水泥生料入窯分解率測量技術(shù)概述

唐新宇（天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400）

0 前言

水泥生料經(jīng)過最末一級旋風(fēng)筒后，在進(jìn)入水泥窯前已經(jīng)分解成為氧化物（主要是氧化鈣）的碳酸鹽占到總體碳酸鹽質(zhì)量的百分比即水泥生料入窯分解率，在水泥行業(yè)一般簡稱為入窯分解率、生料分解率或分解率。目前水泥廠分解爐爐容普遍比較充足，對生料分解普遍控制的比較好，一般在90%～95%之間。如果分解率低于90%，那么這部分生料分解所需要的熱量就需要由窯來提供，這樣就加大了回轉(zhuǎn)窯的負(fù)擔(dān)，不利于提產(chǎn)和降低煤粉消耗；如果分解率高于95%，就會使本應(yīng)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)提前發(fā)生，該反應(yīng)是自發(fā)反應(yīng)，一旦發(fā)生不會停止，且放出熱量，很容易造成最末一級旋風(fēng)筒及其下料管堵塞，嚴(yán)重影響安全和正常生產(chǎn)。水泥操作員目前多數(shù)根據(jù)分解爐或最末一級旋風(fēng)筒下料管溫度來調(diào)整分解爐燃燒狀態(tài)，雖然溫度與入窯分解率有很大關(guān)聯(lián)性，但是溫度僅僅間接反映分解率，并不能僅通過溫度來判斷分解率，這是因?yàn)闇囟仁艿搅鲌鲇绊憰胁▌樱从吵鰜淼姆纸饴逝c實(shí)際偏差較大，因此如何能獲取在線的生料分解率一直是水泥工業(yè)研究的方向。

1 目前分解率的主要測試方法

在水泥企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中，生料入窯分解率主要采用離線間歇式測量的方式，一般間隔1～8h采樣一次，送入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行人工化驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)室測量入窯分解率的主要方法包括：燒失量法、二氧化碳?xì)怏w吸收法、二氧化碳容積增量法等。

（1）燒失量法。燒失量法是水泥企業(yè)最常見測量入窯分解率的方法，其基本原理為：利用高溫爐、坩堝、干燥器、研缽、電子天平等設(shè)備分別檢測入窯生料（并非進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的生料，而是進(jìn)入預(yù)熱器系統(tǒng)的生料）和五級筒下料（這是入窯生料分解率的生料）的燒失量，根據(jù)兩者的燒失量差值計(jì)算入窯生料分解率。燒失量法受到環(huán)境因素干擾影響較大，結(jié)果常有波動，同時(shí)測量所需要的時(shí)間過長，很難對水泥廠操作有指導(dǎo)意義，主要用于控制水泥質(zhì)量。

（2）二氧化碳?xì)怏w吸收法。二氧化碳?xì)怏w吸收法就是把試樣與酸反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w，然后用奧氏氣體分析儀吸收二氧化碳后，計(jì)算分解率。該方法測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，但是操作非常復(fù)雜，耗費(fèi)時(shí)間很長，實(shí)用性大大低于二氧化碳容積增量法。

（3）二氧化碳容積增量法。二氧化碳溶劑增量法，就是用酸滴定樣品，測量產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w體積，然后利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出入窯分解率。所使用的藥劑一般是1∶1鹽酸，少量硫酸汞等[1]。二氧化碳容積增量法流程操作簡單，所用藥品設(shè)備單一，系統(tǒng)誤差較小，測量速度快。企業(yè)定期繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線即可，比燒失量法的檢測速度快。

以上三種間歇式測量方法，不管哪種方式，都需要進(jìn)行人工現(xiàn)場取樣再進(jìn)行化驗(yàn)室分析，需要相當(dāng)長的取樣時(shí)間和分析時(shí)間。間歇式既耗費(fèi)人力，取得分解率結(jié)果又有很大的延遲，無法反映燒成系統(tǒng)狀態(tài)的快速變化，對中控操作員的幫助不大。此外，取分解率的人工取樣方法，本身還存在一定的危險(xiǎn)性，是水泥廠一個(gè)潛在安全風(fēng)險(xiǎn)源。

2 數(shù)學(xué)建模法輔助預(yù)測

由于間歇式測量方法與溫度、壓力、氣體成分等傳感器相比，測量頻次過低，無法隨時(shí)反映水泥燒成系統(tǒng)變化，因此大量研究者開始采用數(shù)學(xué)建模的方法輔助預(yù)測水泥生料入窯分解率，取得了一些進(jìn)展。數(shù)學(xué)建模，也稱軟測量，一般有靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩類，靜態(tài)模型一般只能反映穩(wěn)定工況下的工藝參數(shù)，而動態(tài)模型可以反映穩(wěn)態(tài)之間的工藝參數(shù)變化。

