高效绿色节能型“双风机”粉磨系统

2022-02-12胡泽武杨萍侯兴远

水泥技术 2022年1期

胡泽武，杨萍，侯兴远

1 前言

当前，国内外高炉矿渣微粉生产线普遍采用以辊磨为核心粉磨设备的工艺技术路线，部分生产线采用辊磨粉磨水泥熟料的工艺技术路线。传统粉磨工艺系统布置简单，也称为“单风机”粉磨系统，其工艺流程如图1 所示。“单风机”粉磨系统（下文简称为“单风机”系统）由辊磨、袋收尘器、循环风机、热风炉及相关辅机等设备组成。其中，辊磨承担粉磨、选粉、磨内烘干等功能，袋收尘器承担产品收集与气体净化功能，循环风机承担物料输送和气体循环功能，外置热风炉用于提供烘干热风，以满足成品水分要求。在目前水泥生产提产节能、超低排放等绿色生产要求新形势下，“单风机”粉磨系统的技术缺陷和不足逐渐显现。

图1 “单风机”粉磨系统工艺流程简图

鉴于对最终产品的性能或标准要求（如矿渣微粉比表面积＞400~500m2/kg、水泥细度控制R45μm＜5%，水分＜0.5%），相对于粉磨其他物料，粉磨矿渣微粉在研磨及选粉效率、微粉收集效率、烘干能力、电耗热耗以及粉尘排放和有害气体排放等方面均对粉磨工艺系统提出了更高的要求。但现有的“单风机”系统在上述方面均存在不足和缺陷，在粉尘排放、有害气体排放及能耗方面尤为突出，需要一个创新的技术方案解决此问题。

2 “双风机”系统粉磨工艺

我公司创新研发了一种全新的粉磨矿渣、钢尾渣和水泥熟料或等同物料细度、比表面积产品的粉磨系统——高效绿色节能型“双风机”粉磨系统（下文简称为“双风机”系统），其工艺流程如图2所示。

图2 “双风机”粉磨系统工艺流程简图

在“双风机”系统中，原料由喂料装置喂入辊磨，经过研磨和选粉，合格的产品由Hurriclon 高效旋风筒收集。经过旋风筒收集产品后的气体在循环风机出口分成两路：一路部分需要外排的气体，如水蒸气、燃烧烟气等，进入袋收尘器净化后，通过外排烟囱排出到环境大气中；另一路部分循环气体经过串联布置（亦称“在线布置”），与系统中烘干原料用专有热风炉的高温烟气混合后进入辊磨内。Hurriclon 高效旋风筒收集的成品和袋收尘器净化气体收集的微粉共同由输送系统混合输送至成品库，研磨后不合格的物料外排出辊磨，由外循环输送装置再次送入磨内研磨。循环风机为系统提供适宜的风量和风压，以实现不同工序阶段的物料（如辊磨内以及辊磨至旋风收尘器间的物料）输送和系统气体循环。收尘器风机为袋收尘器提供适宜的风量和风压，以净化和对外排放进入袋收尘器的水蒸气和燃烧烟气。

“双风机”系统有效实现了粉磨矿渣、钢尾渣和水泥熟料或等同物料细度、比表面积产品的高效节能生产，同时，该系统具有在高细粉尘环境下或在对环境空气有粉尘排放和有害气体排放控制要求的条件下，进行绿色生产的诸多技术优势。

3 “双风机”系统优势

3.1 技术优势

3.1.1 袋收尘器

Hurriclon 高效旋风筒是“双风机”系统的关键设备之一，其承担了“单风机”粉磨系统中袋收尘器产品收集工作的95%，收尘效率＞95%。粉磨后的产品经其收集后，气体粉尘浓度由原来的300~400g/m3降至20g/m3左右。

在“双风机”系统中，袋收尘器的主要任务不再是产品收集，其功能仅为净化处理系统工作过程中产生的气体，即对设备漏风、烘干燃料燃烧所产生的烟气以及物料烘干产生的水蒸气进行净化处理。“双风机”系统中的袋收尘器规格仅为“单风机”系统袋收尘器的10%~25%，进入“双风机”系统袋收尘器的粉尘浓度仅为20g/m3左右，出口工作压强也由-7 000Pa 左右降至-1 000Pa 左右。在新的工艺条件下，传统工艺中最易漏风的袋收尘器，在“双风机”系统中漏风量几乎为零，仅此一项，系统漏风量即可减少10%~15%。

