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水泥矿山设备的节能减排研究

2010-05-19 13:49:00
为了保证国民经济的持续健康发展,和其他产业一样,水泥矿山也必须把减排、节能和降耗放在重要的位置上。
  为矿山减排提供的破碎方式
  1.混合破碎
  混合破碎指水泥生产中两种原料按一定的比例送入一台破碎机进行破碎的生产工艺。常见的混合破碎有石灰石与泥灰岩、石灰石与页岩、石灰石与黏土等。其中石灰石和黏土的混合破碎是两种物性差异非常大的原料在一起的破碎,尤其是掺入塑性高、水分大的泥料时难度更大。然而这种混合破碎也带来如下的好处:在破碎过程中石灰石碎料被湿料包裹,粉尘减少,形成的碎石与湿土拌合料的黏性减小,流动性增加,减轻了溜子的堵塞,具有用胶带输送机运送和在预均化堆场中堆存和耙取的性能。若将这种黏土单独加工,不仅需要另添一套设备,且它的运输、堆存和挖取都十分困难,不乏出现已经破碎,在继后的运输、堆存过程中又重新黏结压实,严重影响生产的事例。
  混合破碎的成功,可以减少甚至免除石灰石表土的剥离,矿石资源的利用更充分。两种原料一并加工减少了一套加工系统的建设和经营费用,取得很好的社会和经济效益。广州市越堡水泥有限企业的混合破碎就是一个很突出的实例。将数量达2800万立方米的覆盖土作为资源一并利用,就能使这个深埋地下的石灰石矿床得到利用,成为建设日产6000吨水泥生产线的大型工厂的原料基地。
  混合破碎需要解决一连串的技术问题,以确保出料粒度满足入磨的要求,防止破碎机腔堵塞,保证整个系统运行通畅。因此,从料仓起的整个系统都要作专门的设计,包括料仓形状、结构,破碎前泥团的切碎,机体内部乃至漏斗、溜槽等的特殊处理。
2.预筛分破碎
  将原料在破碎之前进行筛分,只对筛上物进行破碎,往往可以取得良好的效果。
  例如当今水泥都采用带预分解的新型干法生产,这种生产方法在原料配用上提高了硅酸率,经常需要掺用硅质原料。而质纯的硅质原料主要用于制造玻璃,质次的硅质原料则多是砂岩、粉砂岩与页岩互生矿床,开采中难以将它们相互分离。这种矿床的品质虽可满足生产需要,但是它们的物性差别很大,砂岩、粉砂岩的磨蚀性高,页岩和风化物则质软,易吸取水分发黏。这种混合型矿石给常规的生产方法带来很大困难,难以找到既抗磨又不怕堵的破碎机型,给这类矿床的利用造成很大困难。
  通过实验获知,预筛分可将大部分泥土和页岩筛除,从而可以防止破碎机的堵塞。根据这个原则开发的波动筛分给料机和抗磨型单段反击式破碎机组成的破碎系统,即使是黏湿料和高磨蚀性硬物料的混合矿也能胜任。破碎机即使在雨季也能正常工作,由于合格料已预先筛除,破碎机的磨耗件寿命大大高于预期值。这项工艺和装备的开发成功使得这类呈互层产出的低品位硅质矿床的有效利用变得比较简便。在短短的几年中,它已成为国内此类硅质矿床的主选破碎方式。
  利用筛分破碎方式,通过筛分排除筛下物可以提高某些低品位矿床的矿物品位,成为可用的矿石。例如低品位灰岩矿床,如果平均品位低是由于混有页岩、泥质夹杂物所致(CaO低于可用指标,碱含量超标),而这些夹杂物层薄、质软、易碎,爆破后碎料中含量较多,采取预筛分法予以排除后,品位即可提高。南京院承担的沙特SPCC项目的石灰石就是采用预筛分和破碎后再筛分的方式,使得原来不能使用的灰岩满足了使用要求。
