大規格生料輥壓機終粉磨系統的工業應用

石國平，秦中華，王明治，柴星騰，李銘哲

1 研究背景

上世紀80年代，天津水泥工業設計研究院有限公司（以下簡稱天津水泥院）即開始了輥壓機的研發工作，三十多年來，天津水泥院始終走在技術創新的前沿，引領著國產輥壓機技術裝備的發展。天津水泥院研發的輥壓機除用于傳統的水泥生料、水泥粉磨外，還可用于礦渣、鋼渣、鐵礦石等物料的粉磨。多年來，天津水泥院在輥壓機研發方面取得了不菲的成績：2004年，首套國產水泥輥壓機聯合粉磨系統投產；2013年，國內用于水泥生料終粉磨的最大規格輥壓機TRP220-160投入運行；2017年，國內首臺年產60萬噸的鋼渣/礦渣輥壓機終粉磨系統投產；2018年，率先在國內實現水泥輥壓機終粉磨系統的工業化應用。

目前在生料粉磨工藝中，生料輥壓機終粉磨系統的單位能耗最低。在生料易磨性和控制指標相同的條件下，已投產的生料輥壓機終粉磨系統的單位產品電耗比輥磨低3～4kW·h/t，比球磨機低8～10kW·h/t。近十年來，生料輥壓機終粉磨技術已成為水泥行業新建或改造項目的首選方案。

為進一步降低生料輥壓機終粉磨的系統電耗，天津水泥院對生料輥壓機終粉磨系統的節能性進行了持續技術挖掘。本文重點介紹了天津水泥院最新研發的節能技術及其工業化應用情況，對比了不同時期投產的生料輥壓機終粉磨系統的運行情況，詳細分析了系統能耗降低的原因，并提出了生料輥壓機終粉磨系統未來發展的方向。

2 生料輥壓機終粉磨系統的工藝特點

新喂物料由皮帶輸送機直接送入V型選粉機，出輥壓機物料由提升機送入V型選粉機；物料在V型選粉機內分選和烘干后，粗顆粒物料由另一臺提升機送入輥壓機上面的荷重小倉，繼而進入輥壓機被輥壓粉磨；較細物料由風帶入高效選粉機再次被風選，經高效選粉機分選后，合格的成品由風帶入旋風收塵器收集送入成品庫，未達到成品要求的粗粉重新回到荷重小倉，再次進入輥壓機粉磨。生料輥壓機終粉磨系統的工藝流程如圖1所示。

圖1 生料輥壓機終粉磨系統的工藝流程

新研發的生料輥壓機終粉磨系統的工藝特點如下：

（1）采用雙提升機方案，輥壓機布置在地面上，便于輥壓機設備的檢修與維護。與單提升機方案相比，采用雙提升機可有效降低廠房高度，降低了提升機的提升高度。

（2）布置新喂料和循環料兩道除鐵系統。可確保大塊金屬無法進入輥壓機擠壓區，有效保護柱釘輥面，提高輥壓機運行可靠性，降低系統維護成本和運行電耗。

（3）針對不同水泥廠原料的特性，開發了多種形式的喂料裝置，提高了輥壓機對原料的適應性和擠壓效果，降低了系統電耗。即使原料為粒度100%＜5mm的骨料碎屑，輥壓機也能穩定運行。

（4）采用組合式選粉機，可有效控制200μm篩篩余，改善生料質量。同時，可滿足對高水分原料的烘干要求。

3 大規格生料輥壓機終粉磨系統的研發

大規格生料輥壓機終粉磨系統主要由大規格生料輥壓機、新型組合式選粉機、低壓高效旋風筒及高能效風機等組成。

3.1 大規格生料輥壓機

為滿足5 000t/d級水泥熟料生產線配套的需要，2011年天津水泥院率先研發了TRP220-160大型生料輥壓機，裝機功率為2×2 000kW 和2×2 240kW，是當時國內水泥行業規格最大的輥壓機。該輥壓機具有以下特點：

