石國平，秦中華，王明治，柴星騰，李銘哲

1 研究背景

上世紀(jì)80年代，天津水泥工業(yè)設(shè)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(fā)工作，三十多年來，天津水泥院始終走在技術(shù)創(chuàng)新的前沿，引領(lǐng)著國產(chǎn)輥壓機技術(shù)裝備的發(fā)展。天津水泥院研發(fā)的輥壓機除用于傳統(tǒng)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(fā)方面取得了不菲的成績：2004年，首套國產(chǎn)水泥輥壓機聯(lián)合粉磨系統(tǒng)投產(chǎn)；2013年，國內(nèi)用于水泥生料終粉磨的最大規(guī)格輥壓機TRP220-160投入運行；2017年，國內(nèi)首臺年產(chǎn)60萬噸的鋼渣/礦渣輥壓機終粉磨系統(tǒng)投產(chǎn)；2018年，率先在國內(nèi)實現(xiàn)水泥輥壓機終粉磨系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用。

目前在生料粉磨工藝中，生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的單位能耗最低。在生料易磨性和控制指標(biāo)相同的條件下，已投產(chǎn)的生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的單位產(chǎn)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(shù)已成為水泥行業(yè)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(tǒng)電耗，天津水泥院對生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的節(jié)能性進行了持續(xù)技術(shù)挖掘。本文重點介紹了天津水泥院最新研發(fā)的節(jié)能技術(shù)及其工業(yè)化應(yīng)用情況，對比了不同時期投產(chǎn)的生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的運行情況，詳細分析了系統(tǒng)能耗降低的原因，并提出了生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)未來發(fā)展的方向。

2 生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)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(nèi)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(fēng)帶入高效選粉機再次被風(fēng)選，經(jīng)高效選粉機分選后，合格的成品由風(fēng)帶入旋風(fēng)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(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1 生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的工藝流程

新研發(fā)的生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)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(shè)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(huán)料兩道除鐵系統(tǒng)?？纱_保大塊金屬無法進入輥壓機擠壓區(qū)，有效保護柱釘輥面，提高輥壓機運行可靠性，降低系統(tǒng)維護成本和運行電耗。

（3）針對不同水泥廠原料的特性，開發(fā)了多種形式的喂料裝置，提高了輥壓機對原料的適應(yīng)性和擠壓效果，降低了系統(tǒng)電耗。即使原料為粒度100%＜5mm的骨料碎屑，輥壓機也能穩(wěn)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(zhì)量。同時，可滿足對高水分原料的烘干要求。

3 大規(guī)格生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的研發(fā)

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

3.1 大規(guī)格生料輥壓機

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

（1）大規(guī)格的輥壓機輥子采用了分體輥套式結(jié)構(gòu)，耐磨輥面采用了新型堆焊工藝和硬質(zhì)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(jié)構(gòu)和輥面形式如圖2所示。粉磨中等磨蝕性物料時，鑲嵌硬質(zhì)合金柱釘?shù)妮亯簷C輥面的使用壽命可達到30 000h以上。

圖2 輥子輥套式結(jié)構(gòu)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(lián)的專有技術(shù)，提高了設(shè)備的整體剛度，使設(shè)備振動大幅降低?；顒虞佪S承座采用浮動結(jié)構(gòu)，運轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(diào)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(yōu)點；與雙列調(diào)心滾子軸承相比，使用壽命提高數(shù)倍。

圖3 輥子支承結(jié)構(gòu)示意圖

（3）采用可靠的多向自調(diào)節(jié)扭矩支承裝置，將扭轉(zhuǎn)力矩傳遞給基礎(chǔ)，輥壓機運行更加平穩(wěn)。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(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)，可靠性不斷提高，故障率降低。與專業(yè)液壓系統(tǒng)制造企業(yè)合作，德國力士樂公司提供技術(shù)支持，關(guān)鍵部件采用國際知名公司產(chǎn)品，確保高度集成化的液壓系統(tǒng)的高可靠性。液壓系統(tǒng)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(tǒng)進行沖洗；極少的管路接頭設(shè)計，保證了系統(tǒng)無泄漏；大直徑液壓油缸采用進口密封件及專有技術(shù)，使用壽命更長。

（5）輥壓機采用半直驅(qū)的永磁電機，可使減速機輸入端的轉(zhuǎn)速降低至300～400r/min，輥壓機運行更加平穩(wěn)，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(tǒng)中重要的輔機設(shè)備之一，其分選效率直接影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及性能指標(biāo)。為提高選粉設(shè)備的分選效率，降低生料粉磨系統(tǒng)運行電耗，針對生料終粉磨的特點，天津水泥院研發(fā)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(tǒng)動態(tài)選粉機與靜態(tài)選粉機之間的連接風(fēng)管，物料提升高度減少，設(shè)備阻力損失及風(fēng)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(tài)與靜態(tài)部分），與傳統(tǒng)分體式選粉機相比，阻力降低了500Pa以上。

