年產15萬噸礦渣微粉生產線的工藝設計和實踐

顧金土，王燁江

1 工程概況

貴州優氏新型建材有限公司地處貴陽市修文縣工業園區，廠區海拔高度約1310m。為綜合利用鄰近金昌精密鑄造有限公司的低質焦爐煤氣（發熱量僅3973kJ/m3（標））和當地的低質煤（發熱量約16310kJ/kg），以及貴州水城鋼鐵（集團）有限責任公司的高爐水渣，該公司于2011年6月動工建設了一條年產15萬噸礦渣微粉生產線，2012年4月建成投產。該生產線投產至今，輥磨運行平穩，比表面積為430～450m2/kg，產量穩定在24～25t/h，產品綜合電耗為47～48kWh/t，為企業創造了較好的經濟效益。

本文就該生產線工藝設計的相關熱平衡及設備選型等進行簡要分析和計算，并對生產線的設計特點和投產后所暴露及需注意的問題進行總結，以供參考。

2 礦渣烘干粉磨系統熱平衡

本項目采用的高爐礦渣由貴州水城鋼鐵有限公司供應，進廠平均水分達15%左右，且工廠所處位置雨量充沛氣候潮濕，故在礦渣粉磨過程中必須同步對其快速烘干，以滿足粉磨和產品質量的要求。因此，在工藝設計時首先應對系統進行熱平衡計算，以確定烘干礦渣所需要的熱量和風量，提供沸騰爐和系統風機等選型的依據。礦渣烘干粉磨系統的工藝流程見圖1。

圖1 礦渣烘干粉磨系統工藝流程圖

2.1 原始數據及參數

本項目熱平衡計算所需的原始數據及參數如下：

磨機生產能力，G=22t/h（430～450m2/kg）；

電機功率，N=800kW；

入磨物料最大平均水分，W1=15.0%；

出磨物料水分，W2≤1.0%；

入磨熱氣體溫度，取t1=350℃；

出磨廢氣溫度，t2=90℃；

入磨物料溫度，t3=20℃；

出磨物料溫度，t4=90℃；

系統漏風系數，η=6%；

周圍環境溫度，t=20℃；

建廠場區海拔高度，～1310m；

忽略空氣中帶入水汽。

2.2 熱平衡計算

2.2.1 熱收入

∑Q入=沸騰爐供熱量（Q1）+粉磨產生的熱量（Q2）+系統漏風帶入熱量（Q3）+系統循環帶入熱量（Q4）+濕物料帶入熱量（Q5）

（1）沸騰爐供熱量

式中：

L——需入磨熱風量，m（3標）/h

C——入磨熱風（焦爐煤氣）的平均熱比，kJ/m3（標）·℃；350℃時，C=1.4192 kJ/m（3標）·℃。

（2）粉磨產生的熱量

式中：

η1——動力傳動到礦渣粉磨作用力時的有效系數，η1=0.3～0.4,取η1=0.35；

η2——減速機電機傳動效率，取η2=0.9；

k——研磨中的能熱轉換系數，k=0.7；

f——輥磨相對球磨能熱轉換系數修正值，f=0.5～0.7，取f=0.6。

（3）系統漏風帶入熱量

式中：

Ca——環境空氣平均比熱，Ca=1.297 kJ/m（3標）·℃

（4）循環風帶入熱量

Q4=（V－f1L）×t5×C2

式中：

V——系統輥磨循環風機正常風量，m（3標）/h；

其中，6500為循環風機進口負壓（Pa），Vf為普通地區輥磨循環風機的正常通風量。

其中，D為輥磨磨盤直徑，D=2200mm；u為磨盤名義風速，礦粉輥磨u取7.0m/s。

f1——系統循環風機的排風系數，f1=1.1～1.6。當入磨原料綜合水分高時，排風系數f1取高值，入磨原料綜合水分低時，排風系數f1取低值。本項目礦渣入磨水分W1=15%,取f1=1.42。

故：

（5）濕物料帶入系統熱量

2.2.2 支出熱

∑Q出=蒸發物料水分消耗熱（Q21）+出磨物料帶走熱量（Q22）+排出廢氣帶走熱（Q23）+設備散失熱（Q24）+雜損失熱（Q25）+系統循環帶出熱量（Q26）

（1）蒸發物料水分消耗熱（含水汽帶走的熱量）

Q21=W（2490+1.883×t2）

式中：

W——水分蒸發量

（2）出磨物料帶走熱量

式中：

t4——出磨物料溫度，t4=90℃，其他符號同上

（3）排出廢氣帶走熱

式中：

C2——排出氣體的平均比熱，C2=1.379 kJ/m3（標）·℃

（4）設備散失熱

（5）雜損失熱

（6）系統循環帶出熱量

即系統循環帶出熱量＝循環風帶入熱量。

2.2.3 熱平衡

∑Q入=∑Q出，得L=36829m3（標）/h，故需要沸騰爐供熱量為：

3 系統成品袋收塵器及循環風機選型

3.1 成品袋收塵器選型

風量

式中：

1.06——系統漏風系數

注：進排風機和袋收塵器的廢氣溫度為90℃。

式中：

1.1——袋收塵器儲備系數

t——進袋收塵器的廢氣溫度，t＝90℃

S——海拔1310m較海平面的空氣膨脹系數，S=1.1362

P——進袋收塵器的負壓，P＝－4800Pa

取V=110000 m3/h，可選用LPM2×7D-2180氣震式脈沖袋收塵器，總過濾面積2181m2，有效過濾面積2025m2，過濾風速≤0.905m/s，處理風量110000m3/h。

