大规格生料辊压机终粉磨系统的工业应用

石国平，秦中华，王明治，柴星腾，李铭哲

1 研究背景

上世纪80年代，天津水泥工业设计研究院有限公司（以下简称天津水泥院）即开始了辊压机的研发工作，三十多年来，天津水泥院始终走在技术创新的前沿，引领着国产辊压机技术装备的发展。天津水泥院研发的辊压机除用于传统的水泥生料、水泥粉磨外，还可用于矿渣、钢渣、铁矿石等物料的粉磨。多年来，天津水泥院在辊压机研发方面取得了不菲的成绩：2004年，首套国产水泥辊压机联合粉磨系统投产；2013年，国内用于水泥生料终粉磨的最大规格辊压机TRP220-160投入运行；2017年，国内首台年产60万吨的钢渣/矿渣辊压机终粉磨系统投产；2018年，率先在国内实现水泥辊压机终粉磨系统的工业化应用。

目前在生料粉磨工艺中，生料辊压机终粉磨系统的单位能耗最低。在生料易磨性和控制指标相同的条件下，已投产的生料辊压机终粉磨系统的单位产品电耗比辊磨低3～4kW·h/t，比球磨机低8～10kW·h/t。近十年来，生料辊压机终粉磨技术已成为水泥行业新建或改造项目的首选方案。

为进一步降低生料辊压机终粉磨的系统电耗，天津水泥院对生料辊压机终粉磨系统的节能性进行了持续技术挖掘。本文重点介绍了天津水泥院最新研发的节能技术及其工业化应用情况，对比了不同时期投产的生料辊压机终粉磨系统的运行情况，详细分析了系统能耗降低的原因，并提出了生料辊压机终粉磨系统未来发展的方向。

2 生料辊压机终粉磨系统的工艺特点

新喂物料由皮带输送机直接送入V型选粉机，出辊压机物料由提升机送入V型选粉机；物料在V型选粉机内分选和烘干后，粗颗粒物料由另一台提升机送入辊压机上面的荷重小仓，继而进入辊压机被辊压粉磨；较细物料由风带入高效选粉机再次被风选，经高效选粉机分选后，合格的成品由风带入旋风收尘器收集送入成品库，未达到成品要求的粗粉重新回到荷重小仓，再次进入辊压机粉磨。生料辊压机终粉磨系统的工艺流程如图1所示。

图1 生料辊压机终粉磨系统的工艺流程

新研发的生料辊压机终粉磨系统的工艺特点如下：

（1）采用双提升机方案，辊压机布置在地面上，便于辊压机设备的检修与维护。与单提升机方案相比，采用双提升机可有效降低厂房高度，降低了提升机的提升高度。

（2）布置新喂料和循环料两道除铁系统。可确保大块金属无法进入辊压机挤压区，有效保护柱钉辊面，提高辊压机运行可靠性，降低系统维护成本和运行电耗。

（3）针对不同水泥厂原料的特性，开发了多种形式的喂料装置，提高了辊压机对原料的适应性和挤压效果，降低了系统电耗。即使原料为粒度100%＜5mm的骨料碎屑，辊压机也能稳定运行。

（4）采用组合式选粉机，可有效控制200μm筛筛余，改善生料质量。同时，可满足对高水分原料的烘干要求。

3 大规格生料辊压机终粉磨系统的研发

大规格生料辊压机终粉磨系统主要由大规格生料辊压机、新型组合式选粉机、低压高效旋风筒及高能效风机等组成。

3.1 大规格生料辊压机

为满足5 000t/d级水泥熟料生产线配套的需要，2011年天津水泥院率先研发了TRP220-160大型生料辊压机，装机功率为2×2 000kW 和2×2 240kW，是当时国内水泥行业规格最大的辊压机。该辊压机具有以下特点：

