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水泥厂立式磨机和辊压机对比分析

发布时间:2019-09-25 10:15:54

水泥厂两种料床粉磨设备,一个是立式磨机,另一个是辊压机。立式磨机与辊压机均起源于欧洲,尽管都属于料床粉磨设备,两者在粉磨机理、粉磨工艺、结构性能、产品性能等方面均有所不同,但也有相近之处,本文对水泥厂立式磨机和辊压机对比分析逐步加以阐述。

水泥厂立式磨机与辊压机

水泥工业中粉磨工序是耗电多的工序,水泥生产过程中有燃料、原料、熟料与混合材的粉磨,主要完成煤粉、生料粉、水泥成品的粉磨加工,粉磨的目的是增大物料的比表面积、降低粉体的粒径,使之达到下一工序所需要的活性。长期以来在水泥工业中占主导的粉磨设备是管磨机,由于其结构简单、操作容易、价格低今仍在大量使用,但其能量利用率降低,只有2%~20%的能量用来增加物料的比表面积,剩余80%~98%的能量转化为热能、振动、噪音损失掉。直20世纪70年代料床粉磨技术的出现,才使得粉体制备能耗实现大幅降低,发展到,有两种料床粉磨设备平行得到大量应用,这两种料床粉磨设备,一个是立式磨机,另一个是辊压机。立式磨机与辊压机均起源于欧洲,尽管都属于料床粉磨设备,两者在粉磨机理、粉磨工艺、结构性能、产品性能等方面均有所不同,但也有相近之处,本文逐步加以阐述。

1、立式磨机与辊压机粉磨机理的对比

立式磨机与辊压机均是对颗粒群进行挤压、粉磨,只有少部分物料与施力体接触,颗粒群之间在施力体作用下形成料床,通过颗粒之间的应力传递与相互作用,使物料颗粒产生裂纹、断裂与粉碎。

立式磨机的施力体是磨辊与磨盘,磨辊与磨盘形成柱-板施力体,压力主要来自磨辊,目前主要通过液压加压的方式形成加载力,物料从磨盘上方或侧边喂入磨盘,并在磨盘上移动的过程中形成料层,物料通过磨辊与磨盘之间时,在磨辊与磨盘之间的挤压、剪切力的作用下完成料床粉磨。辊压机的施力体是两个大小一样的辊子,两个辊子形成柱-柱施力体,物料从两个辊子上方垂直落入两辊之间,形成料床,在两个辊子挤压力作用下完成料床粉磨。辊压机的传动方式也有两种,即双传动与单传动,应用较多的是双传动辊压机;单传动辊压机的传动装置只有一套驱动一个辊子,两个辊子之间用齿系联接等实现另一个辊子转动。另外,单传动辊压机可以通过辊子布置的改变与传动方式的改变,演变成新型辊压机或辊压磨,如Beta磨[1]等。

2、立式磨机与辊压机结构与性能对比

立式磨机与辊压机的结构存在本质区别,立式磨机磨盘上物料除受挡料圈的局部限制之外,施力体磨盘与磨辊之间研磨区物料的侧面不受限,辊压机除受两个辊子之间的限制外,辊子两端的侧面也会设置侧挡板,使得辊压机的料床侧面受限[2]。辊压机由于四周粉磨区受限,随着施加能量的加大,产生的细粉量与比表面积增长幅度较大,而立式磨机增长的幅度会逐步减小,从这点看辊压机比立式磨机占优势。

辊压机的两个辊子之间与物料的接触面积小,属于柱-柱施压,物料一次性通过辊压机,属于大粉碎比一次完成,而立式磨机一般有两个及以上磨辊,磨辊与磨盘接触面积大,属于柱-面施压,能量利用率高于柱-柱施压,再者部分物料在磨盘上一般通过几个磨辊的多次碾压,属于小粉碎比多次分段完成,可以达到较高的能量利用率,从这点看立式磨机优于辊压机。

由于物料靠重力通过辊压机,加上辊压机腔体空间较小,很难与选粉机组成一个整体,选粉系统只能外置。而立式磨机由于磨盘直径较大,磨辊布置在磨盘上,粉磨空间较大,选粉机很容易放置在立式磨机腔体内,与立式磨机组成一个整体,在磨盘周边设置喷嘴环依靠风力将细粉向上吹起,带入磨内选粉区域,完成成品选出;也可以将立式磨机腔体做小些,将粉磨后的物料通过刮料板在重力作用下排出磨机外,选粉系统设置为外置的形式;因此立式磨机的选粉系统可以外置,也可以内置。

辊压机的减速机一般水平放置,不需承受工作压力,立式磨机减速机需要立式放置,减速机要承受工作压力,立式磨机对减速机要求较高;辊压机操作压力高,对液压系统设计要求高,立式磨机操作压力低,但结构较复杂、设备造价较高。

