水泥厂原料粉磨系统节能浅析.doc

水泥厂原料粉磨系统节能浅析中图分类号:TQ172.63文献标识码:B文章编号:1007-0389(2011)023703水泥厂原料粉磨系统节能浅析吴瑶瑶,陈学明(1.中国中材国际工程股份有限公司,江苏南京21I100;2.中建材国际装备有限公司,北京100048)摘要:水泥工业电耗中,原料,燃料和水泥的粉磨电耗占据大头;而其中的原料粉磨又占整个粉磨能耗的20%30%.随着能源的日趋紧缺和其价格的不断增长,如何进一步降低原料粉磨能耗意义重大.文章分析了物料的粉磨原理及其粉磨与能耗关系;在此基础上重点介绍了原料粉磨系统的二种节能方案立磨系统和辊压机终粉磨系统,并就这二种系统的适应条件和性能优势进行了分析.关键词:粉磨机理;粉磨技术;原料;立磨;辊压机;终粉磨DiscussiononenergysavingincementrawmaterialgrindingsystemWuYaoyao,ChenXuemingf1.SinomaInternationalEngineeringCo.,Ltd.(Nanjing),Nanjing,Jiangsu,21110o)Abstract:Thepowercollsl/medbyrawmaterial,coalandcementgrindingconstitutesnearlythewholepowerconsumptionintheeementproduction,andtheratioofrawmaterialgrindingpowertothewholegrindingpoweris20%30%.Andwitheversearcerresol/rcesandincreasingprice.howtoloweredthepowerconsumptionofrawmaterailgrindingshowsgreatsignificance.Thegrindingtheoryandtherelationbetweengrindingmethodandenergyconsumptionwereintroduced,basedonthattwoenergysavingschemesyenicalmillsystemandrollerpressfishinggrindingsystemwerestressedon,andtheapplyingconditionandpreponderanceofthetwosysternwereanalysed.Keywords:grindingprinciple;grindingtechnology;rawmaterial;verticalmill;rollerpress;finalgrinding1我国水泥工业发展与粉磨技术进步的概况在最近的20多年(尤其是进入21世纪的l0年)中,由于新技术在水泥行业的运用,自动化控制水平的提高,国产化大型设备生产制造能力的增强,促使我国水泥行业的发展日新月异.其主要科技进步和发展成果体现在系统规模的大型化,粉磨技术的低能耗,工艺装备的国产化,全线生产控制的自动化,除尘设备的高效化以及回转窑的余热利用,劣质原燃料的开发应用等方面,从而使新建新型干法水泥厂在人均生产率,吨水泥综合能耗(热耗和电耗)和资源利用及环保等方面优势明显.最近10年来,我国水泥工业的粉磨技术取得了长足的发展,极大地节省了能耗,降低了水泥生产成本.其中原料粉磨实现了从球磨机到辊式磨,辊压机终粉磨的转变;水泥粉磨实现了从球磨机到辊压机预粉磨,半终粉磨,终粉磨的蜕变;煤粉制备也从球磨机走向辊式磨时代.同时,国产辊式磨的研发进步和制造水平的提高,也为我国水泥粉磨工艺的高产低耗发展奠定了良好的基础.但目前水泥厂总电耗中,粉磨能耗仍占大头.其中大约20%30%用于原料粉磨,30%40%用于水泥粉磨,3%5%用于煤粉制备.尤其是过去建设的水泥厂(包括20世纪后期我国建设的窑外分解水泥厂),其水泥原,燃料粉磨环节大多数采用的是管磨系统.球磨机结构简单,操作维护方便,且设备价格较低,但能耗高,产量低.对此粉磨工艺系统的节能提产改进技术,主要有改进衬板型式,调整钢球填充量和级配,改善隔仓板结构,提高选粉机效率等方面.但由于无法改变球磨机的粉磨机理,即使改造能达到其提产和节能的最佳化,其节能效果也有限;与当今采用高效选粉机,辊压机和辊式磨等粉磨工艺相比,在提高粉磨能力,降低单位产品能耗,充分利用峰谷电价差降低生产成本方面的差距很大.