（1）大规格的辊压机辊子采用了分体辊套式结构，耐磨辊面采用了新型堆焊工艺和硬质合金制造，大幅提高了辊子的使用寿命，极大降低了运行成本。辊子辊套式结构和辊面形式如图2所示。粉磨中等磨蚀性物料时，镶嵌硬质合金柱钉的辊压机辊面的使用寿命可达到30 000h以上。

图2 辊子辊套式结构和辊面形式

（2）辊子支承主要由轴承座及轴承组成。其中，固定辊轴承座采用与机架直接相联的专有技术，提高了设备的整体刚度，使设备振动大幅降低。活动辊轴承座采用浮动结构，运转中辊子与轴承座整体偏斜，解决了轴承密封问题，有效提高了轴承使用寿命。辊子支承结构如图3所示。轴承座与油缸接触面采用铰接连接，很好地解决了由于轴承座偏斜而加大的对油缸的不均匀磨损问题，使油缸的使用寿命增加了一倍。轴承采用四列圆柱滚子轴承，与调心滚子轴承相比，具有承载力高、使用寿命长及密封性能好等优点；与双列调心滚子轴承相比，使用寿命提高数倍。

图3 辊子支承结构示意图

（3）采用可靠的多向自调节扭矩支承装置，将扭转力矩传递给基础，辊压机运行更加平稳。辊子扭矩支承装置如图4所示。

图4 辊子扭矩支承装置

（4）采用先进的液压系统、自动化控制系统，可靠性不断提高，故障率降低。与专业液压系统制造企业合作，德国力士乐公司提供技术支持，关键部件采用国际知名公司产品，确保高度集成化的液压系统的高可靠性。液压系统的每一根油管均由天津水泥院提供，安装简便，无须再对液压系统进行冲洗；极少的管路接头设计，保证了系统无泄漏；大直径液压油缸采用进口密封件及专有技术，使用寿命更长。

（5）辊压机采用半直驱的永磁电机，可使减速机输入端的转速降低至300～400r/min，辊压机运行更加平稳，可取消减速机润滑的水冷工序。

3.2 新型组合式选粉机

选粉机是生料粉磨系统中重要的辅机设备之一，其分选效率直接影响系统运行的稳定性及性能指标。为提高选粉设备的分选效率，降低生料粉磨系统运行电耗，针对生料终粉磨的特点，天津水泥院研发了一款新型组合式选粉机，如图5所示，其工艺特点如下：

图5 组合式选粉机

（1）取消了传统动态选粉机与静态选粉机之间的连接风管，物料提升高度减少，设备阻力损失及风机运行电耗降低。组合式选粉机的实际平均运行阻力为2 500～3 000Pa（含动态与静态部分），与传统分体式选粉机相比，阻力降低了500Pa以上。

（2）优化了CFD流场，使用了更加可靠的组合式密封，能够有效控制200μm筛筛余，改善生料易烧性，进而降低烧成系统的标煤耗。

（3）采用了新型后倾式转子叶片，有效降低了转子旋转阻力。与其他同规格转子相比，选粉机运行功率可降低5%～10%。

（4）组合式选粉机静态部分的扁平化设计，使设备整体布置更为紧凑，设备高度及系统框架结构高度均有所降低，节省了土建投资费用。

（5）采用永磁同步电机驱动，既降低了选粉机电耗，又便于运行维护。

3.3 低阻高效旋风筒及高能效风机

为进一步降低整个生料粉磨系统的通风阻力，天津水泥院对旋风筒的结构和系统管路工艺进行了优化设计，并结合优化高效、低阻选粉设备结构，使生料辊压机终粉磨系统的通风阻力大幅降低，循环风机的实际运行功率也大幅度降低。

