除了球磨机之外，越来越多的节能磨机被应用，例如带辊压机的联合粉磨系统或立磨。在世界范围内，水泥生产中含其它成分的水泥的份额在不断增长。它们是除了熟料以外还含有粒化高炉矿渣、石灰石、火山灰和粉煤灰的水泥。实际上建造的新终粉磨设备没有不生产复合水泥的，至少是部分生产复合水泥。尽管如此，因为实际喂入磨机中进行粉磨的物料都有一定的水分，所以在粉磨设备中必须被烘干。总的来说，水泥企业生产最普通的水泥品种其入磨物料水分＜4％。因此在通有热风的三种粉磨系统中都可以烘干入磨物料。这三种粉磨系统总投资费用比较表明，球磨机终粉磨系统总是最便宜的方案，与生产规模无关。立磨是投资最大的系统，而联合粉磨系统居中。高投资可以靠低能耗得到补偿。经济评估已经表明，考虑到不同的电价和利率，节能粉磨系统的投资回收期最早的仅为5年或10年。具体建设何种粉磨系统需要综合考虑所有相关因素之后才能决定，如主要组分的水分和配比、水泥的细度和性能、粉磨系统的产量及现有操作人员的技能。
1 引言
除了熟料和硫酸盐组分以外，含水泥其它组分的水泥的份额，近几年在世界范围内都有所增加。熟料因素，即水泥中水泥熟料所占比例，在2003年全世界约占0.85。预计这种趋势仍会延续。因此，预测到2010年熟料因素仅为0.80。一般而言通过精心控制的方式来使用其它主要组分可以影响所生产的水泥性能。其他主要组分有高炉矿渣、石灰石、粉煤灰和火山灰。
可以采用不同的粉磨系统来制备水泥。除了几十年来大家所熟悉的两仓闭路球磨系统外，由闭路辊压机和后面的闭路球磨机所组成的联合粉磨系统已经应用了约15年。立磨应用于终粉磨系统也已有近10年。在个别情况下也采用其它系统，如水平辊磨。下文以一个熟料工厂为例子，即一个将熟料进一步加工为水泥的水泥厂为例子，考查这三种粉磨系统的适应性和经济效益。在此之前，先对世界范围内生产的水泥品种，特别是欧洲通用的主要品种进行论述，然后再讨论这三种粉磨系统的优缺点。
2 水泥品种
2.1 在世界不同地区的水泥品种
各种水泥品种的应用根据世界地区的不同而不同。表1列出了在欧洲、美国和印度所用水泥品种的百分比。为清晰起见，超越所有的水泥标准，将水泥分成4个主要品种。第一个主要品种是普通硅酸盐水泥(OPC)，即CEMI。第二个主要品种是CEMⅡ。它包括火山灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和石灰石硅酸盐水泥。第三个主要品种是高炉矿渣水泥CEMⅢ。所有其他品种的水泥都包括在第四个品种之中。从表中可以看出，在欧洲和印度由几种主要组分所生产的水泥的应用呈明显上升趋势，后者可考虑作为门槛国家的代表。在美国几乎只使用硅酸盐水泥。下面把考察范围限定在欧洲。出于简化把第四个品种的所有水泥等分到其它3个品种中。
表1 选择的世界不同地区应用水泥品种
|
水泥品种 |
份额/ 地区（国家）[%] |
|
欧洲 |
印度 |
美国 |
|
CEMI-OPC |
32 |
51 |
98 |
|
CEMⅡ—PPC、PSC |
52 |
38 |
1 |
|
CEMⅢ-SC |
5 |
11 |
1 |
|
其它 |
11 |
0 |
0 |
表2给出了欧洲三个品种的水泥在强度等级32.5、42.5、52.5的分配情况。可以这样解释该表，例如55％的硅酸盐水泥必须归到42.5强度等级。将该表数据与表1的数据相乘即得出表3。
从表3中很快就可以明显看出，在数量上最重要的水泥品种是所有3个强度等级的硅酸盐水泥和32.5、42.5强度等级的CEMⅡ水泥。在考虑到表1中其它品种水泥时，它们相应占了82-92％的比例。CEMⅡ是最大的份额，占有60％的比例。
表2 欧洲3个主要水泥品种强度等级的分配
|
水泥品种 |
强度等级比例[%] |
|
32.5 |
42.5 |
52.5 |
|
CEMⅠ-OPC |
15 |
55 |
30 |
|
CEMⅡ-PPC/PSC |
59 |
39 |
2 |
|
CEMⅢ-SC |
50 |
49 |
1 |
表3 欧洲3个主要水泥品种在三个强度等级的百分比
|
水泥品种 |
强度等级比例[%] |
|
32.5 |
42.5 |
52.5 |
|
