大型超細粉磨工藝裝備技術的應用

張傳仁 徐興國 王澤浚 楊道連

(1.淄博市傳統產業發展中心;2.中材淄博重型機械有限公司,山東 淄博 255000)

我國是水泥生產大國，據統計，2020年水泥產量23.8億t，水泥熟料產量15.79億t，碳排放總量約13.2億t，占到我國碳排放總量的13%以上。水泥行業每年消耗大量的優質石灰石資源，為實現水泥行業高質量發展，保護資源、減少浪費，減少水泥熟料用量，在水泥行業全面貫徹綠色發展行動的同時，整合資源充分利用工業固廢及建筑垃圾生產高性能水泥及高性能水泥摻合料有著很好的社會效益與經濟效益。另外，我國還是能源、鋼鐵和建筑發展中的大國，每年產生的固廢量大，除占用大量土地外還造成環境污染及存在較大的安全隱患。據統計每年約產生粉煤灰6億t左右、礦渣2億t左右、鋼渣1.5億t左右、工業副產石膏2億t左右、煤矸石8億t左右、建筑垃圾20～30億t、赤泥上億t。水泥行業是消解固廢的第一大行業，雖然目前水泥及混凝土行業消化了大量的固廢，但利用現有技術和途徑無法將固廢利用水平進一步提升，特別是在節能減排方面難以實現新的突破。

中材淄博重型機械有限公司建企50多年來，一直致力于各類粉磨工藝裝備技術的研究與應用。通過近30年的多方合作研究，用超細粉磨單一或多種工業廢渣及建筑垃圾工藝，工業化生產出了低碳環保高性能水泥或高性能水泥參合料。其顯著特征：一是噸水泥二氧化碳排放低于400kg，比傳統噸硅酸鹽水泥二氧化碳排放降低50%以上；二是噸水泥工業廢渣使用量大于500kg，噸水泥綜合能耗降低30%以上，噸水泥石灰石使用量降低50%以上；三是施工性滿足自流平砼要求，耐久性成倍提高，水泥膠砂標準流動度需水量比小于0.3，3d抗壓強度大于60MPa，28d抗壓強度大于100MPa。該工藝技術拓寬了工業廢渣及建筑垃圾的應用范圍，開創了超細粉磨設備制造、工業固廢超細粉磨、自流平砼施工、高強高性能裝配式建筑、冶金行業固廢、燃煤電廠固廢等新的產業。

目前水泥行業產能過剩，多數企業粉磨設備閑置率都很高。但大多數中小型水泥生產企業整體生產技術水平偏低，裝備落后，在現有條件下，通過對現有水泥粉磨系統進行超細粉磨工藝技術改造，提高水泥的粉磨細度，改善水泥的顆粒級配，以滿足特種水泥、超細水泥，高細摻合料等高附加值多品種水泥的市場需求，是企業擴大水泥市場范圍，降低生產成本，提高經濟效益的良好選擇。

在國家倡導實施碳達峰和碳中和的大背景下，水泥行業如何實現綠色發展和高質量，成為行業面臨的重大課題。水泥企業利用工業廢渣及建筑垃圾來生產高性能水泥及高性能水泥摻合料不失為一條實現突破的有效途徑，具有深遠的現實意義。利用超細粉磨技術，將這些廢料磨細，提高其活性，做為高性能混合材摻入到水泥中，可提高水泥的強度和改善水泥的性能，將其變廢為寶，既能實現資源綜合利用和循環經濟發展，又能促進水泥行業可持續健康發展。

對超細水泥的研究表明，水泥的細度越來越細，水化越快，單位熟料的效率越高，用量越少，質量越來越高；為了避免混凝土早期開裂，每方混凝土的水泥用量會越來越少，混凝土摻合料的用量會越來越大。據測定, 當比表面積為300m2/kg時,水泥利用率為40%左右; 比表面積為700m2/kg時,利用率為80%左右; 比表面積為1 000m2/kg時,利用率為95%左右。從測試數據可知, 超細水泥的利用率比普通水泥高約1倍。現有的混凝土，里面至少有1/3的熟料沒有水化；利用超細粉磨技術，可以把現有的水泥產量減少一半以上，質量提高一倍以上。這從理論技術方面為實現水泥工業質量和效率增長指明了方向。

