國內外水泥料床終粉磨系統的工業應用現狀

李銘哲，杜鑫，聶文海，石國平，秦中華

1 前言

水泥是國民經濟建設中的一種重要基礎原材料。據國家統計局數據顯示，2020 年我國水泥產量為23.77 億噸，占世界水泥產量的50%以上。隨著社會的不斷發展進步，水泥生產中的高能耗、高排放問題日益受到關注。在能耗方面，每生產一噸水泥需耗電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，水泥粉磨系統的節能降耗對水泥行業的可持續發展至關重要。

“碳達峰”是我國“十四五”規劃的重點工作之一，“十四五”規劃明確提出，我國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值。對于水泥行業而言，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，水泥粉磨系統的節電是過程降碳的主要措施之一。因此，探索更加節能高效的粉磨技術，進一步降低水泥粉磨系統的電耗，可有效降低水泥行業二氧化碳排放量，對水泥及建筑行業的可持續發展具有重要意義[2]。

目前工業上應用的水泥粉磨系統有，純球磨機系統，輥壓機、外循環輥磨與球磨機的聯合粉磨或半終粉磨系統，輥磨、外循環輥磨、輥壓機以及筒輥磨的終粉磨系統[3]。不同水泥粉磨系統電耗的比較如表1所示。

由表1 可知，純球磨機系統電耗最高，這是由于球磨機對物料進行粉磨時，研磨體的作用力只在一定概率上對某個單體顆粒起到破碎或粉磨作用，大部分能量轉化為熱損失和系統噪聲，粉磨效率較低[4]，目前這種系統已基本不再使用。

表1 不同水泥粉磨系統電耗比較，kW·h/t

不同于球磨機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，料床粉磨的典型設備有輥壓機、輥磨和筒輥磨[5]。料床終粉磨系統不僅能量利用率高、碳排放量少，還具有工藝流程簡單、水泥成品溫度低和產品切換靈活等優點，是目前最具發展前景的水泥粉磨系統。筆者綜合歸納了國內外水泥料床終粉磨系統的工業應用情況，并對水泥料床終粉磨系統未來的發展前景進行了展望。

2 粉磨設備工作原理及系統介紹

水泥料床終粉磨系統主要由料床粉磨設備、提升機、選粉機、收塵設備、風機及輔助機械等組成。物料經磨機研磨后，由提升機送入選粉機進行氣力分選，分選出來的粗顆粒返回磨機再次研磨，符合要求的細顆粒通過收塵設備收集，作為成品輸送至水泥庫。

輥壓機的工作原理為，物料在兩個相向轉動的壓輥帶動下向下運動，被兩輥擠壓粉碎形成料餅，排出輥壓機。在輥壓機水泥終粉磨系統中，需采用特殊形式的動態選粉機，以保證選粉機的選粉效率和水泥的產品性能，其工藝流程如圖1所示。

圖1 輥壓機水泥終粉磨系統工藝流程

輥磨主要是靠磨輥與磨盤之間的擠壓、剪切，實現對物料的粉碎。根據選粉機是否內置，輥磨分為傳統輥磨和外循環輥磨。傳統輥磨又稱內循環輥磨，是在輥磨內部設置選粉機，利用氣力將物料提升至選粉機進行分選；外循環輥磨的選粉機設置在輥磨外部，采用機械方式將物料提升至選粉機進行分選。傳統輥磨水泥終粉磨系統工藝流程如圖2 所示。外循環輥磨水泥終粉磨系統工藝流程與輥壓機水泥終粉磨系統基本一致。

圖2 傳統輥磨水泥終粉磨系統工藝流程

筒輥磨由法國FCB公司研發，入磨物料在圓柱輥與旋轉筒體之間形成料床，壓力由圓柱輥施加在料床上。與輥壓機和輥磨水泥終粉磨系統相比，筒輥磨系統的磨輥擠壓壓力中等[8]。與球磨機系統類似，筒輥磨需要磨內通風，使磨機在負壓狀態下工作。筒輥磨工作原理如圖3所示。

