水泥生料配料系統(tǒng)在某水泥廠的應(yīng)用

李巖峰

（丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東 118009）

0 引言

水泥的生產(chǎn)通常可以簡(jiǎn)要地概括為“兩磨一燒”，即首先將原料粉磨成生料，然后經(jīng)過煅燒形成熟料，再將熟料粉磨成水泥[1]。生料配料方案是否合理、控制是否有效，將直接影響熟料的產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗及耐火材料使用壽命等各項(xiàng)指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)效益，生料配料環(huán)節(jié)在生產(chǎn)中至關(guān)重要。

某水泥廠位于新疆某地區(qū)，是2019年建設(shè)的日產(chǎn)4500t水泥熟料建設(shè)項(xiàng)目，規(guī)劃建設(shè)為西北首條超低排放、智能化水泥熟料生產(chǎn)線，采用第二代新型干法水泥技術(shù)以及新工藝、新裝備。

該文介紹的水泥生料配料系統(tǒng)，即應(yīng)用于該廠生料配料環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可靠，生料合格率高，為降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了有力保障。

1 生料配料的發(fā)展過程

傳統(tǒng)的水泥質(zhì)量控制工藝中，取樣、制樣、輸送到化驗(yàn)環(huán)節(jié)都是人工完成的，自動(dòng)化水平較低。少數(shù)企業(yè)在取樣環(huán)節(jié)安裝了取樣裝置，操作較簡(jiǎn)單，但是仍需要人工參與，總體自動(dòng)化水平較低。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)都意識(shí)到可持續(xù)發(fā)展的重要性，逐漸地改進(jìn)了生產(chǎn)工藝和應(yīng)用了新型的生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)過程控制和管理系統(tǒng)得到了進(jìn)一步提高。更多的企業(yè)將水泥質(zhì)量管理作為重點(diǎn)，但是很多中小水泥企業(yè)雖認(rèn)識(shí)到了加強(qiáng)生料配料管理的重要性，由于生產(chǎn)規(guī)模較小和資金不足，仍然延續(xù)人工配料的方案。一些規(guī)模大的水泥廠摒棄了人工配料的方式，逐漸嘗試著采用半自動(dòng)的取樣方式，但仍需人工參與，在配料方面采用專家系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)配料，提高了生料質(zhì)量，但造價(jià)較高，擴(kuò)展性較差，配方調(diào)整依據(jù)仍是化驗(yàn)數(shù)據(jù)。

該文中的水泥廠為2019年新建工廠，采用最新的工藝及裝備，但目前國(guó)內(nèi)很多水泥企業(yè)的生料配料工藝和技術(shù)水平仍較落后，特別是建廠較久遠(yuǎn)的工廠更需加強(qiáng)管理。

2 生料配料系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

在生料配料過程中，要得到適合的配料方案，必須依賴于物料的化學(xué)成分含量，通常方法是在廠區(qū)設(shè)立化驗(yàn)室，采用人工或半自動(dòng)的取樣方式進(jìn)行采樣，然后將樣品送去化驗(yàn)室化驗(yàn)，周期最少為1h，甚至是幾個(gè)小時(shí)，導(dǎo)致調(diào)整配方嚴(yán)重滯后，對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)性差。并且在這個(gè)過程中，人工操作多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，干擾因素多，代表性不高，難以有效地控制質(zhì)量。

