水泥粉磨新型節能工藝的發展現狀

賈華平

（天瑞集團水泥有限公司，河南汝州 467500）

眾所周知，水泥行業是能耗大戶，能源消耗伴隨著水泥生產的全過程，在激烈的市場競爭和緊迫的節能壓力下，節能措施不斷推陳出新。在生料立磨、輥壓機聯合粉磨水泥、懸浮預熱和預分解燒成等工藝技術，已經成熟并得到快速推廣的今天，是否還有效果顯著的工藝節能措施呢？本文就自己對水泥粉磨了解的一些不全面的情況，作一下技術展望。

1 關于水泥的分別粉磨

前面已談到了生料的分別粉磨，實際上分別粉磨這個概念，在水泥粉磨系統早有應用，是普通開流磨年代的主要增效措施之一。后來，由于選粉機的出現，特別是由于輥壓機的出現，直至發展到目前的聯合粉磨系統，分別粉磨的光環逐漸被掩蓋。

對于水泥在混凝土中的使用性能來講，應該說0～80μm的顆粒都是必要的，但對于水泥強度的貢獻，則主要是3～32μm的熟料顆粒。熟料顆粒＞32μm就會影響到其水化速度，影響到其活性的發揮，影響到其對水泥強度的貢獻，應該盡量控制；＜3μm的顆粒雖能顯著提高水泥的早期強度，但會導致水泥的后期強度降低，引起水泥強度的前后不平衡，也是應該努力減少的；由于熟料是水泥配料中成本最高的組分，所以水泥中的其他粒級應該盡量減少對熟料的占用，而由其他成本較低的組分來補足。

用于粉磨水泥的不同組分的易磨性是相差很大的，目前的配料后共同粉磨，對水泥強度起主要貢獻的熟料很難磨到最佳的細度，造成一定的潛能浪費；而比較易磨的其他組分又很難做到不產生過粉磨現象，增加除塵難度、影響磨內通風、產生包球及糊篦縫，最終是降低了臺時和增加了電耗。那么，如何在各組分的易磨性相差很大的情況下，實現對水泥中熟料的最佳粉磨呢？

目前，隨著聯合粉磨系統可挖的潛力已經不多，為了進一步的節能降耗，分別粉磨又逐步被重視起來，在國內的水泥廠、粉磨站，都已經有了設計、改造、運行的案例。這里簡單介紹一下拉法基瑞安東駿公司的水泥分別粉磨情況，供大家參考。

東駿公司擁有一條4000t/d的新型干法水泥生產線，于2005年6月點火生產，設計年生產水泥148萬t。水泥粉磨采用分別粉磨工藝,粉磨設備采用兩臺史密斯的OK33-4立磨，混合材和熟料的粉磨是分開進行的。

圖1 熟料粉磨系統

圖2 混合材粉磨系統

圖3 混合攪拌系統

熟料和石膏用一臺立磨粉磨，礦渣和石灰石用一臺立磨粉磨，分別送入相對應的粉料庫儲存。然后，根據市場對水泥品種的需求，經沖板流量計計量按比例配合后，喂入兩臺KM3000D型混合攪拌機，經過攪拌混合后送入水泥儲存庫儲存及出廠。

立磨設計生產能力為：礦粉比表面積＞420m2/kg，臺時84t/h；熟料粉比表面積＞330m2/kg ，臺時150t/h。其中熟料磨可以粉磨熟料粉或者直接生產水泥成品，礦渣磨可以在礦粉庫滿時先用熟料洗磨，然后調入熟料粉庫粉磨熟料粉，可以根據生產情況和市場需求靈活多變的組織生產。2009年水泥粉磨系統綜合平均電耗為31.13 kWh/t，各品種電耗見表2。

表1 2009年電耗情況統計表

通過以上數據我們可以清楚的看出，該公司選用立磨機進行水泥的分別粉磨是具有極大優勢的，在當前的行業局勢下，在原材料價格一路攀升的情況下，它可以控制水泥粉磨的電耗。需要指出的是，東駿公司水泥磨系統的大型電機采用已經淘汰的水電阻啟動方式，如果采用先進的變頻調速技術，水泥粉磨電耗還能進一步降低。

