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水泥原料的粉磨特性与粉磨节能

作者:罗 帆(合… 出处:乐投letou网 更新时间:2014/3/12 11:02:24    热     ★★★

 

     原料粉磨特性作为粉磨工艺系统的基本依据,已越来越多地被纳入生产论证和评价体系。任何一种原料的粉磨特性,其理化组成、强度和硬度、流动性、磨蚀性、易磨性等既是固有的,也在很多方面可以通过人为手段加以改善,使之实现粉磨的最大效益,关键取决于工艺、设备、生产控制措施的相适应。如果用易磨性这项指标来评价原料的粉磨特性,可以探寻到其间的某些必然联系。本文通过大量实测,深度剖析原料易磨性的各种影响因素,归纳出生产控制过程的诸多改善措施,值得参考借鉴。
1 原料易磨性及其国内分布
  自上世纪50年代初邦德(F.C.Bond)建立易磨性的慨念以来,日本和欧美各国相继制定试验标准,将易磨性Wi(kWh/t)用于磨机产量、电耗、研磨体球径计算及其工艺设备选型等生产过程。我国于1986年颁布实施国家标准GB9964,后几经修订,发展到现在的GB/T26567(邦德法),应用日趋普遍。1998年和2009年,随着“煤的哈氏可磨性(哈德格罗夫法)试验方法GB/T2565”和“冶炼渣易磨性试验方法YB/T 4186”相继实施,我国对于水泥原料、燃料的易磨性评价体系更加完善。合肥院采用上述方法实测的各种原料易磨性分布见表1。
                     表1    国内主要水泥原料的易磨性分布
 
   
   煤采用GB/T2565哈氏可磨性方法试验,无量纲,系数值越大越好磨。
  由表1可见,水泥生料、熟料和煤粉制备各粉磨系统的原料易磨性分布极宽,粉磨电耗大多相差2~3倍,煤的差距几乎近5倍之多。假设按极差计算两个相同粉磨系统的产量或电耗,显然不具有可比性,其中的直接原因即在于原料特性不同。但如果从改善易磨性入手,配套合理的粉磨工艺设备及其生产过程控制,则可以减小对其生产的影响,大幅度缩小两者的差距。因此,对粉磨系统而言,入磨原料的易磨性应列为生产第一手资料加以研究。正可谓“兵马未动粮草先行”。
2  易磨性的影响因素及其改善措施
2.1  矿山原料及其配料
  石灰石所占生料配比一般在70%以上,对生料易磨性起主导作用。实测石灰石易磨性Wi大多分布在10~17 kWh/t之间,平均值约为12kWh/t,<10kWh/t的石灰石出现频率不多,>18kWh/t的也仅属个例,说明国内石灰石矿趋于易磨和特别难磨的较少。石灰石以及砂岩、矾土、铁矿石等矿山原料的易磨性都与其矿床的地质成因所决定的理化构造、晶体状态和结晶程度等有关,而且也有一定的区域分布特征。比较明显的区别是,粘土质矿的易磨性明显优于结晶质,如粉砂岩Wi仅为12 kWh/t左右,而高硅质砂岩Wi则高达27kWh/t;石灰石从外观鉴别,色泽较深、断面结构致密的,Wi普遍偏于高值。
  深入分析发现,生料易磨性Wi与所含游离硅(fSO2)和燧石含量成正比。通常石灰石的fSO2含量较少而主要来自砂岩,即使砂岩配比很低,也可能增大生料的粉磨电耗。表2对某厂周边3种不同的砂岩矿分别与相同石灰石、粘土、钢渣等配料进行的易磨性实测,配比同为3.3%的砂岩仅改变其矿源,生料粉磨电耗即随fSO2含量增大而增加近一度电;石灰石的影响因素主要是燧石含量,对某地2处石灰石矿山采样实测,其燧石含量3.5%、7.9%对应的易磨性Wi分别为9.9 kWh/t和11.5 kWh/t。可见原料中的难磨组分越多,配比量越大,生料就愈难粉磨。
                                 表2 不同砂岩配料的易磨性Wi对比
   