（1）大規格的輥壓機輥子采用了分體輥套式結構，耐磨輥面采用了新型堆焊工藝和硬質合金制造，大幅提高了輥子的使用壽命，極大降低了運行成本。輥子輥套式結構和輥面形式如圖2所示。粉磨中等磨蝕性物料時，鑲嵌硬質合金柱釘的輥壓機輥面的使用壽命可達到30 000h以上。

圖2 輥子輥套式結構和輥面形式

（2）輥子支承主要由軸承座及軸承組成。其中，固定輥軸承座采用與機架直接相聯的專有技術，提高了設備的整體剛度，使設備振動大幅降低。活動輥軸承座采用浮動結構，運轉中輥子與軸承座整體偏斜，解決了軸承密封問題，有效提高了軸承使用壽命。輥子支承結構如圖3所示。軸承座與油缸接觸面采用鉸接連接，很好地解決了由于軸承座偏斜而加大的對油缸的不均勻磨損問題，使油缸的使用壽命增加了一倍。軸承采用四列圓柱滾子軸承，與調心滾子軸承相比，具有承載力高、使用壽命長及密封性能好等優點；與雙列調心滾子軸承相比，使用壽命提高數倍。

圖3 輥子支承結構示意圖

（3）采用可靠的多向自調節扭矩支承裝置，將扭轉力矩傳遞給基礎，輥壓機運行更加平穩。輥子扭矩支承裝置如圖4所示。

圖4 輥子扭矩支承裝置

（4）采用先進的液壓系統、自動化控制系統，可靠性不斷提高，故障率降低。與專業液壓系統制造企業合作，德國力士樂公司提供技術支持，關鍵部件采用國際知名公司產品，確保高度集成化的液壓系統的高可靠性。液壓系統的每一根油管均由天津水泥院提供，安裝簡便，無須再對液壓系統進行沖洗；極少的管路接頭設計，保證了系統無泄漏；大直徑液壓油缸采用進口密封件及專有技術，使用壽命更長。

（5）輥壓機采用半直驅的永磁電機，可使減速機輸入端的轉速降低至300～400r/min，輥壓機運行更加平穩，可取消減速機潤滑的水冷工序。

3.2 新型組合式選粉機

選粉機是生料粉磨系統中重要的輔機設備之一，其分選效率直接影響系統運行的穩定性及性能指標。為提高選粉設備的分選效率，降低生料粉磨系統運行電耗，針對生料終粉磨的特點，天津水泥院研發了一款新型組合式選粉機，如圖5所示，其工藝特點如下：

圖5 組合式選粉機

（1）取消了傳統動態選粉機與靜態選粉機之間的連接風管，物料提升高度減少，設備阻力損失及風機運行電耗降低。組合式選粉機的實際平均運行阻力為2 500～3 000Pa（含動態與靜態部分），與傳統分體式選粉機相比，阻力降低了500Pa以上。

（2）優化了CFD流場，使用了更加可靠的組合式密封，能夠有效控制200μm篩篩余，改善生料易燒性，進而降低燒成系統的標煤耗。

（3）采用了新型后傾式轉子葉片，有效降低了轉子旋轉阻力。與其他同規格轉子相比，選粉機運行功率可降低5%～10%。

（4）組合式選粉機靜態部分的扁平化設計，使設備整體布置更為緊湊，設備高度及系統框架結構高度均有所降低，節省了土建投資費用。

（5）采用永磁同步電機驅動，既降低了選粉機電耗，又便于運行維護。

3.3 低阻高效旋風筒及高能效風機

為進一步降低整個生料粉磨系統的通風阻力，天津水泥院對旋風筒的結構和系統管路工藝進行了優化設計，并結合優化高效、低阻選粉設備結構，使生料輥壓機終粉磨系統的通風阻力大幅降低，循環風機的實際運行功率也大幅度降低。