目前超細摻合料的生產工藝主要是通過開路超細磨進行生產，對產品質量要求不高，細度一般控制R45μm≤0.5%；產品比表面積控制范圍一般在550m2/kg～700m2/kg；由于采用開路磨生產工藝，無法在保持系統高產量的前提下生產出>800m2/kg的高性能摻合料。因此，開路生產的摻合料僅具有普通摻合料的性能，在混凝土中添加量受限。為適應各種工業廢渣的高性能應用，需要對設備的大型化及如何實現規模化生產比表面積>800m2/kg超細摻合料的相關問題進行深入研究。近幾年，我們直接在工業化生產中對工業廢渣進行了超細粉磨，專門設計了與球磨機配套的新型高效超細選粉機，已經成功應用于各類工業廢渣的超細粉磨中。根據各種工業廢渣的特殊性質，我們分別設置了專門的工藝流程方案，建立了多套能夠專門進行工業廢渣超細加工的工業化中試生產線，所獲取的實驗數據及成果，足以對今后規模化工業生產起到指導作用。

綜上所述，國內外建材行業對各類工業廢渣及建筑垃圾的超細粉應用需求量大增，單機大產量、高細度的粉磨設備有著很好的市場需求。中材淄博重型機械有限公司抓住這一機遇，開發出了適應市場的大型超細粉磨工藝裝備技術并大力推廣應用。

1 大型超細粉磨工藝裝備技術的應用

1.1 項目介紹

2019年初，山東某公司擬將其閑置的一條水泥粉磨生產線進行改造，利用鋼鐵企業生產中產生的礦渣、鋼渣及爐渣進行超細粉磨深加工，作為高細摻合料加入水泥，提高水泥強度，改善水泥品質，同時提升企業銷售利潤。中材淄博重型機械有限公司根據其現有磨機、選粉機及其收塵設備布置情況，通過實地考察測量、分析計算，設計出了由ZCX1600超細選粉機代替原O-SEPA N1000選粉機和對磨機結構進行適應超細研磨分選的技術改造的方案，用以進行超細粉粉磨分選：原料粉從原料倉通過計量給料機喂入MB30110球磨機，入磨原料粉細度400m2/kg, 經過磨機研磨后的物料，通過氣力輸送從選粉機底部進入選粉機，經選粉機分選后合格超細粉被收塵器收集下來后，輸送入成品倉；不合格粗粉由選粉機底部返回磨機，再重新研磨。改造工藝流程見圖1。

圖1 改造工藝流程圖

1.2 磨機改造

超細球磨機具有獨特的超細研磨及料球分離功能，配套大型超細選粉機使用，利用各種工業固廢可規模化生產微納米復合超細粉產品。產品具有高細度、高活性、低需水量比等優異性能，是一種高性能的水泥混合材和混凝土摻合料，可以完全代替S95礦粉或部分代替水泥，顯著降低水泥和混凝土生產成本，提高質量，為助力水泥粉磨站轉型升級，實現碳達峰、碳中和與引領固廢產業綠色協同發展提供了堅實有效的途徑。

原有磨機規格為MB30110，采用超細球磨機專有技術進行改造后，磨機具有以下特點。

(1)靠控制磨內風速控制磨機出料速度，磨內風速調整范圍0.5m/s～5m/s。(2)采用高強耐磨襯板，提高使用壽命。(3)采用低阻防堵耐磨隔倉板及出料倉篦板，有效降低磨機運行阻力。(4)磨內裝置篦縫全部采用精密加工而成，出磨物料細度控制準確。(5)新型活化襯板有效提高研磨體全部參與運動做功，提升研磨效果。(6)合理選擇磨內工藝參數并采用微型研磨介質研磨，提高磨機的細磨能力。(7)獨特的出料裝置， 能夠及時導出合格細粉， 將不合格粗粉及時送回磨內。 出磨物料20%靠氣流帶走， 80%靠磨外管道風掃輸送喂料。 磨機結構見圖2。

