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贾华平:秀出生料迈向水泥 辊压机终粉磨再赋节

2020-12-27 16:31 作者:易发体育 点击:

  那么,水泥的颗粒级配能否调整?水泥的球形度是不是问题呢?甚至水泥的需水量是不是问题? 颠覆性成果需要颠覆性思维,我们有必要质疑一些有关的固有思维!......

  时至今日,水泥粉磨技术的发展已经取得了一系列成果,不但大幅度提高了粉磨效率,而且可在一定程度上改善水泥的粉磨性能。比如立磨水泥终粉磨、比如辊筒磨水泥终粉磨、比如分别粉磨,都取得了不错的业绩。

  遗憾的是,在原理上粉磨效率最高的辊压机,在进军水泥终粉磨时落到了裹足不前的境地。在生料粉磨系统,辊压机终粉磨虽然滞后于立磨,但毕竟还是有所突破;在水泥粉磨系统可就惨了,不得已退守了半终粉磨,而且必须配套球磨机整形。

  辊压机与立磨、辊筒磨同样属于挤压粉碎机理,立磨、辊筒磨能生产性能合格的水泥,辊压机为什么就不能呢?

  主要的担心是:水泥颗粒级配分布不好,特别是水泥颗粒球形度不好,被认为会导致水泥需水量增大,水泥使用性能变差,最终影响市场销量与售价。

  那么,水泥的颗粒级配能否调整?水泥的球形度是不是问题呢?甚至水泥的需水量是不是问题? 颠覆性成果需要颠覆性思维,我们有必要质疑一些有关的固有思维!

  水泥标准稠度需水量,准确的说法应该是混凝土的标准稠度用水量,是指能使水泥浆体达到一定的可塑性和流动性所需要的拌合水量。

  混凝土用水量是其施工的重要指标,直接影响到混凝土的水灰比,继而影响到混凝土的强度、抗蚀性、抗冻性、耐久性,影响到混凝土生产的水泥用量以及外加剂用量,影响到用户的成本和效益。

  而水泥是混凝土的重要组成部分,水泥需水量有可能影响到混凝土用水量,间接影响到用户的成本和效益。由此,水泥需水量就成为混凝土行业衡量水泥性能的一个重要指标。

  以水泥标准稠度需水量25%作为标准值,试验得出混凝土用水量与水泥标准稠度需水量有以下关系:

  式中:Δw——1m3混凝土用水量的变化值,kg/m3;C——1m3混凝土水泥用量,kg/m3;N——水泥标准稠度用水量,%。

  试验表明欲降低混凝土用水量,必须降低水泥标准稠度需水量;而且还量化了水泥需水量对混凝土用水量的影响程度。

  科学上讲“实践是检验真理的唯一标准”、技术上讲“一切要数据说话”,这里全有了。所以,这是一个在混凝土行业有影响的试验,甚至被固化为“声讨”水泥的理论依据。

  ① 固有需水量:主要是C3A、fCaO、烧失量、碱含量、混合材的孔隙率;

  ② 粉磨需水量:主要有颗粒级配、颗粒组成、颗粒形状、石膏脱水、水泥细度(特别是熟料粒径);

  国内有专家研究认为:水泥的需水量到底对混凝土的需水量有多大影响,与混凝土的配料组成以及组分特性有很大关系,水泥只占混凝土的一部分,通常影响不是太大。

  混凝土的掺合料比水泥还细、混凝土的骨料比水泥颗粒大得多,对混凝土用水量的影响不比水泥小,而水泥的颗粒级配对混凝土的颗粒级配影响十分有限,故不该需水量一高就赖在水泥头上。

  研究水泥的最早期水化认为,水化产物的比表面积,要比水泥中各组分的比表面积大得多,完全不在一个数量级上。所以,关于水泥的需水量、或塌落度损失,实际上与水泥的细度关系不大,完全可以忽略不计,如图1。

  颗粒组成与颗粒级配是完全不同的两个概念,却经常被大家张冠李戴、混为一谈。

  颗粒组成指不同组分(和或矿物)颗粒在水泥粉体中的分布。相同的颗粒级配水泥、即使其化学成分也完全一样,但由于其颗粒组成的不同,水泥性能会千差万别!

