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选粉机技术的发展和大型闭路粉磨系统的优化

浏览次数: 日期:2007年1月8日 22:05
选粉机技术的发展和大型闭路粉磨系统的优化
 
合肥水泥研究设计院 郑 青
 

一、 前言  
  水泥行业作为传统工业,走实现可持续发展战略,提高质量、节能和降耗是始终不变的主题。随着新型干法水泥生产技术的发展和成熟,水泥生产线的规模越来越大,对选粉机技术和粉磨工艺提出了更高的要求。因此必须进行深入的研究和总结,使选粉机技术以及闭路粉磨工艺的发展能适应新形势的要求,使大型闭路粉磨技术及装备得到进一步的发展。
  二、新型高效选粉机的发展   
  1、发展状况  
  新型高效选粉机的发展历史只有20多年。上个世纪七十年代末日本小野田公司率先研究并开发出选粉机理与第一代、第二代完全不同的O-Sepa选粉机,这标志着选粉机技术进入了第三代新型高效选粉机的发展阶段。第三代高效选粉机以其全新的分级机理和分级结构,实现了技术的重大突破。只有第三代选粉机才能真正称之为新型高效选粉机。第三代高效选粉机在国际上继问世以来,以此增产、节能、改善质量效果显著的特点倍受注目并很快在世界水泥界得到广泛推广和应用。  
  进入上世纪八十年代,国际上几家主要水泥装备公司相继研制开发了具有各自特点的新型高效选粉机,主要有德国Krupp Polysius公司的Sepol选粉机和KHD公司的SKS选粉机、丹麦F.L.S公司的SEPAX选粉机、美国Sturtvent公司的SD选粉机、德国O&K公司的CF(横流)型选粉机和Pfeiffer公司的QDK型选粉机等。九十年代,法国FCB公司开发了TSV高效选粉机,在设计上体现了第三代高效选粉机的特点,特别是基于TSV的TSV4型选粉机的发展为控制成品的粒径开创了前景。  
  近年来,为了适应与辊压机配套使用,组成更具节能辊压机半终粉磨、终粉磨系统,KHD公司又率先开发出了与辊压机配套使用的V型、VSK选粉机。  
  V型选粉机是一种完全静态的粗选选粉机,无任何活动部件,也无需任何动力。兼具粗分选、打散、烘干三项功能为一体。如图1所示,V型选粉机外壳体的形状像一个“V”,因此形象地称为V型选粉机,其设备结构非常简单,上部两边分别有进风口和出风口,进料口设在进风口上部,粗粉出口位于“V”字底部。内部设置了两排固定的成梯状排列的相互成一定角度的打散分级板。其工作原理就是利用高度落差使料饼在下落过程中撞击打散,在物料下落过程中利用气流方向和速度的改变达到分选的目的。细度的调节是通过改变风速来控制。V型选粉机的分级细度一般控制在1mm。相比高效选粉机,V型选粉机分选风量较低,压差小,因此其循环风机的功率也只需高效选粉机的45%左右;由于无运动部件,设备耐磨容易解决,且使用寿命长;由于物料下落过程较长,既可冷却热物料,也可烘干有一定水份的物料。 V型选粉机与辊压机配套,简化了系统的工艺,优化了辊压机的操作。新喂料中的细粉在进辊压机前即被分选出来,同时新喂料和选粉机粗粉在喂入辊压机前充分混合,可确保辊压机的平稳运行。   
  VSK选粉机是在V型选粉机的基础上开发出的一种动静态结合的选粉机,如图2所示。 VSK选粉机增加了动态的笼型分级转子,改变了V型选粉机只能进行粗选的限制,可直接进行终产品分选。与一般高效选粉机相比,既不失高效的特点,分级结构又很简单;设备阻力低,压降只有一般高效选粉机的65%,可使风机节电;磨损小,维护方便。VSK选粉机投入运行时间不长,但已显示出其对系统节电的优势。  
  我国在上世纪八十年代中期引进了O-Sepa选粉机制造技术,与其同时,一些水泥研究设计单位积极跟踪这项新技术并开展了深入的研究,自主开发了开发了生料、煤磨、水泥三大粉磨系统配套的各种新型高效选粉机。新型高效选粉机技术在国内开展研究有十几年的历史,但真正得到大面积的推广应用还是从九十年代开始的。由于新型干法水泥技术发展日趋成熟和国家政策的规范和引导,我国相继建设了一大批新型干法水泥生产线;同期我国实施了新的ISO水泥强度检验方法标准后,对水泥质量提出了更高的要求了,这些有利因素为新型高效选粉机在我国发展和应用带来了难得的契机。目前新型高效选粉机以及新工艺已开始全面替代传统选粉机及系统,大面积地推广应用,特别是新设计的新型干法生产线或大型水泥粉磨站几乎全部是采用了新型高效选粉机。合肥院对用于闭路粉磨系统的高效选粉机技术的研发已有20多年的历史,开发出DS型等高效选粉机,目前已形成一项具有我院特色的成熟的系统技术——高效选粉机闭路粉磨系统优化技术,特别是在老厂改造中大显身手。     