（2）優(yōu)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(tǒng)的標(biāo)煤耗。

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

（4）組合式選粉機靜態(tài)部分的扁平化設(shè)計，使設(shè)備整體布置更為緊湊，設(shè)備高度及系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)高度均有所降低，節(jié)省了土建投資費用。

（5）采用永磁同步電機驅(qū)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(fēng)筒及高能效風(fēng)機

為進一步降低整個生料粉磨系統(tǒng)的通風(fēng)阻力，天津水泥院對旋風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)管路工藝進行了優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合優(yōu)化高效、低阻選粉設(shè)備結(jié)構(gòu)，使生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的通風(fēng)阻力大幅降低，循環(huán)風(fēng)機的實際運行功率也大幅度降低。

另外，新研發(fā)的生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)采用了效率更高的循環(huán)風(fēng)機，標(biāo)定結(jié)果顯示，循環(huán)風(fēng)機的效率由以前的70%左右提高到82%以上，循環(huán)風(fēng)機的電耗進一步降低。

4 輥壓機單機及系統(tǒng)的智能化控制

隨著信息化技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝和設(shè)備基礎(chǔ)上，將信息化技術(shù)、智能化技術(shù)以及人工智能技術(shù)嵌入整個水泥制造過程，提升產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率，降低水泥生產(chǎn)成本，推進水泥生產(chǎn)的數(shù)字化、信息化，成為近期業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點。針對生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)特性，天津水泥院采用非線性模型預(yù)測控制技術(shù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，很好地處理了喂料量與成品細度的關(guān)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(tǒng)電耗。生料磨系統(tǒng)控制模塊變量關(guān)系如圖6所示。

圖6 生料磨系統(tǒng)控制模塊變量關(guān)系圖

輥壓機智能化監(jiān)測方案如圖7所示。通過對溫度、振動等參數(shù)進行實時監(jiān)測，可以預(yù)測關(guān)鍵部件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)計劃維護。

圖7 輥壓機設(shè)備的智能化監(jiān)測方案

5 工業(yè)應(yīng)用案例

從2011年第一套TRP生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)投產(chǎn)運行至2020年底，天津水泥院已經(jīng)投入運行的TRP生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)共約80套。其中，輥子直徑＞2 000mm的大規(guī)格生料輥壓機30臺套，占總量的37.5%。經(jīng)統(tǒng)計，生料系統(tǒng)電耗平均為12.0kW·h/t，最低僅為9.1kW·h/t，單套系統(tǒng)產(chǎn)量最高達650t/h。

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

表1 部分5 000～6 500t/d水泥熟料生產(chǎn)線的大規(guī)格生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)運行指標(biāo)

對比表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，合同簽訂時間在2019年以后的粉磨系統(tǒng)，其電耗普遍較低，對此貢獻最大的是循環(huán)風(fēng)機電耗的明顯下降。于2020年末及2021年初投產(chǎn)的CSNF、SMNF等大型生料粉磨系統(tǒng)，其系統(tǒng)電耗均在11kW·h/t左右，尤其是循環(huán)風(fēng)機電耗，最高≯2.6kW·h/t。這主要源于兩個方面：其一，通過精準(zhǔn)選型配置，采用效率更高的循環(huán)風(fēng)機，風(fēng)機效率從70%左右提高到82%以上，按照風(fēng)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(fēng)筒等設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及系統(tǒng)管路的設(shè)計優(yōu)化，大幅度降低了整個生料粉磨系統(tǒng)的通風(fēng)阻力，循環(huán)風(fēng)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(jīng)濟效益分析

根據(jù)對粉磨系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，由天津水泥院研發(fā)并已投產(chǎn)的生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的平均系統(tǒng)電耗為12.0kW·h/t，先進系統(tǒng)電耗指標(biāo)為9.1kW·h/t。部分生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的電耗指標(biāo)如圖8所示。

圖8 部分生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)的電耗指標(biāo)

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

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

7 結(jié)語

天津水泥院在輥壓機、選粉機以及單機和系統(tǒng)的智能化等多方面實現(xiàn)了技術(shù)突破，與五年前相比，系統(tǒng)電耗降低10%以上，系統(tǒng)可靠性進一步提高。未來，天津水泥院將繼續(xù)沿著生料輥壓機終粉磨系統(tǒng)技術(shù)更加節(jié)能、更加可靠、更加智能化的方向不斷前進?！?/p>