随着能源价格的不断增长,以及国家和企业对节能和减排的重视,水泥厂原料,燃料粉磨系统的节能越来越引起人们的关注.要实现粉磨系统的节能高产,在系统新建或系统改造中,方案的选择和设备的选型是关键.因此下面就原料粉磨机理和原料粉磨方案进行一些分析探讨.2粉磨原理与能耗分析对于粉磨与能耗的关系,最具代表性的是Kick,Rittinger和Bond的粉碎定律.归纳来说,粉磨过程就是颗粒从受外力破坏到分成许多碎粒和碎片的工艺过程.即:颗粒不断产生弹性变形一颗粒上产生塑性变形一颗粒产生裂纹并继续扩大一最终形成碎粒和碎片.其中:在弹性变形过程,颗粒内积蓄了弹性应变能,这种应变能到下一个塑性永淀工型丝卜变形和破坏过程时被释放而消失;在塑性变形和破坏过程中,多颗粒内结晶格产生变位及裂纹增大,导致构成结晶格的原子分离,从而消耗了由外力供给的能量.在以上两个过程中,外力供给的能量一部分被转换成热能,另一部分则转变成新生表面的自由能.从微观粉磨过程分析,当产品比表面积要求不高时,其弹性变形过程中消耗的能量是主要的;当产品比表面积要求较高时,其塑性变形和破坏过程所消耗的能量是主要的.从微观上看粉磨现象是多重的,颗粒要经历几次破碎过程才得以粉磨成碎粒和碎片.在这一多重破碎过程中,破碎比被逐级降低.为防止粉磨过程中的过粉磨现象,提高粉磨效率和降低粉磨能耗,可采用闭路粉磨工艺,以缩短合格细粉在磨内的停留时问,但这要求配套选粉机的选粉效率较高才能达到目的.从球磨机的粉磨过程看,物料颗粒与颗粒之间,颗粒与研磨体之间,颗粒与简体内衬板之问将产生滑移和摩擦,因而有相当一部分能量被转化为热能而丧失,且研磨体空击产生的无功能耗也大,因而其粉磨效率低且能耗高.辊式磨(即立磨)的碾磨作用主要是依靠挤压形成料床的料间粉碎,即粉磨原理完全不同于球磨机的.其粉磨能通过料间逐层传递给物料颗粒而被高效利用;而且立磨系统本身就构成了闭路粉磨回路,自身就能完成对细颗粒的分选,因而粉磨效率高,这是球磨机系统无法可比的.辊压机的粉磨原理属于料问挤压研磨,其粉磨过程中物料连续均匀地喂人粉磨带被挤压成料饼,粉磨效率好也高.因此,系统粉磨效率的高低和粉磨能耗的大小,除与物料本身的易磨性能有关外(本文对此不作讨论),关键取决于所选择粉磨装备的研磨机理和粉磨系统的配套技术.在新建线和老线改造中,其方案的确定是重中之重.3原料粉磨系统的节能方案3.1采用立磨系统立磨作为原料粉磨已较为普遍.一台立磨的能耗仅为同生产能力球磨机的40%50%,加上系统风机的能耗,整个立磨粉磨系统能耗仅为球磨机系统的60%70%.除节电优势显着以外,立磨系统还具有以下优势和特点:(1)流程简单,占地面积小,土建费用低;(2)可以接纳更粗一些的预破碎物料(根据磨一38一机的尺寸和制造结构,可接受150200mm的物料),因而原料破碎机可选用反击式破碎机,节省了破碎环节的能耗;(3)集原料研磨,烘干和选粉于一体,原料水分较大时,比辊压机终粉磨更为经济实用,但对磨蚀性较大的物料适应性较弱;(4)维修方面要求较高.3.2采用辊压机系统球磨机粉磨效率最低的部分是粗磨仓,采用辊压机来代替球磨机粗磨仓对物料进行预先挤压,不仅可以提高球磨机的粉磨效率,而且挤压后的物料易磨性得以改善.因此采用辊压机作为预粉磨设备,使球磨机节省的电耗是辊压机所用电耗的23倍,因此可使整个粉磨系统的电耗大大降低.对于原料粉磨系统来说,配套辊压机电耗约34kWldt,配套后可将球磨机的电耗从15kWh/t降到6kWlgt,这样成品生料的电耗就降低了56kWh/t,节能优势明显.同时,原料粉磨系统中的物料绝大部分为天然矿石,与水泥熟料相比其结构致密性好,脆性高,易于挤压,相比于用于熟料粉磨的辊压机,其液压系统的压力仅为熟料辊压机的80%,因此辊压机更适于原料粉磨系统.此外,原料的易磨性与原料的硬度相关,而磨蚀性与其晶体结构,结晶量,晶粒大小等相关,根据辊压机粉磨机理,对磨蚀性较大的原料,选择辊压机粉磨系统方案是合适的.在新建水泥厂的原料粉磨系统中辊压机的节能优势一般通过采用预粉磨,半终粉磨和终粉磨工艺来实现.对于预粉磨,半终粉磨工艺,可根据物料情况采用全部配料组分或部分配料组分经辊压机挤压后再喂入球磨机进行粉磨的工艺.一般来说,与单纯球磨机系统相比,如采用预粉磨工艺,可提高产量约40%,节省系统能耗约20%;如采用半终粉磨工艺,可提高产量约45%,节省系统能耗约25%.至于采用预粉磨系统还是半终粉磨系统,需根据工厂的具体情况而定,通常取决于系统改造所产生的投资费用和回收时间.