2.1 中子活化在線檢測(cè)技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)有效、穩(wěn)定的質(zhì)量控制，從根本上加強(qiáng)生產(chǎn)過程的管理，首先要解決分析時(shí)效性的問題，精準(zhǔn)地分析物料成分含量，為調(diào)整配方提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，這需要高精度的檢測(cè)儀器，對(duì)生料進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。在生產(chǎn)過程中，儀表集成度越來(lái)越高，儀表自動(dòng)化在生產(chǎn)過程中的地位也不斷凸顯[2]。根據(jù)分析原理的不同，主要有以下幾種類型的儀表：1）X熒光元素分析儀。可精準(zhǔn)測(cè)量物料中Si、Al、Fe、Ca等成分含量，但需要經(jīng)過取樣、縮分、制樣等步驟，取樣代表性受限，檢測(cè)速度慢，適用于實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，但應(yīng)用于生料配料，數(shù)據(jù)滯后時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)配料原料穩(wěn)定性的要求很高。2）光譜元素分析儀。分析結(jié)果精度高，并且可同時(shí)對(duì)多種成分進(jìn)行檢測(cè)，但缺點(diǎn)是對(duì)測(cè)量物料物理性狀要求很高，且價(jià)格較貴，不適用于水泥廠復(fù)雜的環(huán)境。3）中子活化元素分析儀。該儀表直接安裝在皮帶上，對(duì)物料進(jìn)行透射掃描式檢測(cè)，不接觸物料，也不需要將物料研磨成粉狀，每次檢測(cè)只需要很短的時(shí)間便可快速準(zhǔn)確地給出檢測(cè)結(jié)果，保證了生料配料的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

該文中的生料配料系統(tǒng)是基于中子活化在線檢測(cè)設(shè)備研發(fā)，安裝在生料配料站后的混合料皮帶上，對(duì)通過皮帶的生料混合料成分進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，每分鐘就能輸出一次檢測(cè)結(jié)果[3]。圖1為分析儀測(cè)量裝置在某水泥廠的現(xiàn)場(chǎng)安裝情況。

圖1 分析儀測(cè)量裝置在某水泥廠的現(xiàn)場(chǎng)安裝照片

中子活化在線檢測(cè)技術(shù)在水泥、煤炭和鋼鐵等領(lǐng)域的作用日漸突顯[4]，原理是通過檢測(cè)中子與物料中各元素原子核發(fā)生俘獲反應(yīng)放出的特征γ射線來(lái)識(shí)別物料中元素種類及含量，省去了復(fù)雜煩瑣的樣品處理過程，直接對(duì)物料分析檢測(cè)，快速給出分析結(jié)果[5]。分析成分：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3、Cl-等，計(jì)算質(zhì)量參數(shù)為KH、LSF、HM、SM、IM等，為生產(chǎn)提供關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行有效的質(zhì)量控制。

相比傳統(tǒng)的化驗(yàn)分析方法，中子活化在線檢測(cè)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）分析結(jié)果代表性強(qiáng)，整體誤差小。分析儀是對(duì)流經(jīng)皮帶的整個(gè)料流進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為所有物料的成分。2）每分鐘即可給出檢測(cè)結(jié)果，無(wú)須取樣與制樣。克服了傳統(tǒng)取樣、化驗(yàn)，結(jié)果滯后問題。

中子活化在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可獲得實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的成分檢測(cè)結(jié)果，生料配料系統(tǒng)可通過其數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)給出最合理的優(yōu)化配料方案，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，提高了經(jīng)濟(jì)收益，提升了水泥企業(yè)的質(zhì)量管理水平。

2.2 基于預(yù)測(cè)和反饋的生料配料技術(shù)

生料配料過程具有非線性、時(shí)變性及滯后性等特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，生料配料過程是水泥生產(chǎn)過程控制的重要研究?jī)?nèi)容[6]。要實(shí)現(xiàn)配料的精確控制是很困難的，因?yàn)樗嗌a(chǎn)是一個(gè)連續(xù)的過程，要保證整個(gè)生產(chǎn)過程持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。所以生料配料系統(tǒng)不僅要收集已發(fā)生的反饋數(shù)據(jù)，還要實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)未來(lái)生產(chǎn)的狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)合大量的反饋和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，通過對(duì)原料成分的預(yù)測(cè)，計(jì)算出符合生產(chǎn)要求的指標(biāo)參數(shù)及最優(yōu)的配料方案。