  其关系式为:
  B混合料= B1b1+ B2b2……+Bnbn
式中:b混合料—生料的易磨性Wi,kWh/t;
   B1、B2…Bn—该原料的配比百分数;
   b1、b2… bn—该原料的易磨性Wi,kWh/t。
  即:混合料的易磨性Wi等于每种配入原料的配比百分数乘以它本身Wi值的加权之和。验证表明,水泥熟料配料、混合煤(用哈氏系数计算)都符合这个关系式。在满足各率值的前提下,生料易磨性的理想状态是混合料Wi≤石灰石Wi,以前多采用粘土配制生料,由于其B×b的权重较小,很容易达到这种理想状态。现在改以页岩、矾土、砂岩或其他废渣代替,使生料Wi值相对增大。换言之,即使所配原料的难磨程度高但配比百分数小,其影响作用也会减弱。因此可以说,如果矿山原料的粉磨特性由先天形成而难于改变,那么人工合成的水泥生料、熟料则完全可通过合理选择调配原料及配比来寻求易磨性的改善,对降低粉磨电耗具有事半功倍的效果。
2.2 水泥熟料
      综合国内外实验分析,水泥熟料易磨性的影响因素可归结于热工形成过程和生产控制过程两个方面。
  热工形成过程指熟料的物理化学组成及其率值和液相含量,均与煅烧窑型、烧成质量、冷却方式有关。国外用不同试验将水泥几种主要矿物的粉磨特性排序为:C3S>C3A>C4AF>C2S,一致认为C2S最难磨。中联水泥集团和泰山中联的试验排序与国外相同,认为熟料生成的液相过多或不均匀、矿物分解过程形成的蠕虫状结构,是影响易磨性的两个主要原因,其他一些组分如MgO、K2O、Na2O虽然不直接影响易磨性,但会促进液相不均匀[1]。
  笔者早期曾按窑型、冷却方式和储存时间等进行归类对比试验,得出热工制度与其易磨性的关联[2]。以前的立窑、中空窑、立波尔窑等窑型煅烧的熟料Wi大多居于18~23 kWh/t以上的难磨状态,其次是传统干法和湿法旋窑熟料,Wi值也很高且分布比较分散,约为17~21 kWh/t之间,湿法熟料最高达到25 kWh/t。现在的新型干法水泥熟料普遍只有15~17 kWh/t,即使配入25%左右的某些难磨混合材,Wi最高也只在17~19 kWh/t左右,表明先进的热工工艺给粉磨节能奠定了良好的基础;从冷却方式和贮存时间对比,篦冷机冷却的熟料Wi要比自然冷却降低19%;贮存7天较之贮存40天的熟料低10%,而贮存8个月较之贮存40天也低6%。说明急冷熟料易磨性Wi优于慢冷且随贮存时间延长呈抛物线变化。
  生产控制过程对易磨性的影响,除通常熟知的原料配料、混合材水分、入磨粒度和粉磨细度等之外,粉磨工艺的配置更显得重要。对此进行的试验对比结果见表3。
        表3  不同工艺设备对易磨性Wi的影响

   
  
  由表看出,水泥的配料如同生料配料一样存在很大的可控性,像表中矿渣6~15%的配料,Wi仅上升5.7~7.4%,而钢渣、矿渣各占32%的配料Wi则陡升44.3%,相当于粉磨电耗增大近一倍。可见水泥粉磨系统的原料远比生料难磨且产品控制更细,因此,合理调配混合材品种及其配比显得更为重要。
  表3用常规破碎和挤压破碎对比方法,从易磨性角度证明先进粉磨原理对增产节能的显著贡献作用。现代生产普遍采用的立磨、辊压机,其高压料层粉碎的机械作用力对原料颗粒结构的破坏比常规破碎大得多,因此不仅破碎粒径小,粒度均齐,而且有助于颗粒内部生成更多的微裂缝,使其变得疏松易磨。表中挤压后的原料粉磨电耗均比常规破碎小2~8kWh/t,降低幅度在13.8%~45.9%之间。实际生产中的节电效果视原料和挤压工艺不同也大致居于这个范围。
       表4  原料挤压前后的易磨性Wi比较

 