2 水泥磨外粉碎磨新理念

水泥窯由于生料分解要消耗大量的能量，為了減輕窯的負荷將分解功能移出窯外，專門設置了分解效率比窯更高的分解爐，由此形成了窯外分解窯。

那么，水泥磨的主要能耗用于物料粉碎，能否將粉碎功能移出磨外，也設置一個粉碎效率更高的設備承擔，由此形成磨外粉碎磨呢？答案是可以的。現有的輥壓機預粉磨、輥壓機聯合粉磨系統都是在不同程度上的粉碎移出。

圖4 輥壓機聯合粉磨系統

我們知道，目前在水泥粉磨系統上，還不能使用輥壓機終粉磨，其主要原因不是輥壓機的效率低，而是由輥壓機終粉磨系統生產出的水泥，一是顆粒級配過窄，二是水泥顆粒的球形度不好，所以仍然甩不掉球磨機。

聯合粉磨系統就是要利用輥壓機和球磨機各自的長處，既要實現高效率，又要有好的顆粒級配和球形度，只是目前的分工還不夠徹底。

如果我們在聯合粉磨系統中，進一步把輥壓機做大、并加大其循環負荷，就能將大部分粉碎功能在磨外完成，留給球磨機的任務就主要是整形了，這就形成了磨外粉碎磨。從而使球磨機的負荷大幅度減輕，便可以把球磨機的規格縮小并改為單倉磨，不但減輕了球磨機本身的能耗，而且降低了系統阻力。

首先，在水泥粉磨系統的設計上，要敢于大膽嘗試，因為經過這幾年聯合粉磨系統的發展，輥壓機越配越大，實際上走的就是這條路線，只是還不到位而已，已經沒有什么風險了。

如果受輥壓機裝備制造能力的限制，一時還做不了足夠大的輥壓機，則可以先把球磨機配小點，并采用單倉磨配置，適當降低一些系統能力也是可以的，只要系統電耗降下來就值得。

退一步講，如果暫時不具備改造條件，在現有聯合粉磨系統的操作中，我們也應該努力加大輥壓機的循環負荷，向磨外粉碎磨趨近，這也是一個有效的節能措施。

誠然，問題并非如此簡單，這不單是一項輥壓機技術，而是一項粉磨系統的系統工程技術。在制定方案和實施過程中，還有好多具體問題需要做系統的研究，這也正是這項技術至今未能推開的原因。實際上，國內一些比較前衛的公司已經在這方面做了一些探索，但結果都不太理想。

3 水泥立磨終粉磨已經成熟

立磨以其粉磨、烘干效率高，入磨物料粒度大，粉磨物料適應性好，工藝流程簡單，空間布置緊湊，維護費用低等優點，在生料粉磨系統中的應用得到了迅猛發展。

但目前，國內粉磨水泥熟料仍然以輥壓機+球磨機雙閉路聯合粉磨為主。球磨機的粉碎機理是對于大塊物料，靠球的沖擊，屬于單顆粒破碎。100多年來球磨機的結構和工藝系統有了很大改變，但粉碎機理依舊，所以能量利用率沒有大幅度的變化。由于破碎粉磨效率低下，絕大部分鋼球的沖擊能轉變為熱能，少部分沖擊能轉變為噪聲，不但浪費了能源，而且污染了環境。

水泥粉磨是保證水泥成品質量的最后一關，盡管人們一直想將水泥行業推進到無球化時代，但由于球磨機結構簡單、實用可靠、適合水泥工業的粉磨要求，所以它仍然長期占據著水泥粉磨的主導地位。

實際上，以立磨為代表的新一代水泥粉磨，尤其是水泥立磨終粉磨技術，以其工藝系統流程簡單，單位電耗低、水泥產品質量穩定以及操作方便等諸多優點，已經在水泥行業迅速發展起來。國外尤其是歐美等國大公司在水泥立磨終粉磨方面技術已經非常成熟，已經有大量的銷售使用業績。