第一步，設(shè)立合理的質(zhì)量控制指標(biāo)。水泥生產(chǎn)中的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)很多，主要有2個(gè)方面，一是控制窯和磨在一個(gè)較優(yōu)的指標(biāo)控制范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，其二是管理好原料、煤等燃料進(jìn)料及給料。質(zhì)量控制指標(biāo)通常是三率值（KH、SM和IM），也有按成分配料的指標(biāo)方案（包括CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3等）。指標(biāo)優(yōu)先級(jí)根據(jù)不同工藝要求設(shè)置。通常情況下，石灰石飽和比 KH、硅酸率 SM、鋁氧率IM 的優(yōu)先級(jí)別較高[7]。某水泥廠的質(zhì)量指標(biāo)按優(yōu)先級(jí)排序?yàn)镵H、Fe2O3、SM和IM，目標(biāo)值根據(jù)生產(chǎn)狀況小幅調(diào)整，詳見表1。

表1 某水泥廠的水泥生料質(zhì)量指標(biāo)與優(yōu)先級(jí)

第二步，對(duì)參與配料的各原料進(jìn)行管理，包括每種物料的成分含量及成本，這些信息作為配料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。生料配料系統(tǒng)精細(xì)化管理到每種原料的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3、Cl-及KH、SM和IM等各項(xiàng)成分或率值，根據(jù)每種原料的成分含量及率值可以定位為鈣質(zhì)、硅質(zhì)、鋁質(zhì)、鐵質(zhì)等原料。某水泥廠的原料有石灰石、黏土、風(fēng)積沙和鐵礦石等4種原料，生料配料系統(tǒng)根據(jù)這些原料成分進(jìn)行定質(zhì)，具體情況見表2。

表2 某水泥廠的原料定質(zhì)情況

第三步，建立線性配料方程，計(jì)算各原料配比。系統(tǒng)可選擇自動(dòng)配料模式和人工配料模式；系統(tǒng)可靈活對(duì)原料倉(cāng)設(shè)置配比限值、固定配比、多原料倉(cāng)聯(lián)鎖等；另外，針對(duì)多個(gè)質(zhì)量控制指標(biāo)，系統(tǒng)可設(shè)定指標(biāo)優(yōu)先級(jí)，自動(dòng)按指標(biāo)優(yōu)先級(jí)配料。生料配料模型需要考慮影響配料的各項(xiàng)因素，不僅要考慮長(zhǎng)期變量，如質(zhì)量指標(biāo)、原料成分和成本等，還要考慮短期變量，如生產(chǎn)約束、分析儀檢測(cè)值和原料秤的反饋流量。

系統(tǒng)考慮各項(xiàng)生產(chǎn)條件限制，計(jì)算出最合理的配料方案。

根據(jù)各項(xiàng)生產(chǎn)約束，建立配料線性方程。

式中：F為質(zhì)量指標(biāo)響應(yīng)矩陣，X為各原料的配料比例，Q為質(zhì)量指標(biāo)矩陣。質(zhì)量指標(biāo)響應(yīng)矩陣包括質(zhì)量指標(biāo)與原料成分含量的計(jì)算，質(zhì)量指標(biāo)矩陣為設(shè)定的指標(biāo)目標(biāo)值。通過求解配料線性方程，得到各原料配比。

第四步，系統(tǒng)采用預(yù)測(cè)與反饋技術(shù)計(jì)算質(zhì)量指標(biāo)。在該系統(tǒng)中的預(yù)測(cè)主要是根據(jù)大量的反饋數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的生產(chǎn)狀況，給出合理的配比。反饋數(shù)據(jù)主要是中子活化在線檢測(cè)分析的實(shí)時(shí)檢測(cè)值以及皮帶秤的反饋流量與配比。中子活化在線分析儀不斷地將檢測(cè)值發(fā)送到生料配料系統(tǒng)，系統(tǒng)排除異常的檢測(cè)值，結(jié)合實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀況的變化，對(duì)各原料倉(cāng)的優(yōu)化配比及設(shè)定流量進(jìn)行調(diào)整。而皮帶秤是配料系統(tǒng)控制指令的執(zhí)行者，配料系統(tǒng)將計(jì)算后的優(yōu)化配比設(shè)定到皮帶秤上，實(shí)現(xiàn)定量給料的要求。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 生料配料系統(tǒng)流程圖