     挤压前为常规破碎至要求粒度试验,挤压后为实际挤压粒度试验。
  表4针对不同挤压工艺进行的易磨性对比试验,得出挤压系统的节电能力与原料特性和工艺特性2个因素有关。就原料特性分析,当其结构疏散、质地松软,挤压过程则容易产生颗粒的破坏而生成更多的细颗粒和微裂缝,也即粉磨更容易,节电更显著,表中生料的节电能力都因此居于34%以上甚至64.4%的最好水平。而结构致密、质地坚硬的铜矿石、铁矿石、矾土矿等原料耐压力较强,挤压使其产生的变化多以减小颗粒外形尺寸为主,对颗粒内部结构的破坏较弱而限制了裂缝的生成,故而节电能力减弱,仅为18.2~22.8%;从挤压工艺分析,循环挤压的粉磨节能高于一次挤压。目前广泛运用的几种挤压工艺的基本区别是,辊压机与打散分级机或选粉机构成挤压回路的半终粉磨、联合粉磨等挤压系统,挤压粒度都控制为<3mm,大于这个粒径的颗粒被返回再次挤压,因而挤压充分,粒度均齐,颗粒微裂缝的生成和扩展效果好,故Wi值降低率都达24.9~45.9%,Φ3.2~4.2m磨机的增产能力可达60~80%甚至更高;而早期的预粉磨是一次完成挤压,由于边缘效应或侧挡板磨损所致的大颗粒溢出,难免存在漏压或挤压欠佳的现象,使其入磨粒度的均齐性变差,后续粉磨相对困难,故Wi降低率仅为13.8~22.8%,实际增产能力只有20~30%左右。表4的试验结果总体上反映出这一生产规律。
  实际生产中,由于各厂粉磨工艺、原料配料以及运行水平等个体条件不同,粉磨效率必然存在差异,检验粉磨系统运行合理性的比较直观的方法,可在实测易磨性Wi前提下,引入下述关系式来进行计算评价。其中球磨机系统的计算方法由日本标准(JISM4002-2000)提出。
  
  
  

式中:Q—粉磨系统实际产量,t/h;     
      N—磨机装机功率,kW;
      P80—产品80%通过的粒径,?m;
      F80—入磨80%通过的粒径,?m;
      C1~C5—有关磨机直径、粉磨工艺(干法、开流/闭路)、产品细度的修正系数。
  即:当实际产量大于或等于计算产量时,说明系统配置合理、生产控制得当。反之,则说明系统存在缺陷或者说还有增产节能的潜力有待挖掘。
  比较上述各式,还可看出不同工艺系统的实际电耗与易磨性Wi之间的基本关系,即:普通开流磨系统为(1.6~1.75)Wi,普通闭路磨系统为(1.25~1.35)Wi;采用小段研磨体的高细开流磨为(1.25~1.35)Wi,也就是说,可比条件下小段开流磨与普通闭路磨的效果相当;而生料立磨和水泥挤压联合粉磨系统的电耗只约等于甚至小于Wi,本文用(0.85~1.0)Wi表示。以HRM4800立磨和HFCG160辊压机+Φ4.2×15m水泥磨联合粉磨系统为例,实测某厂生料易磨性Wi=15.21kWh/t,立磨实际产量450t/h、单产粉磨电耗13.53 kWh/t,其实际电耗为0.89Wi;实测某厂辊压机系统水泥配料Wi=14.73kWh/t,装机功率N=3250kW的磨机实际产量220t/h,折算磨机单产电耗为14.77 kWh/t,此时的实际电耗即等于Wi。上述各式反映出不同粉磨系统的电耗差距,生产中可引入易磨性实测进一步验证和完善。
2.3  煤的哈氏可磨性
  按国标GB/T2565试验,煤的哈氏可磨性系数Hg呈30~142的极宽分布,系数愈小愈难粉磨,可见相同的煤磨系统,仅仅因其粉磨特性不同即可能产生粉磨效率的数倍之差。按煤的品种划分,烟煤较易粉磨,Hg普遍在70以上;无烟煤相对难磨,Hg为45~70之间;褐煤则只有30~45,属极难粉磨范畴。这是在同样粉磨细度下的易磨性差距。生产中出于满足热工煅烧的需要,往往对无烟煤、褐煤要求磨得更细,比如挥发份较高的烟煤只需磨细到80?m筛余8~10%,而无烟煤却要达到筛余1~3%。小磨试验表明,同一煤当粉磨细度由筛余3%减小到1%时,产量即降低25%左右,这就使难磨煤种的效率差距更大。
  针对无烟煤、褐煤的难磨特性加之高细要求,许多厂采用混合粉磨、搭配使用的方法对降低粉磨电耗有利,立式煤磨的增产节电作用更大。例如:与日产2500t熟料生产线煤粉制备系统配套的HRM1900立磨,在Hg为45、入磨水分10%、煤粉细度筛余2.7%的条件下,系统产量21.1t/h、系统电耗30.9 kWh/t,立磨主机电耗仅14.2 kWh/t。针对传统的风扫煤磨,合肥院也提出一种实用新型专利技术,认为:煤在高细粉磨条件下的主要矛盾,已不再是烘干能力不足而是粉磨能力欠缺,因为传统风扫磨的烘干仓要占到磨机总长度的1/3,因而粉磨仓显得过短使其很难发挥高细高产能力。对此的改进方法是,取消烘干仓,将其全部改为粉磨仓,并根据细度要求来设置粗磨和细磨两个仓的长度。而烘干则利用磨机和选粉机循环负荷大的特点,完全通过回料循环来降低水分,从而实现粉磨烘干新平衡[3]。应用表明,φ3×9m煤磨粉磨无烟煤的产量达24 t/h,煤粉出磨细度筛余和水分都<1%,磨机主机单位产品电耗仅为23.7 kWh/t。可见针对煤的难磨特性及高细要求来进行工艺和设备结构的改进,具有相得益彰的效果。
2.4工业废渣原料
  水泥常用废渣原料包括矿渣、钢渣、粉煤灰、铬渣、硫酸渣、电石渣等废渣或副产品,其易磨性主要随各自的产生工艺和排放方式不同而改变。如表1所示,相对易磨的矿渣、钢渣Wi只有16~18 kWh/t,而难磨的则达27~36 kWh/t,某些黑矿渣甚至高达42 kWh/t,可见极差同样很大且比熟料难磨得多。
  从产生工艺看,钢渣、矿渣、铬渣一类冶金渣的易磨性主要由冶炼方式、金属含量、水淬效果等决定,粉煤灰的干排与湿排之分,也是构成易磨性差距的原因之一。德国一家公司分别粉磨液态排放(湿排)和干法排放的两种粉煤灰,其粉磨电耗达到100kWh/t时的产品比表面积以干排大于湿排,但都未超过320m2/kg。合肥院试验的Wi值最高也达到35kWh/t,相当于开流球磨机粉磨电耗62 kWh/t。这种难磨程度应该属脱硫之前的粉煤灰,现在出于环保考虑,大多采用石灰石增钙脱硫的干排粉煤灰Wi通常只有15~17 kWh/t。可见这些工业废渣的易磨性受生产工艺的制约很大。但一般情况下,取自同一个厂排放的废渣,其生产和排渣工艺不会频繁改变,所以易磨性也相对稳定,而且可以根据渣体颜色、粗细、杂质进行大致判断,曾对浙江某厂矿渣分别在2004年和2007年两次取样实测,易磨性Wi几乎完全相同。但如果原料来源由A厂变为B厂,则可能因其易磨性改变而影响粉磨效率。
     