2.1 靜態(tài)模型

劉慧[2]在研究中以LSSVM（最小二乘支持向量機(jī)）和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種技術(shù)路線，建立了入窯分解率預(yù)測模型，利用各相關(guān)輔助參數(shù)的半小時(shí)時(shí)均平均值作為參數(shù)，通過數(shù)值模擬研究分析比較LSSVM與BP計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的貼近程度。但是該模型是靜態(tài)模型，只能反映穩(wěn)定狀態(tài)的分解率，無法跟隨工況變化的過程。

徐學(xué)傳[3]根據(jù)相關(guān)的操作經(jīng)驗(yàn)與分解爐溫度、壓力和入窯分解率的歷史記錄，建立分解爐與主要輔助參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而推廣到整個(gè)預(yù)熱器的相關(guān)關(guān)系，最終建立了各級旋風(fēng)筒的工藝參數(shù)預(yù)測模型，可以實(shí)現(xiàn)一定的預(yù)測。但是該預(yù)測模型也是靜態(tài)模型，無法指導(dǎo)生產(chǎn)。

喬景慧[4，5]也采用LSSVM（最小二乘支持向量機(jī)）的方法，成功的針對某水泥生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)的生料分解率進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測，與實(shí)際分解率數(shù)值擬合度較高，同時(shí)合理的設(shè)定記憶主元分析大大加快了運(yùn)算速度。

以上方法的生料分解率預(yù)測模型都是靜態(tài)模型，沒有考慮主要參數(shù)變化。由于輸出的數(shù)據(jù)是靜態(tài)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，而水泥生產(chǎn)過程很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)而是一個(gè)不斷變化的過程，因此靜態(tài)預(yù)測模型反應(yīng)的信息，實(shí)際上還是不能對生產(chǎn)過程做出指導(dǎo)。所以，能夠反映生產(chǎn)過程不斷變化的動態(tài)預(yù)測模型是今后科研人員主要關(guān)注的目標(biāo)[6]。

2.2 動態(tài)模型

王沼鈞[7]利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器人學(xué)習(xí)理論，大量搜集輔助參數(shù)數(shù)據(jù)的動態(tài)信息，采用半監(jiān)督學(xué)習(xí)機(jī)制，進(jìn)行入窯分解率預(yù)測模型研究。采用LPP（線性化流形降維算法）與光滑性加性懲罰項(xiàng)結(jié)合的方式，利用時(shí)序動態(tài)數(shù)據(jù)的函數(shù)特征，開發(fā)出PLPP提取法進(jìn)行窯尾熱工參數(shù)過程參數(shù)的提取，利用Filter和Wrapper方法進(jìn)行特征選擇，減少了動態(tài)輔助信息的計(jì)算數(shù)量，加快了數(shù)據(jù)計(jì)算速度。但是其采集數(shù)據(jù)的頻次較低，計(jì)算過程中的冗余數(shù)據(jù)仍然較多。

邵珠貴[8]在王沼鈞研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究窯尾分解爐中生料的分解過程和數(shù)據(jù)的特征，優(yōu)化數(shù)據(jù)的提取方法，減少冗余數(shù)據(jù)，將PLPP升級為能夠處理數(shù)據(jù)矩陣的2DPLPP和更高級的（2D）2PLPP，有效降低了PLPP算法中特征數(shù)據(jù)提取容易失敗的問題，同時(shí)并不降低提取效果。2DPLPP進(jìn)一步縮短了PLPP建模計(jì)算時(shí)間，同時(shí)由于冗余數(shù)據(jù)量減少，計(jì)算速度和精確度提高，最終完成了水泥窯尾生料入窯分解率的實(shí)時(shí)計(jì)算，與靜態(tài)預(yù)測相比，極大的提升了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。

申帥[9]利用改進(jìn)T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)分解率輔助預(yù)測，并在預(yù)測出來的生料分解率基礎(chǔ)上進(jìn)行分解爐溫度設(shè)定值調(diào)整，通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)督控制器控制分解爐溫度，不斷控制生料分解率，從而實(shí)現(xiàn)水泥窯尾燒成系統(tǒng)的工藝調(diào)整，為水泥智能化控制提供重要的參考價(jià)值。

動態(tài)輔助預(yù)測目前還處在前期研發(fā)階段，一旦能取得較大突破，對水泥工藝操作將起到重要的支撐作用。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的燒失量法、二氧化碳?xì)怏w吸收法、二氧化碳容積增量法仍然是目前水泥工業(yè)主要采用的測量水泥生料入窯分解率的技術(shù)。數(shù)學(xué)建模法輔助預(yù)測水泥生料入窯分解率目前還存在一定不足，比如嚴(yán)重依賴建模經(jīng)驗(yàn)、對不同生產(chǎn)線的驗(yàn)證尚未經(jīng)過考驗(yàn)等，但是它是未來傳統(tǒng)工業(yè)過程數(shù)據(jù)動態(tài)獲取的發(fā)展方向，隨著大數(shù)據(jù)、AI計(jì)算的發(fā)展，數(shù)學(xué)建模輔助預(yù)測水泥生料入窯分解率是一種非常有前途的技術(shù)。