預(yù)測(cè)與反饋使自動(dòng)配料的過程形成了一個(gè)閉環(huán)回路，二者相輔相成。根據(jù)反饋的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和質(zhì)量指標(biāo)，預(yù)測(cè)出未來(lái)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，作為當(dāng)前的生產(chǎn)指標(biāo)和配比判定依據(jù)。反饋調(diào)整以優(yōu)化后的質(zhì)量指標(biāo)和原料配比作為初始值，不斷地對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)生產(chǎn)中出現(xiàn)供料條件、混合后物料檢測(cè)結(jié)果變化等情況，質(zhì)量指標(biāo)和配比出現(xiàn)了偏差，實(shí)時(shí)向生料配料系統(tǒng)反饋，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)配料目標(biāo)和原料配比進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)生產(chǎn)約束累積到一定周期時(shí)，系統(tǒng)調(diào)整已不能滿足質(zhì)量目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)重新按照控制指標(biāo)優(yōu)先級(jí)計(jì)算，輸出最新的質(zhì)量目標(biāo)方案及各原料配比。

系統(tǒng)將優(yōu)化與反饋數(shù)據(jù)都展現(xiàn)在系統(tǒng)界面上，是否達(dá)到質(zhì)量控制指標(biāo)，是否運(yùn)行平穩(wěn)，是否存在偏差，通過生料配料系統(tǒng)可全面掌控。生產(chǎn)管理人員通過生料配料系統(tǒng)提供的指標(biāo)曲線趨勢(shì)圖，可掌控指標(biāo)波動(dòng)情況。系統(tǒng)不僅可實(shí)時(shí)采集和顯示系統(tǒng)工藝參數(shù)，還可以進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析、打印報(bào)表等，為生產(chǎn)管理、優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)工藝提供了可靠的依據(jù)。

3 水泥生料配料系統(tǒng)在該水泥廠的應(yīng)用效果

水泥生料配料系統(tǒng)在該水泥廠投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)的生料、熟料質(zhì)量指標(biāo)均在要求范圍內(nèi)，自動(dòng)配料效果達(dá)到客戶預(yù)期。

由于該項(xiàng)目為2019年新建項(xiàng)目，在建立初期就應(yīng)用了生料配料系統(tǒng)，所以沒有采用傳統(tǒng)的人工配料方式的數(shù)據(jù)，在檢驗(yàn)生料配料系統(tǒng)是否滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、是否達(dá)到合同標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采用的是驗(yàn)證質(zhì)量指標(biāo)合格率的檢驗(yàn)方式。

生料配料系統(tǒng)在2020年年末安裝完畢，受水泥廠的冬季生產(chǎn)安排影響未立即投入使用，系統(tǒng)于2021年3月正式投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，生料合格率一直在要求范圍內(nèi)。在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，水泥廠對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，采用72h合格率考核數(shù)據(jù)，最終各項(xiàng)指標(biāo)都超過了要求值，控制效果良好，具體情況如表3所示。

表3 某水泥廠驗(yàn)收考核數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)的水泥生料配料系統(tǒng)采用了中子活化分析技術(shù)對(duì)生料進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，精準(zhǔn)快速地給出分析結(jié)果，為調(diào)整配料提供了有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用預(yù)測(cè)和反饋的生料配料技術(shù)根據(jù)生產(chǎn)約束及實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算出最優(yōu)的配料方案，保證了生料合格率。該系統(tǒng)在某水泥廠投入使用后，運(yùn)行穩(wěn)定，大幅降低了生料的標(biāo)準(zhǔn)偏差，保證了生料質(zhì)量，提高了水泥廠的自動(dòng)化水平以及企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量管理水平，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。