圖3 筒輥磨工作原理

3 工業應用現狀

3.1 傳統輥磨水泥終粉磨系統

目前，國際上普遍采用傳統輥磨終粉磨系統生產水泥，占比＞60%；國內普遍采用料床粉磨裝備與球磨機組成的聯合粉磨系統或半終粉磨系統，占比＞70%。

國際上傳統輥磨大型化的發展趨勢明顯，以國外典型裝備制造商為例，各公司投產的最大規格輥磨為：萊歇公司LM72.4+4，磨盤直徑φ7.2m，裝機功率10 000kW；非凡公司MVR6700C-6，磨盤直徑φ6.7m，裝機功率9 125kW；史密斯公司OK81-6，磨盤直徑φ8.1m，裝機功率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，配套 6 250t/d 水泥熟料生產線，2016 年 11 月系統產量達到合同指標，2017年1月系統電耗達到合同指標。

萊歇公司LM70.4+4水泥輥磨運行情況見表2。從表2數據可以看出，該系統產量、比表面積、電耗均達到或優于合同指標。

表2 LM70.4+4水泥輥磨運行情況

目前，國產最大的水泥輥磨是TRMK60.3，由天津水泥工業設計研究院有限公司（以下簡稱天津水泥院）設計并供貨。該系統于2020 年3 月投產，磨盤直徑φ6m，裝機功率6 300kW。在熟料占比90%、成品比表面積370m2/kg 的運行條件下，系統產量可達280t/h，電耗27~28kW·h/t，較同水泥廠內“輥壓機+球磨機”聯合粉磨系統節電10%以上[6]。

2018 年，海螺水泥公司投產了兩套水泥輥磨終粉磨系統，輥磨規格為CK-490，裝機功率5 100kW。在熟料占比87%、成品比表面積350m2/kg 的運行條件下，系統產量達250~260t/h，電耗約26kW·h/t。水泥標準稠度需水量為25%~27%，凝結時間、強度與球磨機水泥成品相當[7]。

傳統水泥輥磨終粉磨系統工藝流程簡單、操作維護方便，系統電耗基本在24~27kW·h/t，水泥性能與聯合粉磨、半終粉磨系統相當，裝備大型化優勢顯著，在國際上已被廣泛認可。

3.2 外循環水泥輥磨終粉磨系統

外循環水泥輥磨是將傳統水泥輥磨的研磨和分選功能分開，物料經研磨后全部排到磨機外，即物料全部通過輥磨的外部進行循環。研磨后的物料由提升機提升進入組合式選粉機分選，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。相比傳統輥磨，外循環輥磨研磨后的物料不再通過氣力提升進入選粉機，而是采用機械提升送入選粉機，輥磨內僅少量通風起收塵作用，系統通風壓力損失降低、風量降低，從而實現節能降耗。外循環水泥輥磨終粉磨系統工藝流程見圖4。

圖4 外循環水泥輥磨終粉磨系統工藝流程

近年來，國內對外循環水泥輥磨技術的研究較多，主要以天津水泥院、合肥水泥院、南京凱盛等為代表，系統方案多為聯合粉磨系統和半終粉磨系統；國外對此方面的研究較少，原因是國外對輥磨技術的發展思路與國內不同。國外的發展思路是：規模更大、可靠性更高、系統更簡單、粉磨能耗更低，這也是國外傳統水泥輥磨單機規模越來越大（最大550t/h）、輥磨系統占比高于聯合粉磨系統的原因之一。而外循環水泥輥磨系統雖具有能耗更低的優勢，但目前能做到的最大規模是300t/h，且外循環水泥輥磨系統工藝比傳統輥磨略復雜。

2014 年，遼寧某水泥廠投產了一臺TRM31.3外循環水泥輥磨，裝機功率1 600kW，系統配置了φ3.2m×13m球磨機（裝機功率1 600kW），既可實現外循環水泥輥磨終粉磨，也可實現半終粉磨和聯合粉磨，系統切換靈活。采用終粉磨系統生產低堿水泥時，成品比表面積340m2/kg 左右，粉磨系統電耗約為24kW·h/t。

2015 年，山東某水泥廠采用KVM46.4-C 外循環輥磨用于水泥終粉磨，裝機功率4 000kW，生產P·O42.5R 水泥時，熟料占比75.6%，成品比表面積為360m2/kg，產量180t/h，系統電耗23.6kW·h/t。水泥細度及顆粒分布與已有球磨機系統接近，成品比表面積可在300~400m2/kg之間調節，水泥標準稠度需水量為26.9%，低于相同原料配比的球磨機成品需水量[8]。