CEMⅠ-OPC |
5.4 |
19.5 |
10.8 |
|
CEMⅡ-PPC/PSC |
34.5 |
22.8 |
1.2 |
|
CEMⅢ-SC |
2.8 |
2.8 |
0.1 |
2.2 水泥厂的水泥品种与熟料因素
表4示出了3个水泥品种和强度等级中的每一种的最常用的水泥类型，除水泥熟料含量外，还有硫酸盐、石灰石、火山灰、粒化高炉矿渣和假设的勃氏比表面积值。除了熟料和硫酸盐以外，硅酸盐水泥中还含有高达5％的石灰石，CEMⅡ水泥含有高达18％的石灰石或火山灰。考虑到水泥品种的分散性，水泥生产中熟料的比例总计达83％。
对磨机系统进行选型时，水泥主要组分和硫酸盐带入系统的水分大小是很重要的，这些水分必须排出。假设水分含量非常高，硫酸盐的水分达8％，石灰石或火山灰的水分为20％，粒化高炉矿渣的水分为15％，那么喂入磨机物料的综合水分约为0.5％-10％之间。只有在生产高炉矿渣水泥时才会出现大于4％的情况，也就是说对综合水泥厂生产的大多数普通水泥没有烘干的问题。在所有没有预先烘干的粉磨系统中能够通过通入热风烘干水分。
3 磨机类型
3.1 产量和动力需求
配有高效选粉机的闭路双仓球磨系统仍然是应用最广泛的终粉磨系统。设备布置图很简单，如图1。
前些年，在大产量的新生产线上已经安装了所谓的联合粉磨系统。如果现有带球磨机的粉磨系统需要用高能效的途径增加产量，那么联合粉磨系统也是一个不错的选择。
图2显示的情况是，在闭路单仓球磨之前由闭路的辊压机系统进行预粉磨。辊压机和静态选粉机或静动态选粉机组成闭路系统运行。中间产品可以直接喂到装有细磨研磨体级配的球磨机中，也可以喂到球磨系统的选粉机中。
立磨用于终粉磨已有多年(图3)。这种磨机特别适合于粉磨原料中水分含量比较高的复合水泥。在这种情况下为了避免粘结，不仅磨机，而且循环提升机和喂料斜槽都需要加热。
表4 组成、细度和入料水分
|
水泥品种 |
强度等级 |
熟料
[M.-%] |
硫酸盐介质
[M.-%] |
石灰石/火山灰
[M.-%] |
磨细的高炉矿渣[M.-%] |
勃氏比表面积
cm2/g |
喂料水分
[%] |
|
CEMⅠ |
32.5 |
90 |
5 |
5 |
0 |
300O |
1.4 |
|
42.5 |
90 |
5 |
5 |
0 |
3800 |
1.4 |
|
52.5 |
95 |
5 |
0 |
0 |
4600 |
0.4 |
|
CEMⅡ/A-L |
32.5 |
77 |
5 |
18 |
0 |
3300 |
4.0 |
|
42.5 |
79 |
5 |
16 |
0 |
4120 |
3.6 |
|
52.5 |
83 |
5 |
12 |
O |
5050 |
2.8 |
|
CEMⅢ/A |
32.5 |
30 |
5 |
0 |
65 |
300O |
10.2 |
|
42.5 |
35 |
5 |
0 |
60 |
3800 |
9.4 |
|
52.5 |
45 |
5 |
0 |
50 |
4600 |
7.9 |
3.2 不同磨机类型的优缺点
表5以注解的形式列出了三种粉磨系统的优缺点对比情况。球磨机系统、联合粉磨系统和立磨系统都成功地用于工业生产。如果它们相应地得到维护，这三种系统的运转率都很高。
球磨机系统的维护较容易。球磨机制备的水泥的质量是客户所了解且接受的。它的投资费用在三个系统之中是最低的，这些将会在后面显示出来。尽管如此，球磨机粉磨系统是不太灵活的。也就是说从一个水泥品种转换到另一个水泥品种的时间较长。另外，实际上球磨机只能为一种水泥品种进行优化，这是第一仓和两仓研磨体级配的一个问题。在不设烘干仓的球磨机中入磨物料的水分被限制到最大为4％，不需要额外的烘干室。与其它粉磨系统相比，一般人所共知该系统的单位能消耗与其它粉磨系统相比是最高的。
与球磨系统相比，联合粉磨系统，即辊压机作为预磨、球磨机作为细磨，则明显要灵活的多，能够生产的水泥品种范围宽，转换时间也短。水泥质量和球磨系统生产的一样被市场认可。生产的单位能耗明显低于球磨机系统。制备普通水泥时系统产量可达到300t/h以上是没有任何问题的。设备总体布置较复杂，设备较多是它的不足。因此投资费用较高。维护方面，尤其是辊压机要比球磨机复杂得多。