實踐表明，水泥立磨終粉磨產品，完全可以和球磨機媲美，能夠滿足各種工程需要。根據中國水泥行業的資深專家高長明的統計，在歷年新建水泥項目中，水泥立磨終粉磨的選用率見表3：

表3 水泥立磨終粉磨選用率

2004年9月臺灣幸福水泥公司在越南福山（phuc son）設計的無球化工廠，設計能力為5000t/d，采用1臺LM48.4的生料磨、2臺LM46.2+2C的水泥磨和1臺MPS3070BK的煤磨。整個水泥廠的噸產品電耗降到78～80kWh/t。

成都院設計的阿聯酋10000TPD生產線，也于2006年投產，印度新建的10000TPD生產線也投入運行，全部采用立磨，分別粉磨原料、煤、水泥，都取得了良好的業績。還有多條新建水泥生產線采用了水泥立磨終粉磨技術。

在國內，湖北亞東(萊歇立磨)、云南東駿（史密斯立磨OK33-4）、四川星船城（萊歇立磨）等水泥公司采用了進口水泥立磨，目前這些水泥立磨系統均運行正常。目前水泥立磨已成功的生產出了普通水泥、中熱水泥、礦渣粉，可以認為各品種的水泥，立磨系統均能正常生產。

圖5 湖北亞東的水泥立磨

2009年張家口金隅水泥有限公司，率先采用兩臺國產TRMS3131立磨穩定粉磨水泥的目標，磨機產量和主機電耗達到了預期的指標，實現了國產水泥立磨的工業應用。

2010年6月，華新東川水泥公司采用華新設計的HXLM4300水泥立磨用于水泥粉磨。水泥成品的顆粒分布和標準稠度需水量，與球磨系統的產品相當；混凝土的性能，也達到了工程要求的優良水平。

2013年7月6日，據華新水泥的副總李華講，立磨用于水泥粉磨已經在華新得以普及，目前，華新公司的水泥粉磨系統已有29臺立磨在生產，全部是華新自己制造的立磨，產品質量沒問題，節電效果顯著。

圖6 華新東川HXLM4300水泥立磨

實踐證明，立磨粉磨系統和輥壓機+球磨聯合粉磨系統，生產的水泥都能達到國家標準要求。

立磨終粉磨工藝集烘干、研磨、選粉于一體，工藝流程簡單，設備數量少，粉磨效率高，物料停留時間短，設備裝機功率低、電耗低、運轉率高，建筑面積和占地面積小，運行費用低，操作維護簡單，單機規格大。

特別是，立磨終粉磨系統，允許入磨物料綜合水分更高。這在干排粉煤灰資源已經緊張、價格大幅度上漲的今天，優勢更加突出，國內還有歷史遺留的、大量的、原來濕排的，粉煤灰資源可資利用，是降低生產成本的有效措施之一。

通過磨盤和磨輥的研磨曲線組合、磨內選粉機性能的改進、和磨盤轉速及壓力的調整，可以優化水泥顆粒形狀和級配；在系統操作參數方面，通過提高立磨內溫度，在風量一定的情況下，提高選粉機轉速，可以明顯降低水泥的篩余，但對提高比表面積影響并不明顯；在選粉機轉速一定的情況下，降低風量，有利于比表面積的提高；可以對水泥組分的石膏變化施加影響來優化水泥性能。

西南科技大學的有關調查資料見表4，不同粉磨流程實際運行參數對比見表5，不同粉磨流程管理及投資對比見表6。

表4 不同粉磨流程電耗對比

表5 不同粉磨流程實際運行參數對比

表6 不同粉磨流程管理及投資對比

不同流程水泥標準稠度用水量對比見圖7，由圖7可見，需水量最高的是閉路聯合粉磨系統，而不是立磨。水泥成品的顆粒分布對比見表7。不同磨別普通波特蘭水泥（OPC）性能對比見表8。不同磨別水泥配置混凝土性能比較見表9。