  我们经常感到闭路磨水泥不如开路磨好,认为是开路磨水泥的颗粒级配分布更宽。实际上不仅如此,还希望熟料的颗粒分布窄点更好。闭路磨是强化粉磨粒径的一视同仁,开路磨是强化粉磨时间的一视同仁,由于各组分的易磨性不同,开路磨具有选择性分别粉磨的特性,更适合水泥颗粒级配宽中(混合材)有窄(熟料)的需水量要求。

  辊压机终粉磨的水泥,虽然具有水泥颗粒级配分布不宽的缺陷,但同时具有其中熟料颗粒分布窄的优势。

  我们讲颗粒形状对水泥需水量的影响,其中一个主要原因是由于其条状颗粒或棱形颗粒较多,颗粒间内摩擦较大需要更多的水。

  实际上,这是一种宏观概念向微观领域的推理,尚缺乏实实在在的物理实验。当水泥足够细时,其颗粒形状已经不重要了。

  我们知道,量变是会引起质变的,宏观的理论并不能直接往微观上套。这有几点理论支撑:

  ① 颗粒越小质量越小;球形度越小表面积越大,受到水的浮力越大;颗粒越小其棱角的绝对值越小,其摩擦系数会相应减小。

  我们知道,摩擦力=正压力×摩擦系数,这里“颗粒内摩擦∝(颗粒质量——水的浮力)×摩擦系数”,当水泥细到一定程度后内摩擦怎么会增大呢?

  ② 水泥较粗时粉磨颗粒以晶体团解离,不规则外形较多;当水泥细到一定程度后,颗粒已趋近于晶体外形,而物理加工是不可能改变晶体形状的。故不论什么粉磨工艺,细到一定程度后的外形都会趋于一致;

  ③ 我们知道,水有一定的表面张力,对小到一定程度后颗粒,其外形在水膜的包裹下都将趋于球形化。

  在2002年 “第五届水泥制造工艺技术国际大会”上,就有德国的水泥专家发布了这方面的论文。

  研究了球磨机粉磨和辊压机终粉磨对石膏脱水的影响对比,粉磨同样的42.5R水泥,使用同样的石膏(均为一半硬石膏和一半二水石膏),测得粉磨后水泥中不同形态的石膏含量见表1。

  试验表明,要二水石膏脱水为半水石膏,被粉磨物料的温度应该≥90℃。这在我们习惯的球磨机中几乎总是可以达到的,而在辊压机终粉磨这些新的粉磨工艺中,由于粉磨过程的温度较低,只有少量二水石膏转变为半水石膏,或者根本就不可能转变。

  试验表明,在25℃的环境温度下,硬石膏的溶解度为2.1 g/L、二水石膏的溶解度为2.4 g/L、半水石膏的溶解度为6.0g/L。这就是说,辊压机终粉磨水泥与球磨机水泥相比,尽管其石膏含量是一样的,但在水中的溶解度是不同的,正是这个不同的溶解度对水泥的凝结过程产生了不同的影响。

  对水泥辊压机终粉磨来讲,一定的粉磨温度对石膏的脱水是必要的。这与我们传统的观念不同,这一点已经在水泥立磨终粉磨中得到了佐证。

  关于水泥的需水量,准确的说是在一定条件下检测的标准需水量,大致由以下三种因素叠加构成,即所用原料的固有需水量、水泥过细导致的需水量、水泥颗粒级配导致的需水量、水泥颗粒组成导致的需水量、水泥颗粒形状导致的需水量、石膏脱水不足导致的需水量。

  就辊压机终粉磨系统与球磨机粉磨系统的比较而言,由于两者的需水量构成不同,故需水量产生的效应也有差别,相同的标准需水量不一定是相同的后果。

  不论是那种粉磨系统,其原料的固有需水量都是一样的,与所用的粉磨系统无关;球磨机粉磨系统的需水量受微粉、特别是熟料微粉含量的影响较大,辊压机终粉磨系统的需水量虽然受到颗粒形状的影响、但可以减小熟料微粉的影响;微粉型需水量对水化速度的影响较大,形状型需水量对水化速度的影响较小。