  2、新型高效选粉机的改进   
  任何选粉机的分级过程都可以简单地分三个环节:分散、分级、收集。分散是前提,分级是核心,收集是保证。成品收集的问题随着除尘技术的发展已得到了解决,研究和解决选粉机的技术问题应围绕着分散和分级来进行。随着对第三代选粉机研究的深入以及应用面的扩大,早期的高效选粉机,逐渐暴露了一些问题,选粉效率降低。包括合肥院在内的一些研究设计单位和公司提出了一些改进的措施和办法,取得了一定的效果。总结为以下几方面:   
  (1)、撒料的改进。理论上我们希望入选粉机的物料被撒料盘抛撒成360度均匀的料幕,因此随着设备的能力增大,选粉机进料口的数量逐渐增加,但由于设备结构的限制,进料口不可能无限制增加,大型选粉机的进料口一般设置为四个对称分布。而随着选粉机设备的大型化,撒料盘环型面积的增加与处理物料量的加大不成比例,单位面积的处理能力逐渐增大,即使选粉机进料口增加为四个,物料在还是容易在进料口附近未被充分抛撒开就成团状滑落进入分级流场中。因此撒料盘结构的设计有必要改进。主要改进措施有:将放射状凸楞改为螺线型凸楞,增大抛撒区域;撒料盘外沿增设挡边,延迟物料滑出时间,增大抛撒区域。  
  (2)、进风的改进。 选粉机的进风口为长方形,设备规格的加大,进风通道的高度增加,由于边界效应的影响,断面气流的速度梯度加大,不利于分级流场的稳定。因此大型选粉机的进风通道可设置隔板,缩小气流通道断面积,可有利于形成稳定的分级流场。  
  (3)、转子的改进。各种新型高效选粉机的基本分级原理是一致的,都是在平面涡流选粉机理下设计的,其结构上的共同特征是:在一圈有一定角度的导向叶片中有一个“笼型”分级转子(如图3所示)。因此高效选粉机的判定标准就是看其核心分级结构是否符合上述特征。正是如此,笼型转子的结构设计至关重要。  
  法国FCB公司在对选粉机进行了深入的研究后,针对选粉机转子的改进提出了两项新专利技术:变截面叶片以及消除涡流装置。如图4、图5。一个质量为m的颗粒进入转子两个叶片之间后,将在不断减小的离心力的作用下从点1向点2运动。随着离心力的减小,逐渐增大的叶片间距使气流速度不断降低,结果亦使气流携带物料的能力减弱。因此,该颗粒实际上受到一个恒力的作用,并在此力的作用下作为成品被分选出来。同理,因碰撞反弹而进入两叶片之间的粗颗粒,在两叶片之间的整个过程中受一个向外的恒力的作用而只能向外移动,离开这个空间。通过上述受力分析,可以看出这种变截面叶片设计实际上是把选粉机的分级空间延伸到里转子叶片之间,大幅度增加了分级空间区域,FCB公司称可使选粉区的空间教之其他形式的选粉机大5-10倍。但是变截面叶片的加工难度复杂,加大了设备的制造成本。进入转子的气流在从出风管排出过程速度较高,一般要达到17-19m/s,而且气体含尘浓度较高,一般可达到500-800g/m3,甚至达1000 g/m3,因此,此处流体阻力较大,涡流加速了设备的磨损。在转子内部设置涡流消除装置,有以下优点: a、避免了涡流产生的压降,降低选粉机的阻力; b、降低气流切向速度,减小磨损; c、借助涡流被消除过程中气流对消除装置的推力,可降低转子的驱动动力,降低选粉机的运行电耗。 FCB公司这一措施,与丹麦史密斯公司在转子顶部设置的导流减压叶片具有异曲同工之处。但相比较,在转子内部设优点更多一些。  
  (4)、导向叶片的改进。导向叶片一般为平板形,随着设备的大型化,导向叶片越来越长,为了不影响导向叶片间的通风面积,其厚度不可能增加很多,因此钢性变差,长时间运行,由于气流的作用,导向叶片易产生变形,影响分级流场的稳定。另外,由于导向叶片间的气流速度较分级区低,离心力的作用使一部分物料容易从导向叶片间跑出,沉降到进风通道的底板上,影响进风量。将导向叶片设计为不对称的折弯状,既提高了导向叶片的钢度,又有效减少了物料外窜。  