圖7 不同流程水泥標準稠度用水量對比

表7 水泥成品的顆粒分布對比

表8 不同磨別普通波特蘭水泥（OPC）性能對比

表9 不同磨別水泥配置混凝土性能比較

4 關于水泥輥壓機終粉磨系統

眾所周知，輥壓機和立輥磨，是近幾年在水泥行業粉磨系統中廣泛采用的節電設備，應該說都取得了顯著的效果。但立輥磨已經廣泛應用于生料終粉磨，應用于水泥的終粉磨也已經起步，而輥壓機卻晚了一步，輥壓機生料終粉磨才剛剛起步，輥壓機水泥終粉磨尚處在研發階段。

實踐證明，輥壓機用于生料終粉磨確實比立輥磨更加節電，那么用于水泥終粉磨能否也具有比立輥磨更節電的效果呢？大家普遍擔心的對水泥顆粒級配和顆粒形狀的影響，是否能夠取得突破呢？

在球磨機粉磨系統中，對物料的粉磨是以無數次的沖擊與摩擦混雜進行的，其中不乏鋼球之間、鋼球與磨體襯板之間的沖撞，做了不少無用功；包含選粉在內，物料在球磨系統中停留時間長，粉磨效率低，單位電耗高。

物料在立磨粉磨系統中，所受的粉磨力以擠壓為主，研磨為輔，物料在磨盤與磨輥之間被粉磨的次數較少，整個粉磨過程包含選粉在內進展快時間短；因而粉磨效率高，節省粉磨電耗。

鑒于輥壓機已成功用于生料終粉磨，并且具有系統簡單、操作方便、管理維護容易、電耗低的特點，那么輥壓機是否也可以取代立磨作為水泥終粉磨系統呢？輥壓機與立磨同樣屬于擠壓粉碎，立磨能生產性能合格的水泥，輥壓機為什么就不能呢？實際上，我國在上世紀末就有一個專題項目，直接叫“無球磨機擠壓粉磨系統”項目，所指很明確，就是期望輥壓機的節能優勢在水泥粉磨中得到體現。

伯力鳩斯和洪堡公司也進行了這方面的嘗試，遺憾的是，由于沒有從系統工藝和設備原理上進行改進，僅僅將研究局限在設備的適應性調整上，簡單試驗的結果是：水泥需水量大、快凝、早期強度下降。由于兩大公司在國際水泥界的地位和聲望，他們的簡單試驗反而影響了該項技術的進一步研究。

可喜的是，目前國內已有幾個較大的設備廠，在開發水泥輥壓機終粉磨系統，我相信他們能夠取得成功。

據有關資料介紹，在水泥輥壓機終粉磨工藝技術攻關期間，合肥水泥研究設計院在安徽省安慶白鰭豚水泥有限公司建成了一套水泥輥壓機終粉磨生產線，并在實際運行中通過調整輥壓機的液壓壓力、磨輥轉速等操作參數，完全掌握了輥壓機在擠壓不同粒徑、不同物料的運行規律。

在水泥成品比表面積＞300m2/kg時，可以保證輥壓機在安全、平穩的運行狀態下，使輥壓機的性能得到充分發揮；通過調整粉磨系統的循環負荷、打散分級機的分級轉速以及選粉機轉速等工藝參數，使水泥粉磨系統單位電耗＜24kWh/t，比表面積為300±10m2/kg，質量符合P.O 42.5水泥標準。

合肥水泥研究設計院還研制了出粒度分布調節器,用以控制返回輥壓機重新擠壓的回粉量和調節入機物料的粒度分布，使水泥成品的顆粒形貌、粒度組成趨于合理；通過調整輥壓機的循環負荷，實現了對水泥成品顆粒的整形，水泥性能等指標基本與普通圈流磨一致。水泥輥壓機終粉磨成品粒度分布見表10。

表10 輥壓機終粉磨水泥的成品粒度分布 %

天津院的研究也表明，在多次擠壓料層粉碎條件下，輥壓機能夠實現2～3μm的水泥顆粒，而且生產微細產品的能耗遠遠低于通常的粉磨系統。

實踐證明，輥筒磨已經成功用于水泥終粉磨，而且其產品水泥的性能要優于立磨，那么，用于終粉磨的輥壓機也可借鑒輥筒磨的特點，采用變徑輥設計，也可作為優化水泥顆粒級配的措施之一。