  所以,辊压机终粉磨系统的需水量与球磨机粉磨系统的需水量比较,对水泥的和易性影响较小。

  另外,辊压机终粉磨的水泥温度,要比其他粉磨系统低得多,这对降低水泥的工况需水量是十分重要的。水泥的工况需水量并不完全取决于水泥的标准需水量,还会受到使用时温度的较大影响,特别在高温季节,较高的温度能促进水泥的水化速度,增大工况需水量,这对最终的水泥使用者是不容忽视的。

  有例为证:比利时CBR公司在1992年曾对其拥有的5台水泥磨进行了辊压机终粉磨改造,他们的结论认为“在某些销售市场,需水量高的水泥是不被接受的,但CBR公司很幸运,辊压机系统生产的水泥为顾客所接受,他们对水泥很满意”。

  分析认为:水泥中微粉型需水量与形状型需水量的后果不同、标准需水量也不等于工况需水量,这是“CBR公司很幸运”、也是辊压机终粉磨系统很幸运的真正原因。

  立磨、辊筒磨、辊压机三种粉磨设备,仅管具体的结构不同,但都是基于料床粉磨原理的设备,与球磨机相比,都具有能量利用率高、能耗低、结构紧凑、运行维护方便、占地面积小的优势,但它们又有各自不同的特点,三种料床粉磨设备的技术特征对比见表2。

  辊压机和立磨都在水泥的终粉磨上使用过,但都不太理想,都比球磨机生产的水泥需水量大。如果要保持相同的混凝土稠度,一是多加水,这将导致混凝土强度降低;二是增大减水剂用量,这将导致混凝土的成本提高。

  而辊筒磨生产出来的水泥,在使用过程中意外的发现,需水量比球磨机生产的水泥还略低一些。

  对这两种水泥的颗粒级配与颗粒形状的分析发现,两种水泥的颗粒级配非常接近,辊筒磨水泥的颗粒球形度还要略好于球磨机水泥,各龄期的水泥强度辊筒磨也要略胜一筹。

  目前的研究,都是局限在设备的适应性调整上,而没有从系统工艺和设备原理上进行改进,这是进展不大的根本原因。为此,我们不妨将辊压机水泥终粉磨工艺,与立磨终粉磨工艺和筒辊磨终粉磨工艺进行一下对比分析,或许从中可以得到一些借鉴和启示。

  (1)辊压机与立磨的粉磨机理同样为料层粉碎,冲击物料的“飞溅能”得到比立磨更好的应用,因而粉磨能量利用率更高,粉磨电耗应该比立磨更低。但辊压机粉磨产品存在球形度差、石膏粒度偏粗、C3A活化不佳等问题,导致水泥的需水量较高,从而影响了水泥的产品性能。

  辊压机与立磨的不同点在于立磨是多次粉碎,而辊压机的粉碎次数要少得多。那么,是否能够通过增加辊压机闭路系统的循环负荷,以增加粉碎次数呢?

  法国Cormeillers水泥厂,就是采用多次循环工艺建成投产了世界上第一条辊压机水泥终粉磨生产线,实践证明是效果显著的。

  然而国内的试验却不太成功,随着辊压机及其循环系统的进一步加大,结果是系统装机功率上去了,而辊压机的实际运行功率却要比预想的小得多,有的还有所下降。大辊压机只是干了小辊压机的活,虽然改善了水泥性能,但导致了系统电耗的升高、系统投资的加大。

  分析认为,辊压机对入辊物料的粒度均一性要求较高,特别对易碎性比较差的物料更是如此。“天塌了有个儿高的顶着”,当辊压机被大颗粒撑开辊缝时,对小颗粒的做功就很有限了,不是单纯的提高循环负荷那么简单,还必须设法改善辊压机对入辊物料粒度的适应性。

  (2)实践证明,辊筒磨已经成功用于水泥终粉磨,而且其产品水泥的性能要优于立磨,甚至略好于球磨机水泥。

  根据2006年法国FCB提供的辊筒磨水泥资料,其粉磨的水泥颗粒级配与球磨机很接近,颗粒球形度甚至略好于球磨机,各项性能指标都不比球磨机差,各龄期的强度都高于球磨机水泥。