已经提到过，立磨是最适合在粉磨过程中对入磨物料进行烘干。入磨物料的水分可以高达20％，是三种粉磨系统中单位能耗最低的系统。基于这两个原因，该系统成了市场上粉磨粒化高炉矿渣的领先的粉磨系统。然而与球磨机系统和联合粉磨系统相比，缺点是投资较高。在其它方面，要想达到高于4500cm2／g 勃氏比表面积的产品细度是很困难的，或是根本不可能的。此外，硅酸盐水泥的生产一般要求加入水或是助磨剂来稳定料床。水分会降低水泥的强度，采用助磨剂至少增加了生产成本。
立磨生产的水泥质量还没有被所有的市场或让所有用户所接受。特别是与球磨机相比，采用相同的起始物料组分，立磨生产的水泥凝结时间较长。
3.3 市场份额
图4示出了在2004年和2005年世界范围内不同终粉磨系统的市场份额。中国市场没有考虑在内，因为市场准入对于西方投标人是非常受限制的。在上述期间，约有130条终粉磨系统由知名的供应商售出。很明显，出售的终粉磨系统中几乎有一半是带选粉机的两仓球磨机系统。已经售出的粉磨系统中11％是联合粉磨系统。然而由于通常的高产量，与产能相关的部分明显提高，即全部新系统中有59％都配置了球磨机。此外，还有5％是原有球磨机系统，其产能通过前置闭路辊压机系统得到增加，也就是说已售粉磨系统中的16％配置厂辊压机。立磨占据接近1／3的市场份额，也是很大的份额。
表5 三种粉磨系统的优缺点
|
球磨机 |
联合粉磨系统 |
立磨 |
|
+技术成熟
+维护相对简单
+水泥质量市场认可
+投资最低
-灵活性最弱
-烘干能力低
-能耗最高 |
+技术成熟
+灵活性高
+水泥质量市场认可
+低能耗费用
+可达到高产量
—流程复杂
—投资较高
—维护较复杂 |
+技术成熟
+烘干能力强
+能耗最低
+引领市场上粒化高炉矿渣的粉崖
—投资较高
—不可能达到较高的水泥细度
—水泥质量未被每个地方所认可 |
4 投资比较
三种粉磨系统投资的综合比较包括了熟料1000t／d、3000t／d、5000t／d、7000t /d、10000t/d、12000t /d、15000t／d的系统。终粉磨系统的运行时间设定成每周7天，每天20小时。熟料因素假没是0.83，原因已经解释过。因此，5000t／d的窑的生产规模相当于300t／h的水泥产量，而15000t /d的规模相当于900t／h的水泥产量(图5)。、在这种情况下用球磨机生产时，其主轴动力需求对于5000t/d的为大于9000kW，而对于15000t/d的为大约28000kW。
对比的前提条件
（1）如果已达到相应设备系列的最高产能，才使用两个或两个以上的粉磨系统
（2）对于使用球磨机的粉磨系统，用仪表测量，粉磨水泥品种CEMⅠ和CEMⅡ所需要的单位能耗平均值达到35kWh／t。
（3）下面是采用的简称含义：
ZemSi：与图1对应的闭路球磨系统
Kombi：与图2对应的联合粉磨系统
RMZ：与图3对应的辊磨或立磨系统
表6 不同的熟料产量和粉磨系统所需要的粉磨系统的数量
|
熟料产量(t/d) |
闭路球磨 |
联合粉磨 |
立磨 |
|
1000 |
1条 |
1条 |
1条 |
|
3000 |
1条 |
1条 |
1条 |
|
5000 |
1条 |
1条 |
2条 |
|
7000 |
2条 |
2条 |
2条 |
|
10000 |
2条 |
2条 |
3条 |
|
12000 |
3条 |
2条 |
4条 |
|
15000 |
3条 |
3条 |
4条 |
|
|
表6示出，尽管大直径的单台5.8m×l5.6m球磨机，或一套联合粉磨系统可以满足5000t／d熟料的
终粉磨，然而采用立磨则需要两台。对于熟料15000t／d的生产规模，则需要3台这样的球磨机或3套联
合粉磨系统，但是采用立磨就需要4台。
4.1 核心设备的投资
图6示出了核心设备的相关投资，即所有系统规格所对应的磨机和选粉机的相关投资。把5000t／d熟料的生产规模所对应的球磨机系统投资额人为地假设为100％。第一眼就可以看到所有曲线实际上呈线性倾斜，即投资是随窑产量的增加而增加的。正像已经提到的，球磨机系统设备最便宜，联合粉磨系统稍微贵一点，立磨是最贵的。由于模型呈不同的阶跃变化并转换到多级粉磨系统中去，偏离于线性特征模式是不可避免的。