3.2 循環風機選型

（1）風量

式中：

1.15——循環風機儲備系數

6500——循環風機的進口負壓，Pa

（2）風壓

（4）風機選型

根據上述計算，可選擇風量Q=120000m3/h，風壓H=7500 Pa的風機，工作溫度為90℃，電機YPT400-4變頻調速，355kW，380V。

4 礦渣粉磨系統主要設備配置

該礦渣微粉生產線按年產15萬噸設計，粉磨系統主要設備配置及性能參數見表1。

5 生產線的設計特點與實踐

5.1 入磨物料粒度的控制

該公司進廠礦渣中含有一定量的大塊板結料和雜石，由于設計時未考慮在濕礦渣受料斗上方設格柵，試生產期間有大塊物料進入旋轉鎖風喂料機和輥磨，造成磨機料層不穩而產生振動，發生了數次輥磨跳停事故，有幾次甚至將旋轉鎖風喂料機卡死。后對濕礦渣受料斗進行了整改，在受料斗上方增設40mm×40mm帶一定傾角的格柵及操作平臺，杜絕了大塊料進入輥磨系統，同時將旋轉鎖風喂料機改為可正反轉，一旦卡死即進行反轉處理。改進后上述問題得到了有效解決。

5.2 熱風系統的設計

為確保沸騰爐穩定供熱，有效調節和降低熱耗，本項目設計時設置了循環風系統，并在熱風爐出口管道上設置了電動高溫調節閥及冷風閥。為使出沸騰爐熱風與循環風、冷風間能有效均勻混合，設計時將沸騰爐出風口至輥磨進風口之間的距離控制在10.5m左右，同時對該熱風管道進行了隔熱保溫處理。投產后證明該熱風系統供熱穩定，調節方便。另外從生產實踐表明，在沸騰爐出口熱風溫度穩定可控的條件下，盡可能關閉冷風閥，采用循環風來調節入磨氣體溫度，以節約能耗。

表1 礦渣微粉粉磨系統主要設備配置及性能參數表

表2 主要技術經濟指標設計值與生產實際平均值對比表

5.3 系統的除鐵設計

為有效地對礦渣進行除鐵，首先在入磨濕礦渣皮帶輸送機上設有超強型自卸式電磁除鐵器，對入磨礦渣進行除鐵處理。礦渣在粉磨過程中，包裹于礦渣中的鐵粒被逐漸剝離，形成金屬顆粒聚集在磨內并隨吐渣料外排，為將這部分金屬鐵粒除去，在輥磨吐渣皮帶輸送機上方設置了第二道超強型自卸式電磁除鐵器，未除凈的鐵粒經設置在吐渣料提升機出口的永磁磁選機再一次磁選除鐵，使除鐵率能達到90%以上，確保了礦渣輥磨系統的安全穩定運行。

5.4 入磨卸料管溜角的確定

項目工藝設計時，旋轉鎖風喂料機至輥磨的喂料溜管角度為58°，投產試運行后發現物料經常堵塞卸料管，后經實地調研發現主要是由于該廠礦渣入磨平均水分偏高造成的，經檢測入磨平均水分達15%以上。后將溜管角度調整到68°，并從入磨熱風管上引一路熱風到卸料管，以達到助流和輔助烘干作用。改進后堵料問題基本得以解決。因此建議在礦渣磨設計時，當入磨礦渣水分≤10%時，卸料管角度應控制在≥60°；當入磨礦渣水分≤15%時，卸料管角度應控制在≥68°為宜。

5.5 成品袋收塵器的選型

針對礦渣微粉粉磨工藝系統和含塵廢氣的特性，本項目礦渣微粉成品收集選用LPM型氣箱脈沖袋收塵器，根據該項目的粉塵濃度和廢氣含水量，設計中采用亞克力（聚丙烯腈）中溫防水防油滌綸針刺氈為收塵器濾料。該濾料透氣性能好，瞬間工作溫度達160℃，正常工作溫度為140℃，具有優良的耐酸、耐堿和抗水解性。袋收塵器設計凈過濾風速≤0.905m/s，處理風量為110000m3/h，投產運行至今，收塵效果良好，排放濃度≤20mg/m3（標），優于國家排放標準。

5.6 生產過程控制

采用DCS控制系統對礦渣粉磨、成品輸送儲存和沸騰爐燃燒系統的整個工藝生產過程進行集中控制和監視。該系統采用模塊結構，程序制作、修改方便，傳輸速度快，界面顯示簡潔直觀，運行可靠，大大提高了勞動生產率。

5.7 主要技術經濟指標對比

項目投產運行后，主要生產實際平均指標與設計指標對比見表2。

6 結語

經過貴州優氏新型建材有限公司近9個月的生產實踐證明，該生產線工藝技術成熟、先進、可靠，綜合利用當地低質燃料為熱源烘干礦渣并采用輥磨粉磨，不僅能降低生產成本，給企業創造可觀的經濟效益，又能綜合利用資源，節能減排，有利于國民經濟可持續發展，經濟效益和社會效益顯著。