  当原矿中的碎料较多时,采用预筛分可以减少破碎机的工作量,采用较小的机型,系统的产率可以提高,同时又减少了产品的过粉碎。综合电耗降低、金属消耗量减少。由于预筛分增加了一道环节,生产的复杂程度增加,通常在原矿中合格料超过20%~30%时才有价值。
  关于矿山的节能
  随着我国经济的发展,对液体燃料的需求不断增加,国际石油也日益短缺,矿山生产中的节油问题已迫切地提到了大家面前。
  就采矿业而言,随着露天开采规模的扩大,传统的开采工艺需要很多大型挖掘机和运输车辆,使得组织生产十分繁杂,不堪重负。而连续和半连续开采工艺的应用则可以取得显著的节能效果和可观的经济效益。
  关于开采工艺,有的文献把轮斗挖掘机—胶带输送机—排土机生产称为连续式工艺;把单斗挖掘机—卡车—破碎机—胶带输送机生产称为半连续式工艺;把单斗挖掘机—卡车生产称为间断式工艺。连续式工艺只适用于可以直接挖取的软岩,应用范围很有限。而硬岩和半硬岩更适于半连续式工艺。半连续式工艺的关键设备———破碎站既可以设在坑内,也可以设在地表;既可以是固定的,也可以是半固定的或移动式的。
  生产水泥的主要原料———石灰石,绝大多数属硬岩和半硬岩,它们都难以使用轮斗铲直接挖取。推行以电代油的标志性措施是少用或不用汽车,多用胶带输送机运输矿石,这就需要把破碎机搬进采矿场。因此,研究破碎站的形式和设置位置成为水泥矿山该采用哪种生产工艺的关键。
  移动破碎在采矿场内的出现要追溯到上世纪50年代。它首先在西德一个水泥厂的石灰石矿得到应用,继后才逐渐扩展到煤矿和金属露天矿。以移动破碎跟随挖掘机,把大块矿石破碎成碎石后再用胶带输送机运输,可以省却汽车运输,从而大大节省人力和燃料,降低矿石生产成本。在采场内将矿石破碎后改用胶带输送机运出的生产技术,从上世纪70年代开始在世界范围内得到了迅速扩展,出现了多种类型移动方式和使用各种类型破碎机来适应不同的使用条件,其单机能力已近万吨/小时。
  1.移动式破碎机的类别及性能
  移动式破碎机,更确切地应称为移动式破碎站,因为它除了破碎机之外,还带有进出料装置及配套设施。按移动功能的不同可分为全移动(Fully-mobile)、半移动(Semi-mobile)、和可搬式(Portable)。3种破碎站的使用条件各不相同,需要从多个方面考虑之后才能选定。
  全移动破碎站又称为自行式破碎站。按行走方式可分为履带式、胶轮式和步行式3种。3种行走方式的灵活性不一样,因此用途也不同。履带式可以跟随挖掘机工作,但是机体笨重,受到制约,能力较小,目前已知的最大能力是1000吨/小时。胶轮式和步行式还不能做到跟随挖掘机作业,它们只能在相对固定的条件下工作。它们的生产能力较大,已有不少达到2000~3000吨/小时的破碎站在使用。自行式破碎站的基本特征是一个功能完整的单体,进料和出料均在同一个平台上,简称为“平进平出”。
 半移动破碎站需要借助外力才能移动。有的能够在同一平台上进料和出料,也有的需要在上一平台进料,主机站立平台出料,简称为“平进平出”和“上进平出”。前者可以在任何可达到的位置上使用,而后者则要利用一个台阶,它的位置有一定的限制。“上进平出”的破碎站因为利用了一个台阶的高度,料仓容积增大、给料机缩短,更适于大型矿山使用。目前,世界上最大的半移动破碎站在智利一个铜矿,它的能力是9600吨/小时。