  (5)、三次风的改进。一般三次风管设置在粗灰下料锥体上,数量为3~4个,环形均布,三次风的风量为总风量的10~15%。有限的风量和局部分选,很难产生明显效果。将三次风设计为环状全断面通风形式,强化通风,可明显提高三次风对粗粉再次清洗的效率,如图6所示。
  三、闭路粉磨系统的优化  
  1、高效选粉机的选型新型高效选粉机一般以处理风量表示其规格。也有少数采用设备的特征尺寸来表示的,但同时会注明处理风量的。生料烘干磨及煤磨由于属于风扫型磨磨机,在进行选粉机的选型时,一般情况下主要以磨机的通风量为依据,经计算得出的磨机实际需要的通风量再加上一定的漏风系数,就是选粉机的处理风量,有了处理风量,选粉机的规格就定下来了。水泥磨选粉机在选型时,主要以设计产量来定。水泥粉磨因采用的技术不同,工艺及系统流程有较大的变化,不能仅仅按磨机的规格和产量来定选粉机的规格。一般选粉机出口的成品浓度在700~8OOkg/m3比较理想,因此对于普通闭路磨以及带辊压机预粉磨系统或联合粉磨系统可根据要求的产量来计算出选粉机的处理风量。而辊压机半终粉磨系统、终粉磨系统由于其选粉机的循环负荷较大,要根据选粉机需要的最大处理量来选型。系统风机在设计选型时要注意的是选型手册上所标出的参数是在什么温度下的值?应换算为实际工况温度下的参数。另外应考虑空气含尘量以及海拔高度对风机参数的影响。  
  2、关于选粉效率选取我们讲提高选粉机的分级效率,是指选粉机的内在性能。在实际生产操作中,不应一味片面追求提高选粉机的使用效率(指经过取样进行筛余分析计算得到的效率值),因为当选粉机规格型号确定之后,其本身的性能已确定,无法改变,尤其是新型高效选粉机,它不像离心式或旋风式可以通过改变小叶片的数量或撒料盘的形式来进行调整。高效选粉机本身的调整参数只有转速和风量。通常选粉机的效率与循环负荷是一对矛盾参数,循环负荷低,选粉效率高;反之则选粉效率低。尽管高效选粉机比传统选粉机性能优越,对物料浓度的变化适应性强,但这种变化规律还是存在。而过低的循环负荷会导致磨机的粉磨效率下降。当一台磨机的产量处于较高的状态时,其选粉效率并不是处于较高值。一般循环负荷控制在120~150%比较合理。  
  3、系统工艺流程的选择对于不同物料的粉磨其生产工艺流程的是不同的。比如水泥厂的生料粉磨、煤粉制备、水泥粉磨都有一些具体要求。通常水泥粉磨系统工艺流程如图7。 流程1,采用了具有处理500~1000g/m3高浓度气体的高效收尘器,流程简单,系统阻力小,特别是在降低水泥温度方面,充分发挥了选粉机的特点,是目前较为常见的流程,特别在水泥磨系统中是首选的流程。流程2类似于旋风式选粉机系统,但与它所不同的是磨内气体及提升机等其他扬尘点气体可直接通入选粉机,作为选粉用风,由于排入收尘器气体只是选粉机用风的一部分,大部分气体作再循环,因此收尘器规格可以减小。这种系统还适合于原料水分比较高或寒冷地区以解决因选粉机吸入大量冷空气而引起收尘器结露的问题。随着磨机规格的增大,原工艺流程在实际使用中出现了一些问题:  
  (1)当入磨熟料温度较高或环境温度较高时,水泥磨的水泥成品温度较高,此时我们希望磨机加强通风。而随着磨机规格的增大,其通风能力的增加相对于产量的提高幅度变小,磨机通风能力变差,因此大磨水泥温度相对小磨高。而大型磨机一般不采用筒体淋水冷却的办法,除了采取磨内喷水的办法,只有加大通风量,而磨机的通风量增加,又必然减少了选粉机的外界进风量,又降低了成品在选粉机分级过程的冷却效果。  
  (2)与磨机废气管相联的选粉机一次进风口容易产生粉尘沉降,特别是磨机通风量加大时增加了废气的含尘浓度,更加剧了选粉机进风通道内部的粉尘沉降,一方面增加了选粉机的通风阻力,另一方面又加剧了选粉机壳体和导向叶片的磨损。  
  (3)磨机、选粉机、收尘器组成的系统,排风机的全压较大,因此收尘器承受的负压大,漏风较多,锁风不宜解决。  
  (4)排风机的电机功率较大,电耗加大。  
  因此大型闭路水泥粉磨系统,易采用磨机通风收尘与选粉机分级系统分开的工艺流程,如图8所示。采用的新工艺流程可有效地解决上述问题,系统总功率也可降低(见表1)。