4.2 总投资
对于运营商来说，他们更感兴趣的是新粉磨系统总的建造费用。为了确定和比较这些费用，必须提出下列进一步的假设：
（1）总投资的估算是基于电气设备、安装和试车及结构和土木工程的附加费用的粗略计算基础上的。
（2）建筑工程的费用很大程度上取决于地理位置和当地的情况。此次比较所选择的位置是在欧洲。
（3）为了保护环境和抑制噪声，假设磨机房建筑是完全封闭的。
(4) 土建由当地的承包商进行。
图7示出了按工厂规模使用立磨的粉磨系统和联合粉磨系统的总投资相对于使用球磨机的粉磨系统所占的百分比。很显然，联合粉磨系统比球磨机粉磨系统的投资一般高25％左右。立磨则是球磨系统的130％左右。然而有明显高的总投资值，例如对于5000t／d和12000t／d规模的情况。模型的阶跃变化影响到一个或两个节能粉磨系统是经常出现的情况。
4.3 能量费用和经济评估
就投资来说，单凭投资额还不足以作出决定。因为联合粉磨系统和立磨系统比球磨机系统的能量利用率高，较高的投资额可以由较低的能耗得到补偿。为了进行经济评估的比较，必须提出下面的附加设想：
（1）假设球磨机系统的单位能耗平均值约为35kWh／t，联合粉磨系统是28kWh／t，立磨系统是26.5kWh／t。这适用于考查的所有水泥品种。
（2）计算偿还期是基于下列电价：每度电0.035欧元、0.05欧元和0.100欧元
（3）投资的利率以0.5％和10％为一级进行变动。
图8示出与球磨机系统相比，不同熟料产量下联合粉磨系统和立磨系统的偿还期，凑整到整年，以每度电0.1欧元的电价计算。可以看出，如果不考虑利率，两种粉磨系统的偿还期都是5年以后，立磨系统表现得稍为有利。如果考虑有5％的利率，则平均偿还期已经到约7年；如果是10％利率则平均9年且最高可达15年以上。
图9示出了每度电价为0.035欧元所对应的结果。显然节能粉磨系统最早的偿还期约在10年以后。如果利率增加到10％，偿还期就要高于15年。
5 结论
经济评估已经表明，在每度电价高于0.05欧元时，使用节能终粉磨系统具有经济意义。只有在这些条件和考虑利率的情况下，偿还期将在5-10年之间。为此，球磨机系统尽管能耗较高，但由于它投资相对较低，仍具有吸引力，尤其是在粉磨少数熟料以外其他主要组分比例很低的水泥品种时更是如此。
联合粉磨系统很好地兼顾了CEMⅠ和CEMⅡ水泥品种的生产。磨机保证了粉磨品种的快速转换，能量利用率高且很适于烘干主要组分中的水分。联合粉磨系统和球磨系统能可靠生产很细的水泥。粉磨很湿的物料时立磨是最好的系统，即粉磨粒化高炉矿渣或粒化高炉矿渣掺量大于50％的矿渣水泥或是粉磨大掺量火山灰的水泥。立磨不太适合于很细的硅酸盐水泥的制备，因为磨机的运行平稳性会降低，生产勃氏比表面积4500em2／g以上细度的水泥是很困难的。
适宜的粉磨系统的选择取决于很多因素。最重要的几条如下：
（1）将生产什么品种的水泥?
一一除熟料之外其它主要组分的含量；
一一入磨物料的综合水分(必须烘干吗？)；
一一入磨物料的易磨性；
一一水泥细度(很细的品种要求使用球磨机)；
一一水泥性能，最重要的是加工性能、和易性；
一一最终用户的特殊要求。
（2）期望的系统产量也是一个决定性因素。对于产量非常大的情况应采用联合粉磨系统。小粉磨系统，例如制备产量低于60t／h的普通水泥，采用球磨机就很有利。
（3）终粉磨系统的收益能力受当地能源价格的影响很大，所以建议每位工厂运营商都要进行经济比较。
（4）粉磨系统的运转率受操作维修人员水平的影响很大。在大部分工业化国家都有足够的合格操作维修人员，但许多发展中国家远达不到这个水平。球磨机对人员的操作水平的要求最低。
最后必须说的是，如果针对每一个具体情况，上述所有各点都考虑到了，才有可能对赞成还是反对使用一种粉磨系统作出根据充分的决定。
参考文献
[1] Report “Cement Substitutes 2010"．OneStne Intelligence GmbH，Buxthude 2004．
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）