这与当地电价,产量提升带来的成本优势以及系统提产后充分利用峰谷电价差带来的收益等诸多方面有关.对于现有球磨机系统的节能提产改造,采用辊压机加球磨机的粉磨系统更加合理和灵活.一方面辊压机通过在选粉过程中加入热风来满足烘干物料的需求,同时辊压机进料力度可达到75mm,很大程度上降低了破碎系统的能耗,提高了原有破碎系统的能力,而且辊压机对磨蚀性物料的适应性也淀工疆2Oll2较强,因此除采用湿黏物料配料的工程以外,采用这一改造方案均适用.依据各厂条件不同,辊压机系统可采用配置选粉机或打散机使粗料能够进行再循环的闭路系统,也可不配置选粉机或打散机,采用辊压机挤压的物料全部进入球磨机的开流系统.随着国产辊压机技术和装备的日趋成熟,最近部分新建设水泥厂开始将辊压机与选粉机组成的终粉磨系统作为原料粉磨系统,其工艺流程见图1.与立磨系统相比,辊压机终粉磨系统的性能优势和特点如下.(1)辊压机终粉磨系统成品生料的颗粒组成趋于合理,大部分颗粒处于329Om之间,而且石灰质颗粒集中于63m以上,硅质颗粒则多数小于32m,颗粒形状均为针状或片状,同时其颗粒中存在微裂纹,这有利于改善生料的易烧性,从而提高烧成系统的产量.(2)与立磨不同,辊压机自身不具备烘干功能.当原料水分大时,辊压机终粉磨系统需考虑从选粉机和上升管道中解决物料的烘干问题,因此原料水分对系统单位能耗影响很大.当原料综合水分小于3.5%时,生料单位电耗一般可降到12kWh/t以下,可比立磨系统要低10%15%,系统投资与运行成本较为经济;当原料综合水分达到5%时,其单位能耗与立磨系统相比大约降低约5%左右,系统投资和运行成本略低;当原料水分高达6%一8%时,辊压机终粉磨系统就必需采用较复杂的流程,增加烘干用的管道,使投资上升,操作控制复杂;且对管道的磨蚀性增大,系统投资和与运行成本不经济.因此,对磨蚀性较大和综合水分不高的原料,辊压机终粉磨系统是较佳的原料粉磨方案的选择.(3)辊压机耐磨堆焊部件少于立磨,其耐磨件的维护费用一般是立磨的1/5到1/6,其维护费用较低.但辊压机对入料粒度较立磨敏感,如原料中有少量大于100mm的物料,进入辊压机后将引起辊压机的跳停,继而会引起辊压机挤压区过饱和喂料,物料致密度提高而导致辊压机运行不稳定,系统产量相应下降.(4)辊压机终粉磨系统的电耗主要取决于粉磨压力,粉磨压力的增加导致单位成品电耗的上升,同时由于循环负荷的降低又使选粉和输送电耗下降,所以辊压机系统的电耗最佳值位于其磨辊压力的中间值范围.如当磨辊线压力从7080kN/cm上升到8590kN/cm时,辊压机电耗会从3.3kWh/t提升至4.0kWh/t,提高约2l%.因此原料辊压机终粉磨系统中,磨辊线压力一般控制在7080kN/cm是合适的;在此压力下,系统运行在降低电耗的同时,还能减少由于料饼过度挤压而带来的相应工艺问图1辊压机终粉磨流程图永淀工程(下转第41页)一39表3原生产水泥用原材料及其碱含量%原料名称熟料脱硫石膏矿渣炉渣矿粉w(R0)0.610.060.801.480.91泥的碱含量的理论计算如下:w(Rz0)1ns=(R0)熟料C熟料+(Rz0)脱疏稽C脱硫石膏+l(R2O)】矿渣XC矿渣+(R20)】炉渣XC炉渣+(R2O)axC矿粉=0.610.78+0.06x0.036+0.80xO.()4+1.48x0.054+0.91xO.09=0.67%而原生产的P.042.5水泥碱含量的实测值为0.74%,比理论计算值还高0.07%.表4原生产P.042.5水泥的质量配比%原料名称熟料脱硫石膏矿渣炉渣矿粉质量配比783.64.05.49.03.2低碱水泥的生产从表3可知,炉渣中的碱含量比较高,为生产低碱水泥,我们使用石灰石其W(R0)=0.17%1代替炉渣配料生产;且将石灰石与矿渣按照1:1质量配比先期进行搭配入仓.低碱水泥的质量配比见表5.表5低碱水泥的质量配比%堡墨堑堡堕垫些垫宣坌盔垄质量配比754165按表5低碱水泥的质量配比,计算低碱水泥的碱含量为:(R0)低碱水泥=【(R2O)熟料C熟料+(R20)】脱硫石膏C脱硫石膏十z(R20)】石灰石+矿渣c石灰石+矿渣+(R20)矿粉C矿粉:0.50xO.75+0.060.04+0.485x0.16+0.91xO.05=0.50%同样考虑水泥碱含量实际测值与理论计算值的差值,预测低碱水泥的碱含量为0.50X(1+0.07/0.67)=0.55%<0.60%,可以达到低碱水泥的要求.2010年3月利用1熟料生产线生产的低碱熟料,按照表5的水泥配比生产,实测出磨水泥碱含量平均值为【(R