3、立式磨机与辊压机系统配制形式对比

辊压机与立式磨机可以配置成终粉磨系统,也可以与管磨机配置成预粉磨系统、联合粉磨系统、半终粉磨系统等。在配置工艺系统时,外循环形式的立式磨机与辊压机一样,可以与管磨机组成各种粉磨系统;集选粉、烘干于一体的内循环立式磨机,可以直接与粉体成品收集装置、风机等相连配制成终粉磨系统。

辊压机、外循环立式磨机均可以与管磨机组成的预粉磨系统、联合粉磨系统、终粉磨系统等,由于出辊压机(国内一般为中压辊压机,受轴承、液压技术限制,比国外辊压机压力低)粉体中的细粉量与出外循环立式磨机(一般为中压立式磨机)的细粉量基本差不多,辊压机、外循环立式磨机与管磨机组成的联合粉磨或半终粉磨系统,预粉磨系统的循环负荷相差不多。只是在配制系统时,由于受辊缝波动影响,辊压机出入料波动较大,配套的斗提机选型要适当放大提升能力,而立式磨机出料稳定性较好,配套的斗提机选型会比辊压机配套的斗提机提升能力要小一些。再者由于出辊压机的物料易形成料饼,对于同样通过量的物料,辊压机后置选粉机的风量要比立式磨机后置的选粉机大些,一般辊压机后配制的选粉风量按2.5-3.5m3/kg料气比设计,外循环立式磨机后配制的选粉风量按3.5-4.5m3/kg料气比设计,且水份较小时料气取值较大;若水份较大(2%以上),后置的打散装置(如V选)要加强,会导致打散装置的阻力与风量增大,进而使得后置的风机电耗增加。

4、立式磨机和辊压机研磨产品(水泥)性能对比

辊压机、外循环立式磨机排出的物料需进入外置选粉装置进行粒度分级,取样分析较为容易,而内循环立式磨机中物料在封闭环境下,没有代表样外排,加上系统运行时,有一部分物料被气体悬浮在立式磨机壳体内部,因此内循环立式磨机粉磨后的物料无法取样分析。对辊压机、外循环立式磨机的研磨效率,可以通过研磨后产生的细粉量(相同原料与配比,设备的通过量与循环负荷基本相近,粉磨单机电耗也相近时,该指标的可比性较好)来衡量,针对不同的规格与装机功率的辊压机与外循环立式磨机,可用单位用电量产生的细粉量来衡量其粉磨效率。

对于磨制P·O42.5水泥(因P·C水泥混合材掺量较大,物料性能相差较大,难以比较),“辊压机或外循环立式磨机+选粉装置+管磨机”系统,辊压机或外循环立式磨机与选粉装置组成的预粉磨闭环系统,循环负荷率一般在200%~300%,选出的物料比表面积在180-280m2/kg,表1列举几个水泥粉磨系统的主机配制与出辊压机或立式磨机粉体粒度情况:

表1 辊压机与外循环立式磨机碾压效果(P·O42.5水泥)

注明:以上数据为出料粒度分布(%)用套筛与粒度分析仪相结合测定得出。

从表1可以看出,小的辊压机碾磨后产生的细粉含量(%)比大辊压机少,除边缘效应影响外,小辊压机大多是多年以前的配制(多是小辊压机大管磨机系统),辊压机通过量较小,而入管磨机的量较大,辊压机预粉磨系统的循环负荷较小,这是出辊压机细粉量较少的另一个原因。KVM外循环立式磨机属于中高压立式磨机,磨盘与磨辊匹配形式经过计算机模拟匹配开发设计,系统中立式磨机与管磨机匹配合适,立式磨机预粉磨系统的循环负荷率控制在200%-300%,立式磨机终粉磨系统的循环负荷率控制在500%左右,出立式磨机物料总体细粉含量较大,由于立式磨机受碾压与剪切两种力,导致产生小于45微米的细粉含量较大,这也是立式磨机预粉磨系统单位产量电耗低的重要因素之一。由于KVM外循环立式磨机碾磨产生的小于45微米细粉较多,与管磨机配制成半终粉磨系统时,直接选出的成品量较多,对于系统提产降耗更有利。

另外,出辊压机与出外循环立式磨机物料的颗粒形貌也不一样,立式磨机是通过磨辊与磨盘的挤压与剪切两种力将物料磨细,辊压机是通过两个磨辊之间的挤压一种力将物料磨细,磨到一定的细度后,出立式磨机的细粉体以不规则带棱角的块状和棱柱状颗粒居多,出辊压机的细粉体以不规则带棱角的片状和条状颗粒居多,从颗粒形貌看,出立式磨机的细粉与管磨机磨制的细粉更接近些,出立式磨机的细粉比出辊压机的细粉更适于做水泥成品[3]。