1.襯板;2.隔倉板;3.活化襯板;4.微型研磨介質；5.擋圈;6.出料篦板;7.出料裝置。圖2 磨機

1.3 超細選粉機

超細選粉機是大型超細粉磨工藝裝備中的核心設備，其具有獨特的結構性能，適應范圍廣，可用于粉磨系統各種物料的分選，產品的細度調整范圍寬，細度調節靈活方便，顆粒級配合理，產品性能好，經ZCX系列超細高效選粉機分選的物料可實現D97<10μm，其比表面積可以在800m2/kg～1500m2/kg之間任意靈活調整，既可以生產超細礦粉，超細粉煤灰，超細鋼渣粉等各種高細摻合料，又可生產各種標號的水泥，可滿足水泥粉磨系統技術改造需要。ZCX型超細選粉機外形結構見圖3。

圖3 ZCX型超細選粉機

超細選粉機規格：ZCX1600，額定風量60 000m3/h，分選細度800m2/kg～1 500m2/kg任意可調。

1.3.1 分選原理

從磨機出來的物料通過下殼體內筒9被負壓氣體帶到中殼體7底部時，物料與導流錐6底部碰撞后向四周分流，其中一部分顆粒落入調風蝸殼8內，被調風蝸殼8內形成的自由渦流進一步分選，細顆粒上升入分選區進一步分選，粗顆粒落入下殼體10經下料鎖風閥11排出返回磨機；另一部分顆粒與導流錐碰撞后隨氣流繼續上升，經中殼體7和導流錐6形成的環狀通道，進入上殼體5內，通過轉子4進行分級，符合要求的細粉成品經過轉子隨著氣流通過細粉出管2，進入收塵器收集下來，不符合要求的顆粒粉被葉輪甩出后，因重力作用沿上殼體5內壁下落，最終落到下料鎖風閥12卸出并返回磨機。選粉機結構見圖4。

1.3.2 結構創新點

(1)采用單葉輪大型超細選粉機轉子結構，單機處理能力大。(2)采用大型超細選粉機專利動靜葉片技術，分級效率高，運行阻力低。(3)采用一種低旁路值的雙重密封結構，可達到實現分選比表面積800m2/kg～1 500m2/kg的超細粉的使用要求。(4)轉子采用變頻調速，通過改變轉子轉速，實現成品細度D97從5μm到150μm任意控制可調。(5)設計調風蝸殼部件，可平衡選粉機風量與磨機所需風量大小，實現氣流均衡。(6)采用CFD模擬分析，指導對選粉機結構進行優化設計。(7)選粉機內部構件均采用耐磨材料防護處理，延長整機使用壽命。

1.4 袋收塵器

主要特點如下。

(1)采用防粉塵二次吸附設計，避免清灰不徹底，超細粉二次吸附到過濾袋上。

(2)采用降阻結構設計，延長濾袋使用壽命。

1.驅動裝置；2.細粉出管；3.支架；4.轉子；5.上殼體；6.導流錐；7.中殼體；8. 調風蝸殼；9.內筒；10.下殼體；11.下料鎖風閥。圖4 ZCX1600超細選粉機結構圖

1.5 料封泵

料封泵，特別適應超細微粉遠距離多點輸送，本粉體低壓空氣輸送系統是機械輸送系統投資、運行費用1/3以下，電耗和機械系統相當，幾乎是零故障。

1.6 無動力均化庫

無動力均化庫，解決了全世界水泥廠中微粉難以均化和計量的難題，以極少動力實現了一庫儲存、均化、進出有序、穩定計量。

2 改造效果(圖5，6)