另外，新研發的生料輥壓機終粉磨系統采用了效率更高的循環風機，標定結果顯示，循環風機的效率由以前的70%左右提高到82%以上，循環風機的電耗進一步降低。

4 輥壓機單機及系統的智能化控制

隨著信息化技術和數字化技術的發展，在現有生產工藝和設備基礎上，將信息化技術、智能化技術以及人工智能技術嵌入整個水泥制造過程，提升產品品質和生產效率，降低水泥生產成本，推進水泥生產的數字化、信息化，成為近期業內關注的熱點。針對生料輥壓機終粉磨系統特性，天津水泥院采用非線性模型預測控制技術，結合歷史數據建立的神經網絡模型，很好地處理了喂料量與成品細度的關系——選粉機粗粉返回值和進料返回值的非線性增益，有效地解決了粉磨過程的智能控制，進一步降低了粉磨系統電耗。生料磨系統控制模塊變量關系如圖6所示。

圖6 生料磨系統控制模塊變量關系圖

輥壓機智能化監測方案如圖7所示。通過對溫度、振動等參數進行實時監測，可以預測關鍵部件的工作狀態，實現計劃維護。

圖7 輥壓機設備的智能化監測方案

5 工業應用案例

從2011年第一套TRP生料輥壓機終粉磨系統投產運行至2020年底，天津水泥院已經投入運行的TRP生料輥壓機終粉磨系統共約80套。其中，輥子直徑＞2 000mm的大規格生料輥壓機30臺套，占總量的37.5%。經統計，生料系統電耗平均為12.0kW·h/t，最低僅為9.1kW·h/t，單套系統產量最高達650t/h。

表1是天津水泥院投產的部分配套5 000～6 500t/d水泥熟料生產線的大規格生料輥壓機終粉磨系統運行指標。

表1 部分5 000～6 500t/d水泥熟料生產線的大規格生料輥壓機終粉磨系統運行指標

對比表1數據可以發現，合同簽訂時間在2019年以后的粉磨系統，其電耗普遍較低，對此貢獻最大的是循環風機電耗的明顯下降。于2020年末及2021年初投產的CSNF、SMNF等大型生料粉磨系統，其系統電耗均在11kW·h/t左右，尤其是循環風機電耗，最高≯2.6kW·h/t。這主要源于兩個方面：其一，通過精準選型配置，采用效率更高的循環風機，風機效率從70%左右提高到82%以上，按照風機效率提高10%估算，其對電耗降低的貢獻為0.35～0.4kW·h/t；其二，通過對選粉機、旋風筒等設備的結構優化，以及系統管路的設計優化，大幅度降低了整個生料粉磨系統的通風阻力，循環風機的實際運行功率也大幅降低，其對電耗降低的貢獻約為1.0kW·h/t。

6 經濟效益分析

根據對粉磨系統實際運行數據的統計分析，由天津水泥院研發并已投產的生料輥壓機終粉磨系統的平均系統電耗為12.0kW·h/t，先進系統電耗指標為9.1kW·h/t。部分生料輥壓機終粉磨系統的電耗指標如圖8所示。

圖8 部分生料輥壓機終粉磨系統的電耗指標

與國內其他公司生料輥壓機終粉磨系統相比，天津水泥院采用最新節能技術的生料輥壓機終粉磨系統具有明顯節能效果，每噸生料可節約電能1kW·h，折合到每噸熟料可節電1.5～1.6kW·h。以5 000t/d水泥熟料生產線為例，采用天津水泥院的生料輥壓機系統，年節電約25×104kW·h，年節約電費約15萬元，經濟效益顯著。

若采用天津水泥院最新研發的生料輥壓機終粉磨系統技術改造原有球磨機系統，則每噸生料可節電約10kW·h，折合到每噸熟料可節電約15～16kW·h。以5 000t/d水泥熟料生產線為例，采用天津水泥院的生料輥壓機系統，年節電約250×104kW·h，年節約電費約150萬元，經濟效益更為顯著。

7 結語

天津水泥院在輥壓機、選粉機以及單機和系統的智能化等多方面實現了技術突破，與五年前相比，系統電耗降低10%以上，系統可靠性進一步提高。未來，天津水泥院將繼續沿著生料輥壓機終粉磨系統技術更加節能、更加可靠、更加智能化的方向不斷前進。■