另外，新研发的生料辊压机终粉磨系统采用了效率更高的循环风机，标定结果显示，循环风机的效率由以前的70%左右提高到82%以上，循环风机的电耗进一步降低。

4 辊压机单机及系统的智能化控制

随着信息化技术和数字化技术的发展，在现有生产工艺和设备基础上，将信息化技术、智能化技术以及人工智能技术嵌入整个水泥制造过程，提升产品品质和生产效率，降低水泥生产成本，推进水泥生产的数字化、信息化，成为近期业内关注的热点。针对生料辊压机终粉磨系统特性，天津水泥院采用非线性模型预测控制技术，结合历史数据建立的神经网络模型，很好地处理了喂料量与成品细度的关系——选粉机粗粉返回值和进料返回值的非线性增益，有效地解决了粉磨过程的智能控制，进一步降低了粉磨系统电耗。生料磨系统控制模块变量关系如图6所示。

图6 生料磨系统控制模块变量关系图

辊压机智能化监测方案如图7所示。通过对温度、振动等参数进行实时监测，可以预测关键部件的工作状态，实现计划维护。

图7 辊压机设备的智能化监测方案

5 工业应用案例

从2011年第一套TRP生料辊压机终粉磨系统投产运行至2020年底，天津水泥院已经投入运行的TRP生料辊压机终粉磨系统共约80套。其中，辊子直径＞2 000mm的大规格生料辊压机30台套，占总量的37.5%。经统计，生料系统电耗平均为12.0kW·h/t，最低仅为9.1kW·h/t，单套系统产量最高达650t/h。

表1是天津水泥院投产的部分配套5 000～6 500t/d水泥熟料生产线的大规格生料辊压机终粉磨系统运行指标。

表1 部分5 000～6 500t/d水泥熟料生产线的大规格生料辊压机终粉磨系统运行指标

对比表1数据可以发现，合同签订时间在2019年以后的粉磨系统，其电耗普遍较低，对此贡献最大的是循环风机电耗的明显下降。于2020年末及2021年初投产的CSNF、SMNF等大型生料粉磨系统，其系统电耗均在11kW·h/t左右，尤其是循环风机电耗，最高≯2.6kW·h/t。这主要源于两个方面：其一，通过精准选型配置，采用效率更高的循环风机，风机效率从70%左右提高到82%以上，按照风机效率提高10%估算，其对电耗降低的贡献为0.35～0.4kW·h/t；其二，通过对选粉机、旋风筒等设备的结构优化，以及系统管路的设计优化，大幅度降低了整个生料粉磨系统的通风阻力，循环风机的实际运行功率也大幅降低，其对电耗降低的贡献约为1.0kW·h/t。

6 经济效益分析

根据对粉磨系统实际运行数据的统计分析，由天津水泥院研发并已投产的生料辊压机终粉磨系统的平均系统电耗为12.0kW·h/t，先进系统电耗指标为9.1kW·h/t。部分生料辊压机终粉磨系统的电耗指标如图8所示。

图8 部分生料辊压机终粉磨系统的电耗指标

与国内其他公司生料辊压机终粉磨系统相比，天津水泥院采用最新节能技术的生料辊压机终粉磨系统具有明显节能效果，每吨生料可节约电能1kW·h，折合到每吨熟料可节电1.5～1.6kW·h。以5 000t/d水泥熟料生产线为例，采用天津水泥院的生料辊压机系统，年节电约25×104kW·h，年节约电费约15万元，经济效益显著。

若采用天津水泥院最新研发的生料辊压机终粉磨系统技术改造原有球磨机系统，则每吨生料可节电约10kW·h，折合到每吨熟料可节电约15～16kW·h。以5 000t/d水泥熟料生产线为例，采用天津水泥院的生料辊压机系统，年节电约250×104kW·h，年节约电费约150万元，经济效益更为显著。

7 结语

天津水泥院在辊压机、选粉机以及单机和系统的智能化等多方面实现了技术突破，与五年前相比，系统电耗降低10%以上，系统可靠性进一步提高。未来，天津水泥院将继续沿着生料辊压机终粉磨系统技术更加节能、更加可靠、更加智能化的方向不断前进。■