  由图可见,辊筒磨不同于辊压机在两辊之间挤压粉碎,而是在一个圆柱辊外面与一个圆筒内面之间多次挤压磋磨物料,具有如下特点:① 由于辊子由磨筒体带动旋转,中间还有物料,滑动不可避免,二者的角速度不同,有利于拓宽产品的颗粒级配;② 由于辊子较长,辊筒之间给予物料的挤压力不是太大,物料受到多次循环磋磨,有利于产品颗粒形状的球形化。

  由此可鉴,辊压机水泥终粉磨在加大系统循环负荷、增加研磨次数的同时,还应该增大磋磨功能,既有利于拓宽颗粒级配,又可改善颗粒的球形度。比如将辊压机的两个辊子,采用不同径、甚至不同步调速设计,实现两辊之间的差速运行,起到对物料的磋磨作用。

  中央电视台20150515的《我爱发明》栏目,讲述了发明人苏连升对面粉机的改进,“将对辊磨由同步运行改为差速运行”,实验的结果是:“粉磨产能提高了、面粉温度降低了、面条的口感好了”。

  其原理就是将“同步的挤压为主”变成了“差速挤压+磋磨”,提高了粉磨效率、提高了比表面积、改善了颗粒形状。

  天津水泥工业设计研究院的研究也表明,在多次循环挤压料层的粉碎条件下,辊压机能够获得2μm——3μm的水泥颗粒,而且生产微细产品的能耗远远低于通常的粉磨系统。

  对于颗粒分布要求高的水泥,提高挤压成品量就需要增加物料的循环次数,以达到改善水泥性能的目的。但物料多次挤压后会导致辊压机的入料粒度减小,辊压机在相同压力下的输出功率下降,挤压能效降低,也增加了振动的几率。

  因此,水泥辊压机终粉磨,既要较高的压力以提高产量,又要较多的循环次数以保证质量,两者是对立的统一,需要找到一个合理的平衡点。在保证循环次数的情况下,尽量提高操作压力。

  天津院早期曾经在振兴水泥公司的联合粉磨系统上,做过简单的终粉磨生产试验,该系统的中控截图如图5所示。

  改造前原粉磨系统为Ф180/140辊压机+Ф3.8m×13m球磨机组成的联合粉磨系统,生产PO42.5水泥、比表面积控制370时,系统生产电耗约31kWh/t左右、生产能力为194t/h、水泥标准稠度需水量为26.5——27.5%。

  水泥终粉磨系统的工业试验直接停掉了球磨机,运行结果为:在比表面积控制380m2/kg情况下,产量达到120——140t/h,系统电耗降到了26.4kWh/t,标准稠度需水量检测为28.3%。其中系统电耗的分项为:辊压机20 kWh/t,风机4.0 kWh/t,选粉机0.4 kWh/t,其他辅机2.0 kWh/t。

  从以上试验可以看出,在直接停掉球磨机后,已经获得了较低的粉磨电耗,如果再对系统进行专项优化设计,电耗还有下降的空间;标准稠度需水量虽然偏高,但还没有到了失控的状态,在采取一定措施后,还有下降的可能。

  试验显示,辊压机水泥终粉磨,进一步降低粉磨电耗是没问题的,关键是如何控制和降低需水量。分析认为,当水泥足够细时,颗粒形状对需水量的影响已经不重要了,关键是如何优化和控制水泥的颗粒级配。

  为此,天津院又专题开发了便于强制调节颗粒级配的三转子选粉机,用于振兴水泥公司的水泥终粉磨系统改造。采用三转子选粉机后的系统流程如图6所示。改造前后的运行对比见表3、水泥性能对比见表4

  改造前原粉磨系统为Ф180/140辊压机+Ф3.8m×13m球磨机组成的联合粉磨系统,生产PO42.5水泥、比表面积控制370时,系统生产电耗约31kWh/t左右、生产能力为194t/h、水泥标准稠度需水量为26.5——27.5%。