經過前期的順利改造、安裝、調試及空試車，于2019年6月，這條超細礦渣粉生產線正式投產(見圖5)，目前運行穩定。ZCX1600超細選粉機可實現臺時超細礦渣粉產量16t/h～20t/h，其中：產品細度D90=8.66um時，產量16t/h；產品細度D90=11.53um時，產量20t/h；產品細度D97=10um時，產量12t/h，比表面積為1 511m2/kg。產品實際數據和性能滿足了客戶的預期改造生產要求。

另外，我們采用類似的工藝流程方案，在粉煤灰與鋼渣的工業化超細微粉加工中試生產中獲取了大量的實驗成果，對今后超細微粉的規模化工業生產將起到指導作用。

圖5 ZCX1600超細選粉機現場照片

圖6 粒度分析表

山東某公司采用我公司設計生產的Φ3.5m超細磨和配套新型專利超細選粉機生產超細粉煤灰。成品細度調節靈敏，運行產量為45t/h～75t/h,比表面積控制700m2/kg～1 000m2/kg，達產幅度118%～136%；與其它公司同規格磨機系統相比，系統電耗降幅14.2%～21.6%。

山東某公司超細鋼渣粉項目，采用我公司設計制造的上喂料NU2500改進型超細選粉機，當成品比表面積750m2/kg時，產量75t/h，當成品比表面積650m2/kg時，產量90t/h。

3 效益分析

3.1 經濟效益

投資回收期，改造小于1年，新建小于3年。

(1)本項目是工業廢渣綜合利用項目，粉煤灰、鋼渣、煤矸石脫硫石膏等摻加量大于30%，3年內全免增值稅、所得稅，此項減稅20～30元/t，僅此一項，技術改造一年可以回收投資，新建廠3年可以全部回收投資。

(2)本項目采用專利技術變工業廢渣(包括火山灰、燒粘土、石灰石等)綜合功能優于水泥熟料，減去增加成本后，每噸產品降低成本60～200元，僅此一項，技術改造時當年回收全部投資，新建廠2年內回收全部投資。

(3)本項目是專利產品，質量特別好，能夠根據砼用戶要求，方便的配制各類特種砼例如，海工砼、高等級道路砼、低熱砼等等，此類產品在市場上一般是傳統水泥價格1.2倍左右，此項能為水泥廠保留巨大利潤空間。

(4)本項目是顛覆性創新技術，不但從物理、化學性能上解決了砼施工性、耐久性難題，特別是：高性能環保水泥、高性能微粉配制高性能砼飽合點單方用水量減少20kg～40kg，相當于高性能砼強度可以提高20MPa～40MPa，此項是高性能環保水泥、高性能微粉具有巨大利潤空間的重要原因。

3.2 社會、環保效益

本項目的顛覆性創新技術能夠創造新的行業，社會、環保效益特別巨大，能夠使水泥行業從人們概念中的重污染行業變為對環境最友好的環保行業，每年能夠綜合利用冶金行業、火電行業、煤炭行業、建筑垃圾處理行業的各類工業廢渣超十億t，減排二氧化碳超10億t，節約能耗超億t標煤。材料改性帶來質的飛躍，必然導致人類生存空間較大的拓展，能夠獲得無法預見的社會進步，推動我國固廢處理行業循環經濟和綠色高質量發展。

山東省《落實“三個堅決”行動方案》(2021—2022年)，到2022年，直徑3.2m及以下水泥磨機全部整合退出，涉及水泥粉磨企業182家。如果將工藝條件較好的部分水泥粉磨生產線利用超細粉磨工藝裝備技術改造成固廢處置生產工藝，即實現了資源的合理利用，又促進了企業的結構調整和轉型升級，是一件利國利民的大好事，從而實現經濟效益和社會效益雙豐收。

以上是部分固廢的利用情況，下一步將與有關企業和院校合作開展赤泥、鋼渣、建筑垃圾等領域的研究和試驗，力爭在固廢處置和資源化利用方面取得新突破，用我們的努力回報社會。