通过辊压机半终粉磨系统、立式磨机终粉磨系统分别选出的水泥成品进行性能分析,应用案例分析见表2、3、4、5,其中表2、3中立式磨机终粉磨系统与管磨机闭路磨系统属于甲厂两套水泥磨系统且水泥配比一致,表4、5是乙厂双闭路辊压机半终粉磨水泥粉磨系统中从辊压机直接选出的成品与管磨机磨制的成品两部分水泥的性能对比。

从表25可以看出:立式磨机直接磨制出的水泥性能与管磨机磨制的水泥差别较小,需水性(标准稠度用水量%)甚比管磨机闭路系统生产的水泥还小;而辊压机直接磨制的水泥性能与管磨机磨制的水泥差别较大,特别是水泥的需水性要增大很多,这一点与陈全德等[4]观点一致;辊压机与外循环立式磨机直接选出的水泥成品与管磨机磨制的水泥成品1d、3d、28d强度相差不大;综合考虑水泥的强度、需水性等指标,外循环立式磨机比辊压机更适合配制终粉磨系统或半终粉磨系统,与内循环立式磨机终粉磨系统一致,立式磨机终粉磨系统磨制的水泥性能与管磨机近似,立式磨机终粉磨系统磨制水泥的可行性再次得以验证。

3、立式磨机与辊压机影响料床粉磨的因素

辊压机稳定高效运行的影响因素

辊压机与立式磨机由于粉磨原理不同,影响料床稳定运行与碾磨效果的因素也不同。

影响辊压机稳定的运行的因素主要有料柱的密实度、物料性能、辊缝、辊子两边的一致性、液压加压性能等;其中料柱密实度主要受稳流仓设计、下料溜子、辊压机斜插板阀的影响,物料性能主要受物料粒度、易磨性、均匀度、水份的影响;辊缝主要指辊缝大小、辊子两边辊缝差值、辊缝大小的波动;辊子两边的一致性指辊子两边的辊缝大小、加压情况、物料的密实、物料的多少、大小粒径物料比例等是否一致,若两边偏差较小,则一致性较好。辊压机要获得好的挤压效果,将要设计合适的稳流仓,通过仓位控制料压、料柱的连续性与密实度,使物料均匀喂入辊压机研磨区,再通过辊压机斜插板阀调节挤压区域,保持辊子两边的一致性,通过调节循环负荷与选粉系统选粉效率,使得返回辊压机物料粗细搭配合理,通过调节加压系统使得辊子加压稳定、合适,终使得辊压机电流稳定、辊压机做功效率提高,进而获得好的碾磨效果。另外,辊压机两个辊子的吸收功率与辊压机辊缝大小、加压大小、物料密实度等因素有关,当辊缝过大、料床过厚时,辊压机吸收功率较高,物料通过量变大,但产生的细粉量不一定多,因此将辊缝控制在合适范围内,才能产生好的挤压效果(可以用单位细粉量的电耗衡量)。

另外,转速也会影响辊压机的稳定运行与粉磨效率,但辊压机转速调节的范围较窄,一般圆周速度不超过1.8m/s,辊压机转速超过一定速度,会出现物料打滑,挤压区排出的气体量加大,会使得辊压机发生剧烈振动。

立式磨机稳定高效运行的影响因素

影响立式磨机稳定运行的因素主要有物料性能、磨盘与磨辊形式、加压方式、挡料环高度、喷嘴环设计、物料喂入方式、液压系统等因素影响。

内循环立式磨机由于集成了粉磨、烘干与选粉,磨机内设计有喷嘴环、选粉机等气流装置,影响立式磨机稳定运行的因素较多。喷嘴环风速大小影响系统阻力与后置风机电耗,也影响选粉机的控制,在满足选粉机控制的情况下,适当降低喷嘴环风速,适当增加外排物料量,对降低系统电耗有利。立式磨机喂料有边缘喂料与喂料两种方式,从料床稳定性的角度,采取喂料粉磨料床更易于稳定,当采取喂料时,物料在磨盘旋转过程中,物料逐步向均匀发展,有助于料床的稳定,对入磨物料的要求可以适当放宽一些。磨盘与磨辊的形式对碾磨很重要,这也是各家磨机性能差别的主要因素之一。挡料环对立式磨机的稳定运行关重要,太厚太薄均会导致立式磨机振动,另外料层太厚,物料与磨盘的摩擦力会增大,导致主机吸收功率加大,但产生的细粉量不一定多。一般液压系统稳定,加压会产生更多的细粉,当料层较薄时效果更加明显;但加压会加剧粉磨区料床的波动,进而影响立式磨机的稳定性。