低粉尘浓度气体和极低工作负压，是实现滤袋高除尘效率、长滤料寿命的必要条件，可确保袋收尘器粉尘超低排放浓度低至5mg/Nm3，滤袋使用寿命达三年以上。

常规配置的传统“单风机”工艺系统，若要满足粉尘超低排放浓度至5mg/Nm3的要求，则对袋收尘器滤袋的材质要求极高。普通滤袋将会在短时间内（如一年左右）被冲刷磨损等，难以满足5mg/Nm3的粉尘超低排放要求，特别是靠近收尘器入口处的滤袋。“单风机”系统在运行过程中，袋收尘器的入口粉尘浓度达300~400g/m3，高粉尘浓度对滤袋的过滤精度和抗冲刷磨损能力都提出了更高的要求。为满足粉尘的超低排放，需对“单风机”系统的袋收尘器进行特殊选型，如增加过滤面积、定制耐磨性更高的滤袋、使用更可靠的壳体密封材料等。但即便采取了以上措施，在实际生产运行时，也会由于不能及时对袋收尘器进行维护，导致排放浓度很难达到国家标准要求。

3.1.2 热风炉

热风炉是“双风机”系统的又一核心设备。“双风机”系统的专有热风炉，采用系统循环风替代环境“冷空气”混合降温热风炉炉膛高温热烟气，在线使用的热风炉可利用过程气体将燃烧后的高温烟气（600℃~900℃）冷却至入磨需要的合适温度（如200℃~300℃）。同时，配有专有热风炉的“双风机”粉磨系统无需额外的脱硫系统。过程气体所含粉尘的主要成分CaO 占比＞40%，含有CaO 成分的物料与粉磨过程中烘干蒸发所产生的含水分的气体充分混合后，通过循环风机进入热风炉，与固体物料中（如煤粉）释放的硫化物（SOX）高温气体相混合，发生反应，起到了系统自脱硫的作用。此外，燃烧过程气体的循环使用，使其含氧量很低，当其进入热风炉内冷却高温烟气时，基本不具备产生氮氧化物（NOX）的条件，加之热风炉的膛内温度多控制在900℃以下，低氧、低温环境可有效避免燃料高温燃烧导致的NOX产生。

“双风机”系统专有热风炉采用过程用风冷却高温烟气，与采用新鲜空气冷却高温烟气的常规热风炉相比，可大量减少空气用量，减少约50%的最终外排大气废气量。

采用“双风机”系统粉磨高炉矿渣，与采用传统“单风机”系统相比，废气、粉尘、SOX、NOX的排放均大幅减少。

年产200万吨矿渣微粉的“单风机”、“双风机”粉磨系统外排气体比较如表1 所示。由表1 可知，“双风机”系统与“单风机”系统相比，废气排放量减少19%，粉尘排放量减少60%，SOX痕迹排放、NOX痕迹排放（“痕迹排放”，即，实际排放浓度远低于毫克级别或超出常规检测设备灵敏度低限值）。

表1 年产200万吨矿渣微粉粉磨系统外排气体比较*

3.2 节能优势

3.2.1 热风炉

“双风机”系统的专有热风炉，采用系统循环风替代环境“冷空气”混合降温热风炉炉膛高温热烟气，可充分回收热量，大大降低了热风炉燃料消耗。专有热风炉与使用煤粉燃料或燃油及气体燃料常规热风炉相比，可节约15%以上燃料，与落后需淘汰的燃煤沸腾炉相比，可节约至少30%燃料，节能优势非常显著。

“单风机”系统中的常规热风炉，需要利用额外的环境“冷空气”，才能将热风炉内600℃~1 000℃的高温烟气冷却到350℃~400℃以下，再与系统循环风混合进入磨机内烘干物料，这一过程未能高效利用含有系统余热的循环风，造成热能的损失。

3.2.2 高效旋风筒

Hurriclon 高效旋风筒在“双风机”系统上的成功应用，大大提高了成品的收集效率，降低了袋收尘器的过滤面积和工作压强（收尘器入口压强低至-150~-300Pa），大大降低了袋收尘器壳体、净气室、排灰口等处的漏风率，减少了风机的电耗，有利于操作系统的稳定和产量的提高。

3.2.3 辊磨风环

常规设计的辊磨结构，如果采用低通风量，会严重影响磨机运行，造成产量低、磨机振动大、物料外循环量大等问题。我公司研发的辊磨风环结构，很好地平衡了系统低通风量的不利影响和适量物料外循环的有利影响。专用风环在“双风机”系统中的成功应用，显著降低了磨内阻力和磨内通风量，有效降低了循环风机的入口压强和处理风量，减少了风路系统的能耗。

使用上述设备，整个粉磨系统综合电耗可降低8%~10%。

3.3 运行优势

采用Hurriclon高效旋风筒后，袋收尘器入口气体粉尘浓度降低了95%以上，大大降低了收尘器滤袋的磨损速率，滤袋使用寿命延长了两倍以上。同时，“双风机”系统袋收尘器规格尺寸仅为传统型“单风机”系统的10%~25%，袋收尘器综合运行维护费用大大降低。