一般流程
新流程
磨机
φ3.8×13m 电机 2800kW
磨机
φ3.8×13m 电机 2800kW
选粉机
DS(O)-2000 电机 110kW
选粉机
DS(O)-2000 电机 110kW
收尘器
FGM128-2×10 120000m3/h
选粉机收尘器
FGM128-2×10 120000m3/h
排风机
130000m3/h 7100Pa 电机 400kW
主排风机
130000m3/h 5300Pa 电机 280kW
 
 
磨机收尘器
FGM96-7 40000 m3/h
 
 
排风机
40000m3/h 3200Pa 电机 55kW
系统总功率
3310 kW
系统总功率
3245 kW
水泥温度
100%
水泥温度
90%

4、磨机的优化选定了合适的高效选粉机后,粉磨系统必须进行优化才能达到满意的效果,一方面是工艺系统的优化,选择比较符合具体情况的工艺流程;另一方面是磨机内部的优化。不仅是水泥粉磨系统,生料磨、煤磨同样如此。水泥闭路粉磨系统大家研究了很多,一般认为水泥磨闭路粉磨系统的优化应从两方面来解决:一是磨内,另一是磨外。磨外大家都知道采用新型高效选粉机及新工艺流程,磨前增设预破碎设备、辊压机等,磨内如何解决?通常的办法是优化研磨体的级配,调整仓位。随着对开路及闭路技术的深入研究,目前已开始将闭路粉磨新技术和开路粉磨节能技术—磨内筛分技术以及高效分级衬板技术有机地结合起来,以进一步提高系统的技术经济指标。这是完全不同的两种工艺技术路线,但还是有共同的结合点。我们强调提高磨机的粉磨效率,一方面是提高磨内的研磨效率,在一定时间内粉磨一定量的物料,产生合格的细粉量越多越好,同时尽量减少磨内过粉磨现象;另一方面是适当加快物料在磨内的流速。开路节能粉磨技术核心是磨内筛分装置和小钢锻的采用。通过设置带筛分功能的隔仓板,把达到一定细度的物料提取出来送到细磨仓,可有效减少磨内的过粉磨。对于闭路磨特别是两仓磨来说,一般希望二仓采用小球,既能提高磨内物料流速,又能达到提高研磨能力的目的。设置高效分级衬板,二仓级配中就可采用更小的研磨体,而不至于出现大小球反窜现象。小研磨体的采用对细磨仓的粉磨效率的提高起至关重要的作用。因此对闭路磨来说同样可以移植开流磨关键技术,当然简单地把磨机按开流磨技术来改是不可能达到较好的效果,必须进行必要的改进和调整,使之适合闭路磨的特点和要求,否则会适得其反。把磨内筛分和磨外分级结合起来,系统的粉磨效率得到进一步的提高,水泥产量就可以有进一步的提高。由于采用了较小的研磨体,研磨次数增加,一方面可使出磨水泥细粉的含量得到了提高,再通过高性能选粉机的有效分选,水泥的颗粒级配得到明显的改善;另一方面也使成品的颗粒形态(球型度)更好。这些都有效地改善了水泥的性能,可提高水泥的强度。  我们在山东里能鲁西里能水泥厂对Ф3×9.7m 水泥粉磨系统采用DS-750高效选粉机及磨内筛分技术进行了综合优化改造。原系统为配Ф5.0m离心式选粉机闭路磨,台时产量31~32t/h左右,产品细度R0.08≤4%,系统改造后,生产PO32.5R水泥,台时产量45~46t/h,比表面积330m2/kg,循环负荷120%,选粉机选粉效率73%。原水泥粉磨系统吨水泥电耗约为35~36 kWh/t,;改造后的吨水泥电耗约为29kWh/t,吨水泥电耗下降了6~7kWh/t。在维持与技改前同样强度,混合材掺量可增加2~4%.
  四、结束语  
  随着技术的发展和成熟,需要我们从更细微处着手去分析问题和解决问题。对于闭路粉磨系统,提高粉磨效率的问题,不仅仅是单一采用高效选粉机就能达到满意的结果,必须以系统工程的观点去全面分析,使粉磨系统能达到整体优化,从而实现优质高产的目标。以此观点来分析现有粉磨系统,还有很大的潜力,尚有很多工作可做。

  参考文献:
  [1] The Current State of Development of the TSV High- Efficiency Dynamic Classifier.ZKG CHINA,2003.
  [2] Improvements in the Production of Raw Meal and Cement by the Combined Use of Roller Press and V-separator.ZKG CHINA,No.1-1997
  [3] New experience and data from grinding plants with VSK®-separator.ZKG INTERNATIONAL,No.2-2004   
  (本文图略,请参见2006年《第六届水泥与混凝土国际会议》论文集查看全文)

所属类别: 学术讲座

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