外循环立式磨机由于没有气体流场的干扰,立式磨机料床稳定性比内循环立式磨机好,但包含返回立式磨机的循环细粉在内的所有物料都要落到磨盘上,立式磨机通过量会加大,同样的立式磨机,料层厚度会加大,要改善这一现状,需要加快物料在磨盘上的通过速度,一般要将磨盘转速提高,并适当降低挡料环。外循环立式磨机没有喷嘴环,磨机本身阻力很低,使得选粉系统阻力大幅度降低,终使得后置风机电耗降低,这个优点同辊压机一样,当用外循环立式磨机配制终粉磨系统时,电耗比内循环立式磨机要低。

另外,立式磨机的圆周速度是根据物料在磨盘内的运动速度与粉磨速度相平衡得出的,立式磨机磨盘转速与磨盘直径的平方根成正比,磨盘直径越大,磨盘圆周速度越大,与辊压机的辊子相比,立式磨机磨盘转速要大得多。提高立式磨机的转速,能提高物料通过量。

4、立式磨机与辊压机做功与功耗

辊压机与立式磨机均可以作为预粉磨设备,对于不同的系统,预粉磨设备与管磨机的吸收功耗不同,达到同样的粉体产量与细度,预粉磨设备配制越大,相应管磨机配制越小,换言之预粉磨承担的粉磨工作量越大,管磨机承担的工作量越小。辊压机与立式磨机做功消耗近似,作为预粉磨设备,单位产量每吸收1kWh/t功,管磨机功耗相应减少约2kWh/t,因此在管磨机前设置辊压机或立式磨机作为预粉磨装置,可以减少系统功耗[5]。例如将PO42.5水泥磨制330m2/kg左右的比表面积,只用管磨机磨制水泥,一般吸收功率在30-35kWh/t;增设小的预粉磨后,预粉磨设备吸收功率在7kWh/t以下,管磨机吸收功率仍在20kWh/t以上;增设大的预粉磨后,预粉磨设备吸收功率在10kWh/t以上,管磨机吸收功率可降低15KWh/t以下。按照以上分析,辊压机或立式磨机终粉磨系统电耗将是的。

有水泥工作者将预粉磨设备与管磨机装机功率比作为系统分届线,两者装机功率比在0.7以下称为小预粉磨装置大管磨机系统,在1.0以上称为大预粉磨装置小管磨机系,比例在0.7~1.0为匹配相当的系统。随着粉磨技术的发展,预粉磨装置的配制是逐步增大的,且目前辊压机占市场主导,以前多是小辊压机大管磨机系统,近几年多是匹配相当的联合粉磨或半终粉磨系统,目前新上的生产线开始逐步使用大辊压机或大立式磨机小管磨机系统。当预粉磨配制较小时,节电效果不明显;当预粉磨配制过大时,入管磨机的物料比表面积较大,细粉量较多,原理上可以大幅提产降耗,但回预粉磨装置的物料中细粉含量也多,当细粉含量多到一定值时,对辊压机而言,辊压机做功难以发挥,辊压机辊缝难撑开,粉磨效率较低,影响提产降耗指标;对立式磨机而言,立式磨机料床难以稳定,振动较大,同样粉磨效率提升受限。因此预粉磨装置与管磨机针对不同物料有合适的匹配,当匹配合适时,预粉磨装置才能稳定、高效运行,系统提产降耗的指标较好,这也是辊压机或立式磨机终粉磨系统电耗指标与半终粉磨系统相差不大的原因这一。

5、水泥厂立式磨机和辊压机对比分析小结

辊压机与立式磨机均属于料床粉磨设备,其粉磨原理与结构不同,辊压机的优点是料床侧面受限,立式磨机的优点是同时兼具研压剪切作用、多次碾压粉磨;辊压机结构简单但操作压力低、辊子转速慢,立式磨机结构复杂但操作压力低、磨盘转速快;辊压机粉磨区与物料接触面积小,立式磨机粉磨区与物料接触面积大;辊压机减速机不需承受工作压力,立式磨机传动需要承受工作压力且减速机要立式放置;辊压机挤压后易形成料饼,达到成品(水泥)粒度的比例比立式磨机少,立式磨机碾磨后形成松散物料,后续选粉风量比辊压机少;辊压机研磨出的成品以片状、条状为主,立式磨机研磨出的成品以柱状、块状为主,球形度高于辊压机成品,水泥需水性比辊压机成品小,更利于配制半终粉磨或终粉磨系统;立式磨机可以设置为外循环与内循环两种形式,可以实现高水份物料粉磨与烘干,辊压机只能设计为外循环系统,烘干能力有限,难以适应高水份物料;辊压机由于结构简单造价较低,立式磨机由于结构复杂造价较高。

因此,辊压机与立式磨机两种料床粉磨装置各有优缺点,从系统技术指标与节能的角度立式磨机略占优势,从工程造价的角度辊压机略占优势,充分发掘两者的优点,开发结合两者优点的新装备,将有利于料床设备的大型化、低投资化与节能化。

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