“单风机”系统中的袋收尘器置于磨机之后，是产品的唯一收集设备，袋收尘器出口工作压强一般为-7 000Pa，年产200 万吨矿渣微粉生产线的处理风量通常在1 000 000m3/h 左右，袋收尘器体积巨大。袋收尘器仅出口排灰阀就达数十个，设备漏风量大，压缩空气使用量大，特别是经过几年使用后，会出现出料阀锁风失效、壳体开裂等高漏风故障。上述情况导致的袋收尘器漏风率高达15%以上，不仅增加了能耗，严重时还会引起磨机通风量不足，增加了循环风机电耗，影响系统产量和操作的稳定。另外，为满足NOX排放和SOX超低排放的要求，“单风机”系统增加的脱硝、脱硫系统也会增加系统电耗。

3.4 投资优势

“双风机”系统布置紧凑，袋收尘器规格大幅缩小，整个粉磨系统的设备规格、占地面积及土建施工量均有明显优势，工程整体综合造价可降低12%~15%，工程施工工期可同比缩短15%~20%。

以年产200 万吨高炉矿渣微粉为例，“单风机”、“双风机”系统的经济技术比较如表2所示。

表2 年产200万吨矿渣微粉粉磨系统的经济技术比较*

4 “双风机”系统应用

“双风机”系统是在整合了专用辊磨、Hurriclon高效旋风筒、专有热风炉等各单机技术优势的基础上，创新研发的一个全新理念的粉磨系统，是环保、节能新形势下的一个可靠的工业应用解决方案，已在多家企业成功投产运行。

4.1 应用于粉磨水泥熟料

一般水泥生产企业均配置水泥熟料粉磨车间并生产不同标号的水泥，粉磨过程中需要的烘干热源可以引自熟料烧成系统废气，以充分提高热利用效率。受熟料配比、混合材成分、物料综合水分、入磨物料温度、出磨温度、成品细度等因素影响，熟料粉磨系统对烘干的要求均有不同。“双风机”系统应用于熟料粉磨，可以满足不同的烘干要求，其粉磨工艺流程如图3所示。

由图3可见，热风炉出口至磨机入口的风管引入了来自烧成系统的废气，并通过引风机控制引入的风量，引风机两端另设闸阀控制管路的启闭。该系统有以下设计优点：

图3 “双风机”熟料粉磨系统工艺流程简图

（1）来自烧成系统的废气烘干能力不足时，可开启热风炉补充热量。

（2）系统中的热风炉始终作为粉磨系统循环风的通道，系统循环风热利用率在任何工况下都可以实现最大化；在不需要外部烘干时，入磨熟料温度和粉磨功耗产生的热量足以维持必需的出口温度，热风炉仅作为系统循环风的一个通道，不影响运行。

（3）水泥原料相对水分低，其综合水分一般在1.5%~3%。根据热平衡计算，循环风的最大综合利用使经过袋收尘器的系统外排风量很小，仅为系统总通风量的5%~8%。虽然袋收尘器规格很小，却能带来非常显著的综合效益。

“双风机”系统用于粉磨水泥熟料的主要参数数据见表3。

表3 “双风机”系统用于粉磨水泥熟料的主要参数数据

4.2 应用于粉磨矿渣、钢尾渣

鉴于矿渣高水分的特性，其原料水分可高达18%以上，粉磨系统需要有更强的烘干能力，“双风机”系统应用于粉磨矿渣，其中的专有热风炉表现出了显著的烘干效果。

相对于粉磨水泥生料，粉磨水泥熟料、矿渣微粉或钢尾渣微粉等成品细度更高、颗粒更小的物料，尤其是矿渣微粉颗粒，对以靠静态离心力分离成品颗粒为主的旋风收尘器提出了更高的要求。“双风机”系统使用Hurriclon 高效旋风筒，收尘效率高达95%以上，其表现出的综合技术优势，完全能够满足这一要求。

“双风机”系统用于粉磨矿渣、钢尾渣的主要参数数据见表4。

表4 “双风机”系统应用于粉磨矿渣、钢尾渣的主要参数数据

4.3 应用于旧生产线的改造

“双风机”系统不仅可用于新项目，也可用于生产技术指标落后的老旧项目的改造。我公司应用“双风机”系统，对一条已运行近二十年的山西某水泥厂LM56.2+2型矿渣粉磨生产线进行了技术改造，其改造前后的工艺流程如图4、图5所示。

图4 改造前的系统工艺流程简图

应用“双风机”系统理念，我公司在该系统辊磨后增加了一对Hurriclon高效旋风筒，将原循环风机移至旋风筒后的新循环风机位置点，袋收尘器体积减小至原规格的25%，同时，新增了一台袋收尘器风机。考虑到业主希望分步实施改造以控制投资规模与回收期，我们在循环风机出口至磨机入口管道上预留了“双风机”系统新热风炉位置，为旧热风炉拆除，更换安装新热风炉留下空间。

项目改造投产后，系统电耗下降17%以上，粉尘排放浓度＜1.0mg/Nm3。“双风机”系统具有布置紧凑和系统用风循环利用等特点，在未实施“双风机”系统新热风炉改造前，系统热耗已降低了8%以上，“双风机”系统改造效果显著。