輥壓機與立磨的粉磨機理同樣為料層粉碎，沖擊物料的飛濺能得到比立磨更好的應用，因而粉磨能量利用率提高，粉磨電耗應該比立磨更低。但輥壓機粉磨產品存在球形度差、石膏粒度偏粗、C3A活化不佳等問題，導致水泥需水量高，影響了水泥的產品性能。

輥壓機與立磨的不同點在于立磨是多次粉碎，而輥壓機的粉碎次數要少得多。那么，我們是否能夠通過增加輥壓機閉路系統的循環負荷，以增加粉碎次數呢？這一點，我們已經利用現有的水泥聯合粉磨系統，作了一定的研究試驗，遺憾的是，結果很不理想。

隨著輥壓機及其循環系統的進一步加大，結果是系統裝機功率上去了，而輥壓機的實際運行功率卻要比預想的小得多，有的還有所下降，大輥壓機只是干了小輥壓機的活，導致了系統電耗不但不能降低，反而升高。

怎么會是這種結果呢？分析認為，輥壓機對物料的粒度均一性要求較高，特別對易碎性比較差的物料更是如此，不像球磨機對大粒小粒都能做功，對物料顆粒的適應范圍較寬。

當輥壓機被粒大難碎的物料擠開輥縫后，對粒度小得多的回粉做功就非常有限了，所以單純的提高循環負荷是沒有用的。問題講清了措施也就有了，輥壓機用于水泥終粉磨的根本問題，就是必須解決輥壓機對物料粒度的均一性要求。

要解決輥壓機對物料粒度的均一性要求，最簡單的措施就是采用二級輥壓粉磨系統。第一級為輥壓機預粉碎系統，采用高壓力輥壓機，開路一次通過，主要是消除物料的大顆粒；第二級為粉磨系統，采用中壓力輥壓機，閉路多次循環通過，經分級設備分選出合格產品。

圖8 水泥輥壓機終粉磨系統工藝流程圖

不論是“輥壓機磨外粉碎” 系統、輥壓機終粉磨系統，還是現有的輥壓機預粉磨和聯合粉磨，都必須關注入料的粒度均一性問題。如果入料粒度的均一性較差，特別是易碎性差時，就應該考慮對大粒度物料的預破碎或者預輥壓。

同時，輥壓機也不是越大越好，特別是輥徑，輥徑越大入料鉗角就會越小，對入料的粒度均一性就要求越高。這在系統配置選擇輥壓機的長徑比時要給予充分考慮，對較小的輥壓機長徑比可適當小一些，對較大的輥壓機長徑比就要適當大一些。

另外，就目前的聯合粉磨系統來講，經驗表明，輥壓機對較細的物料難以做功，其運行電流始終難以上去。那么，對于水泥輥壓機終粉磨系統，二級輥壓機全是粉料，又如何保證輥縫被撐開，運行在較高的電流之上呢，就成為另一個必須解決的問題。

解決粉料撐開輥縫的措施，是采用強制性粉料喂料設備，原理類似于現有的羅茨風機，加工精度不需要那么高，轉速也要大幅度降低。

圖9 強制性粉料喂料設備

二級輥壓機喂入的全是粉料，喂料時會帶入大量空氣，一是喂料速度很難控制，二是擠壓帶空氣的物料會導致輥壓機振動。關于這個問題，洪堡公司已經專門設計了帶組合閘板的喂料裝置，見圖10，可以供我們拿來使用。

圖10 帶組合閘板的喂料裝置

如圖所示，該喂料裝置設有兩個閘門，用以控制喂料速度和改善輥間隙擠壓情況，根據喂入物料特性使用定量閥和控制閥；該裝置還設有一個膨脹箱，用以保證輥間隙通氣以減少振動，以使輥壓機平穩地運轉和得到良好的操作。