從不同廠家外循環水泥輥磨系統運行情況看，外循環水泥輥磨終粉磨系統通風電耗較低，水泥粉磨系統電耗為23~25kW·h/t，系統節能優勢明顯。

3.3 輥壓機水泥終粉磨系統

天津水泥院有限公司從2012年開始進行水泥輥壓機終粉磨技術研究工作，經過不斷探索，開發了多轉子選粉機，達到了水泥成品粒度分布靈活調控的效果，并取得了實際工業應用業績[9]。從生產情況來看，輥壓機規格為TRP180-140，裝機功率為2×1 400kW，多轉子選粉機風量為180 000~260 000m3/h，生產P·O42.5水泥，系統運行穩定，成品比表面積370~400m2/kg，系統產量140~150t/h，電耗23~24kW·h/t，較原有聯合粉磨系統降低20%左右；在水泥性能方面，對比輥壓機終粉磨系統與聯合粉磨系統兩種系統生產的成品，終粉磨系統成品粒度分布更寬，從而保證了其生產的水泥及制備的混凝土性能與聯合粉磨系統成品相當。配置多轉子選粉機的輥壓機終粉磨系統工藝流程見圖5。

圖5 配置多轉子選粉機的輥壓機終粉磨系統工藝流程

2018年，在德國VDZ會議上，Nuh ?imento公司介紹了采用KHD輥壓機進行終粉磨的情況[10]。系統配置了兩套COMFLEX 輥壓機粉磨系統，輥壓機規格為RPM170-180，裝機功率3 500kW，經考核，終粉磨系統產量為148t/h（比表面積415m2/kg），系統電耗32.9kW·h/t，折合到比表面積350m2/kg，系統電耗25.9kW·h/t。COMFLEX輥壓機終粉磨系統工藝流程見圖6。

圖6 COMFLEX輥壓機終粉磨系統工藝流程

2020 年，四川峨勝水泥也進行了輥壓機終粉磨系統的生產嘗試。輥壓機規格為φ160-120，裝機功率2×900kW，產量為110~115t/h，系統電耗24.9kW·h/t，相比聯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，輥壓機終粉磨成品與球磨機成品相比，標準稠度需水量略微上升，凝結時間縮短約30min。終粉磨系統水泥顆粒粒徑分布較球磨機系統生產的水泥更集中，終粉磨系統水泥成品粒徑3~32μm顆粒含量占68.54%，球磨機系統約為63.33%。輥壓機水泥終粉磨系統所生產水泥用于制備混凝土時，混凝土性能能夠符合使用標準。對輥壓機終粉磨系統和球磨機系統水泥樣品進行X光衍射分析發現，由于終粉磨系統成品溫度低，水泥中石膏脫水程度較低，導致水泥中二水石膏含量偏高[11]。

與外循環水泥輥磨終粉磨系統相似，輥壓機終粉磨系統通風電耗較低，水泥粉磨系統電耗為22~24kW·h/t。目前國內外對該系統的研究主要以選粉機為核心，希望通過調整成品粒度級配提升產品性能。

3.4 筒輥磨水泥終粉磨系統

2003 年，北方水泥曾采用筒輥磨HORO?mill3800進行水泥終粉磨，裝機功率2 400kW，選粉機型號TSV4500，裝機功率132kW，生產P·O42.5水泥，成品比表面積349m2/kg，產量119t/h，系統電耗25kW·h/t，較球磨機系統電耗低40%。水泥性能方面，經檢測水泥成品的粒度分布情況，筒輥磨系統水泥成品均勻性系數為1.12，水泥成品標準稠度需水量為29.9%，略高于球磨機系統[12]。

2005 年，中材漢江水泥公司同樣采用筒輥磨HOROmill3800 生產 P·O42.5 水泥，成品比表面積353m2/kg，產量87.9t/h，系統電耗33.18kW·h/t，與聯合粉磨系統相比，電耗降低4.19kW·h/t。水泥性能方面，筒輥磨系統水泥均勻性系數為1.19，比聯合粉磨系統低20%，標準稠度需水量為26.3%，低于聯合粉磨系統，水泥強度與聯合粉磨系統成品相當[13]。

從早期的運行數據及設備運行狀態來看，筒輥磨系統電耗在25kW·h/t 以上，機械可靠性有待提升，該裝備系統暫未大面積推廣應用。

4 結語

從國內外水泥料床終粉磨系統的工業應用可以看出，與聯合粉磨系統和半終粉磨系統相比，料床終粉磨系統具有明顯的能耗優勢，值得深入研究。由于粉磨原理、物料配比、混合材種類等不同，水泥性能可能會存在差異，需要在實際應用中不斷改善。