  半移动破碎站有轨道上的破碎站、平板拖车上的破碎站和驮迁式破碎站。大型半移动破碎站一般多用驮迁式搬迁。为了便于搬迁,常将它分离成数个单体,例如料仓和给料机组成一个单体,破碎机为另一个单体,出料胶带输送机为一个单体,从而使每个搬迁单元的重量降低。由于驮运车价格昂贵,利用率低,有些矿山也采用其他方式搬迁。
  半移动破碎站是浮架在地面,不需要坚实的混凝土基础,对地面的承载能力一般不低于250kPa即可使用。
  可搬式破碎站又称为组装式破碎站,它是一种介乎固定式和移动式破碎站之间的结构,可在搬迁不频繁(两三年以上)的情况下使用。它们可拆散成若干大件,其尺寸和重量符合吊车的起吊能力和拖车的承载能力,搬迁一次花费的时间视事前准备情况、拆散程度、搬迁路程长短及组织情况而定。
  2.各类移动式破碎站的使用方法
  根据水泥用石灰石矿山的特点,提出3种破碎方式的基本破碎站类型和适用条件,可供参考。
  此表只是针对一套破碎站而言,若规模较大,拟采用两套破碎站,则随行式和围绕装料式的应用范围将有所扩大。
  当矿山比高较大,矿体岩层稳固,开凿内部溜井,在井下设固定破碎站,矿石破碎之后再用胶带输送机运出采矿场到工厂,也是充分利用位能的节能生产工艺,而且破碎站不必搬迁,更为简便。这种生产工艺我国早已在多家水泥厂应用。
  矿石破碎的降耗
  破碎机械在加工矿石的过程中自身也有所磨损。为了尽量减少机件的损耗,一是需要坚持科学地选择机型;二是合理使用和选材。一旦选型不当,严重者将造成工厂长期的生产被动,轻者也将造成经常性的多消耗。
  科学地选择机型的基础就是要对所加工原料的产地进行全面深入的了解。包括对矿床各层位矿石及夹带物的物理机械性质的了解,取样和加工试验,再结合当地自然气候条件、工厂生产工艺对矿石进出料粒度的要求等等,作出正确的机型选择。
  破碎机工作原理不同,因此机器的特性差别很大,需要与使用地矿石的特性(包括不同层位矿石特性的差异在内)结合起来研究。当具有多种选型方案时,还要根据一次性投资及长久消耗一并考虑,作出最后选型结论。
  破碎的材料消耗与诸多因素有关。以锤头为例,它的寿命与以下4个因素有关:一是矿物的物理性质和伴生物的性质(对金属的磨蚀性、含土量、水分、黏塑性、抗压强度等);二是机器内部结构的合理性;三是锤头选材的正确性和制造质量;四是操作方法。第一项是客观的存在,是先天性的,需要事先有正确的了解。第二项是为了适应被加工物料的性质和工艺要求,机器内部需要进行的处理,防止产生不正常的过度磨损。第三项是选材问题,目前,单段锤式破碎机的锤头有高锰钢类(包括合金高锰钢、加入合金元素的超高锰钢、打击面堆焊耐磨层的合金高锰钢);中碳合金钢类(包括打击段硬度HRC55-58,母体39,冲击韧性>240j的双硬度锤头);双金属复合类(头部为高铬铸铁,HRC>61,柄部为铬钼合金钢,HB225~310);镶嵌硬质合金的高锰钢类。中等硬度的脆性灰岩,当磨蚀性不高时主要使用高锰钢类锤头,当磨蚀性较高或料中混入砂质土较多时,高锰钢类锤头的冷作硬化层难以形成和保持,则效果不好,不宜采用。煤、石膏采用中碳合金钢锤头的效果也优于高锰钢锤头。第四项是破碎机的使用和操作方法。篦子的调节和锤头的翻边及时与不及时,效果大不相同。目前,个别工厂甚至不翻边、不调节,任其在篦子与转子形成过大的空间堆积料层中摩擦,再耐磨的材料寿命也长不了。因此,要建立制度,精心使用,才能延长机件的寿命,实现水泥矿山开采的节能降耗与减排。 

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