg時(shí)，產(chǎn)量90t/h。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

投資回收期，改造小于1年，新建小于3年。

(1)本項(xiàng)目是工業(yè)廢渣綜合利用項(xiàng)目，粉煤灰、鋼渣、煤矸石脫硫石膏等摻加量大于30%，3年內(nèi)全免增值稅、所得稅，此項(xiàng)減稅20～30元/t，僅此一項(xiàng)，技術(shù)改造一年可以回收投資，新建廠3年可以全部回收投資。

(2)本項(xiàng)目采用專(zhuān)利技術(shù)變工業(yè)廢渣(包括火山灰、燒粘土、石灰石等)綜合功能優(yōu)于水泥熟料，減去增加成本后，每噸產(chǎn)品降低成本60～200元，僅此一項(xiàng)，技術(shù)改造時(shí)當(dāng)年回收全部投資，新建廠2年內(nèi)回收全部投資。

(3)本項(xiàng)目是專(zhuān)利產(chǎn)品，質(zhì)量特別好，能夠根據(jù)砼用戶(hù)要求，方便的配制各類(lèi)特種砼例如，海工砼、高等級(jí)道路砼、低熱砼等等，此類(lèi)產(chǎn)品在市場(chǎng)上一般是傳統(tǒng)水泥價(jià)格1.2倍左右，此項(xiàng)能為水泥廠保留巨大利潤(rùn)空間。

(4)本項(xiàng)目是顛覆性創(chuàng)新技術(shù)，不但從物理、化學(xué)性能上解決了砼施工性、耐久性難題，特別是：高性能環(huán)保水泥、高性能微粉配制高性能砼飽合點(diǎn)單方用水量減少20kg～40kg，相當(dāng)于高性能砼強(qiáng)度可以提高20MPa～40MPa，此項(xiàng)是高性能環(huán)保水泥、高性能微粉具有巨大利潤(rùn)空間的重要原因。

3.2 社會(huì)、環(huán)保效益

本項(xiàng)目的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)能夠創(chuàng)造新的行業(yè)，社會(huì)、環(huán)保效益特別巨大，能夠使水泥行業(yè)從人們概念中的重污染行業(yè)變?yōu)閷?duì)環(huán)境最友好的環(huán)保行業(yè)，每年能夠綜合利用冶金行業(yè)、火電行業(yè)、煤炭行業(yè)、建筑垃圾處理行業(yè)的各類(lèi)工業(yè)廢渣超十億t，減排二氧化碳超10億t，節(jié)約能耗超億t標(biāo)煤。材料改性帶來(lái)質(zhì)的飛躍，必然導(dǎo)致人類(lèi)生存空間較大的拓展，能夠獲得無(wú)法預(yù)見(jiàn)的社會(huì)進(jìn)步，推動(dòng)我國(guó)固廢處理行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和綠色高質(zhì)量發(fā)展。

山東省《落實(shí)“三個(gè)堅(jiān)決”行動(dòng)方案》(2021—2022年)，到2022年，直徑3.2m及以下水泥磨機(jī)全部整合退出，涉及水泥粉磨企業(yè)182家。如果將工藝條件較好的部分水泥粉磨生產(chǎn)線利用超細(xì)粉磨工藝裝備技術(shù)改造成固廢處置生產(chǎn)工藝，即實(shí)現(xiàn)了資源的合理利用，又促進(jìn)了企業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)，是一件利國(guó)利民的大好事，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙豐收。

以上是部分固廢的利用情況，下一步將與有關(guān)企業(yè)和院校合作開(kāi)展赤泥、鋼渣、建筑垃圾等領(lǐng)域的研究和試驗(yàn)，力爭(zhēng)在固廢處置和資源化利用方面取得新突破，用我們的努力回報(bào)社會(huì)。