  
  针对工业废渣的难磨特性,通常采用分别粉磨、小段磨、立磨、挤压粉磨等成熟有效的方法。矿渣试验表明,辊压机将其预粉磨到比表面积180m2/kg,再入球磨机粉磨至比面积450m2/kg的电耗要比粉磨原始粒度降低45%。见图1。以前认为矿渣的粒度本身很小,故而对行之有效的挤压系统在很长时间不为矿渣粉磨所认识,现在已改变了这种认识,采用立磨和挤压系统生产矿渣、钢渣微粉的企业日趋增多。合肥院设计的年产30万吨钢渣微粉挤压联合粉磨系统,在Wi为36.06 kWh/t的高难磨状态下,生产比表面积450m2/kg的粉磨电耗仅40kWh/t。在分别粉磨工艺中常用的小段高细磨,其增产节能的原因也在于对设备的合理改进。表5试验得出相同磨机下小段研磨体对原料易磨性Wi的改善作用。
                                                     表5  小段研磨体对原料易磨性的改善试验数据

  由表5可见,在试验入磨粒度等同于生产入磨粒度且适合高细磨粉磨的前提下,表列几种废渣的小段粉磨电耗均比标准配球降低6.69~16.18%,约相当于高细磨实际生产节电20~35%的一半。按此分析,生产中高细磨的增产节能效果,50%源于小段研磨体的贡献,另外50%则归功于高细磨独创的磨内筛分、活化篦(衬)板以及强制通风等一系列功能结构的改善。
3  结 语
  综上所述表明,原料易磨性的影响因素涉及到水泥生产的全过程,有些很难人为改变,只能有条件的选择应用,如生料配料中改高硅砂岩为粉砂岩或降低其配料比,用电石渣取代部分石灰石;水泥磨系统加强熟料的冷却和贮存控制,合理调配钢渣、矿渣的掺入量以及严格磁选除铁等。但对大多数厂而言,通过工艺设备调整和完善生产过程控制使之适应于原料的粉磨特性,才是实现粉磨节能的根本途径。本文的试验,或可为生产提供一种分析思路和方法。

         参考资料:
    [1]杨静,祝尊峰,任善国,单锋,王建伟.岩相观察分析熟料的易磨性.,2011.1:(54)
    [2]罗帆. 水泥原料易磨性的影响及其改善.水泥,1998.10:(10)
    [3]吴志明,邹一峰,章明朗,彭克金,林成. 高细煤磨系统的选择及其风量计算.,2010.11:(62)

 

 

 

 

 


 

来源:《四川水泥》2012-04

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