  水泥终粉磨系统的工业试验直接停掉了球磨机,运行结果为:在比表面积控制380m2/kg情况下,产量达到120——140t/h,系统电耗降到了26.4kWh/t,标准稠度需水量检测为28.3%。其中系统电耗的分项为:辊压机20 kWh/t,风机4.0 kWh/t,选粉机0.4 kWh/t,其他辅机2.0 kWh/t。

  从以上试验可以看出,在直接停掉球磨机后,已经获得了较低的粉磨电耗,如果再对系统进行专项优化设计,电耗还有下降的空间;标准稠度需水量虽然偏高,但还没有到了失控的状态,在采取一定措施后,还有下降的可能。

  试验显示,辊压机水泥终粉磨,进一步降低粉磨电耗是没问题的,关键是如何控制和降低需水量。分析认为,当水泥足够细时,颗粒形状对需水量的影响已经不重要了,关键是如何优化和控制水泥的颗粒级配。

  2020年5月经向振兴水泥公司的有关人员了解,对辊压机水泥终粉磨改造是满意的:“改造后的辊压机水泥终粉磨系统运行良好,不但降低了粉磨电耗,与联合粉磨系统相比电耗降低了20%左右;而且水泥产品温度降低了20℃左右,水泥性能也没有问题,用户没有任何不良反应。特别是三转子选粉机,能够比较方便地调节水泥的颗粒级配”。

  至此,应该感谢天津院的不懈努力、感谢振兴水泥公司的勇敢尝试,为水泥行业的节能改造又趟出了一条新路。仅管辊压机水泥终粉磨还没有推开,在推广过程中还会遇到这样那样的问题,但相信办法总比困难多,就行辊压机生料终粉磨一样,会逐步得到大家的认可。

  在2002年“第五届水泥制造工艺技术国际大会”上,就有德国的水泥专家发布了这方面的论文。研究了球磨机粉磨和辊压机终粉磨对石膏脱水的影响对比,粉磨同样的42.5R水泥,使用同样的石膏(均为一半硬石膏和一半二水石膏),测得粉磨后水泥中不同形态的石膏含量见表5。

  由表06-15可见,由球磨机粉磨的水泥中半水石膏的含量达到1.9 wt%,而辊压机终粉磨的水泥中半水石膏的含量只有0.4 wt%。(wt是英文wight的缩写,wt指质量百分数。)

  试验表明,要二水石膏脱水为半水石膏,被粉磨物料的温度应该≥90℃。这在我们习惯的球磨机中几乎总是可以达到的,而在辊压机终粉磨这些新的粉磨工艺中,由于粉磨过程的温度较低,只有少量二水石膏转变为半水石膏,或者根本就不可能转变。

  试验表明,在25℃的环境温度下,硬石膏的溶解度为2.1 g/L、二水石膏的溶解度为2.4 g/L、半水石膏的溶解度为6.0g/L。这就是说,辊压机终粉磨水泥与球磨机水泥相比,尽管其石膏含量是一样的,但在水中的溶解度是不同的,正是这个不同的溶解度对水泥的凝结过程产生了不同的影响。

  对水泥辊压机终粉磨来讲,一定的粉磨温度对石膏的脱水是必要的。这与我们传统的观念不同,这一点已经在水泥立磨终粉磨中得到了佐证。

  近年来,越来越多的新技术在水泥行业得到应用,富氧燃烧技术就是其中之一,但尚没有被行业接受,这是为什么?中国水泥网高级顾问贾华平以《水泥窑富氧煅烧—— 释疑解惑与成功例证》给出了自己的看法。

  为进一步切实帮助各个水泥企业解决生产过程中所遇到的问题,会议期间特别举行了专家互动论坛。

  邹伟斌总结了水泥联合(半终)粉磨系统“三段论”:磨前处理是关键(高吸收功耗)、磨内磨细是根本(更多的成品)、系统选粉是保证(高效率分级)。

  邹伟斌强调,要把整个粉磨系统各段的做工情况研究透,充分发挥出每一段的做工效率,这样做既利于系统的稳定也能实现系统节电。

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