在線分析技術(shù)在水泥行業(yè)的應(yīng)用

□□郭玉興，張明飛，謝小云，劉曄，王瓊旿

在線分析技術(shù)在水泥行業(yè)的應(yīng)用

On-line Analysis in Cement Industry

□□郭玉興，張明飛，謝小云，劉曄，王瓊旿

在線分析儀及控制軟件實(shí)現(xiàn)了對大宗物料的實(shí)時(shí)分析控制，改變了“磨尾取料－樣品輸送－制樣－分析（熒光儀）－控制調(diào)整配料秤”這一滯后1h的控制方式，以分鐘計(jì)的前置控制也革新了生料均化鏈的工藝設(shè)計(jì)；在線分析儀的使用簡化了新型干法水泥生料均化鏈的工藝流程，提高了出磨生料的合格率及產(chǎn)品質(zhì)量，降低了工程投資及運(yùn)行費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

在線分析儀；生料均化鏈；產(chǎn)品質(zhì)量；設(shè)計(jì)優(yōu)化

1 前言

在我國水泥企業(yè)，均化措施方面一直側(cè)重于進(jìn)廠后的原料均化和生料均化，以降低入窯生料質(zhì)量的波動(dòng)。由于進(jìn)廠原料成分波動(dòng)很大，廠內(nèi)均化措施往往滿足不了入窯均化性的要求，而且理論上預(yù)均化堆場及生料均化庫只能將進(jìn)廠的原料、入庫生料進(jìn)行均化，保持其成分在這一段時(shí)間內(nèi)相對穩(wěn)定，但不能改變?nèi)肽ピ虾腿敫G生料的成分。鑒于上述原因，發(fā)達(dá)國家在上世紀(jì)70年代就開始研究中子激活γ－射線分析技術(shù)，80年代成功應(yīng)用在水泥生產(chǎn)中固體物料成分的在線分析。利用這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)的中子活化分析儀可以實(shí)現(xiàn)水泥生料配料的前置控制，真正做到在線實(shí)時(shí)質(zhì)量控制。

2 在線分析儀的工作原理及特點(diǎn)

2.1 在線分析儀的工作原理

在線分析技術(shù)包括中子活化技術(shù)和近紅外光譜技術(shù)，目前水泥行業(yè)基本都采用中子活化技術(shù)，以下內(nèi)容均以中子活化技術(shù)為例敘述。

利用同位素锎（Cf－252，一種裂變同位素，2.6年半衰期）作為中子源，產(chǎn)生的熱中子激活被測物料原子核，不同原子核迅速發(fā)射出其特有的γ－射線，γ－射線經(jīng)被閃光探測器探測到產(chǎn)生光脈沖能譜。光脈沖能譜經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，并與標(biāo)準(zhǔn)模塊測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，就可直接得出被測物料各種元素及氧化物含量的質(zhì)量百分比。

在線分析儀可直接測出物料中CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3、MgO、K2O、Na2O、S、Cl等元素，通過軟件系統(tǒng)可計(jì)算出生料、熟料的三個(gè)率值、熟料的礦物組成以及通過分析處理后調(diào)整各種原料的配比。通常在線分析儀每隔1～5min送出一組實(shí)測物料的平均成分?jǐn)?shù)據(jù)。

2.2 在線分析儀的特點(diǎn)

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的、高效的實(shí)時(shí)的工藝過程控制。

（2）高度自動(dòng)化和簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)

（3）測量在膠帶輸送機(jī)上輸送的大宗物料。

（4）消除了采樣環(huán)節(jié)，并消除了采樣導(dǎo)致的誤差。

（5）分析結(jié)果不依賴物料的尺寸及物料的類型，以及膠帶輸送機(jī)的輸送速度。

3 在線分析儀在水泥行業(yè)的應(yīng)用范圍

目前國內(nèi)外水泥行業(yè)在線分析儀主要用于石灰石礦山開采的控制，石灰石和粘土預(yù)配料的控制以及原料粉磨的配料控制。

表1 一期、二期石灰石均化配置情況對比表

3.1 在線分析儀在石灰石礦山開采控制上的應(yīng)用

國外在礦山開采中，利用在線分析儀對塊狀原料進(jìn)行化學(xué)成分的快速分析，反饋到礦山調(diào)度，使質(zhì)量控制人員準(zhǔn)確地了解礦石的成分，對開采面進(jìn)行質(zhì)量控制，對不同開采區(qū)的灰?guī)r進(jìn)行合理搭配，實(shí)現(xiàn)搭配均化開采（圖1）。石灰石礦山開采中使用中子活化分析儀可以在穩(wěn)定成分的前提下，通過合理配礦，最大程度地利用低品位礦石，減少剝離層帶來的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

3.2 在線分析儀在石灰石與粘土預(yù)配料控制上的應(yīng)用

石灰石和粘土預(yù)配料的方案中（圖2），只有實(shí)時(shí)控制石灰石及粘土的喂料設(shè)備才能保證預(yù)配料的成分穩(wěn)定。在線分析儀經(jīng)過實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析處理隨時(shí)調(diào)整石灰石及粘土的喂料量，確保混合料的質(zhì)量穩(wěn)定。

3.3 在線分析儀在原料配料控制上的應(yīng)用

在線分析儀安裝在原料調(diào)配站倉底至原料磨的入磨膠帶輸送機(jī)上（圖3），每分鐘可檢測出入磨混合料的化學(xué)成分：CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、NaO、K2O、SO3等，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳送給生料質(zhì)量控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)入磨混合料的化學(xué)成分，計(jì)算出入磨混合料KH、SM、AM三個(gè)率值的檢測值，通過和生料質(zhì)量控制系統(tǒng)KH、SM、AM三個(gè)率值的設(shè)定值對比，通過質(zhì)量控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各原料下料配比，使得出磨生料的KH、SM、AM三個(gè)率值基本接近設(shè)定值。

4 在線分析儀在國內(nèi)外水泥行業(yè)使用情況

1985年，美國熱電公司研制出世界上第一臺(tái)應(yīng)用于水泥行業(yè)的在線分析儀，國外幾個(gè)大的水泥集團(tuán)均在使用在線分析儀來控制進(jìn)廠原料及生料質(zhì)量。在線分析儀在國外多年的發(fā)展，目前已成為水泥行業(yè)控制產(chǎn)品質(zhì)量的主要手段。

表2 2008年進(jìn)廠石灰石質(zhì)量情況

我國水泥行業(yè)在上世紀(jì)90年代末接觸在線分析儀，湖北華新水泥股份有限公司、北京琉璃河水泥廠、北京強(qiáng)聯(lián)水泥廠、云浮天山水泥公司、遼源金剛水泥集團(tuán)等水泥企業(yè)先后采用了在線分析儀來控制出磨生料質(zhì)量。為了更好了解在線分析儀在水泥行業(yè)的使用情況及對生產(chǎn)工藝流程的簡化的依據(jù)，我們對國內(nèi)六家使用在線分析儀的水泥公司進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)研情況如下：

4.1 北京琉璃河水泥廠在線分析儀使用情況

北京琉璃河水泥廠于1990年新建一條2000t/d熟料新型干法生產(chǎn)線，采用?80m石灰石預(yù)均化堆場，2002年在2000t/d生產(chǎn)線旁并列建設(shè)一條2500 t/d新型干法生產(chǎn)線。由于石灰石礦山資源已枯竭，現(xiàn)礦山資源不穩(wěn)定且供應(yīng)量不足，需外購部分石灰石，外購為民采，成分波動(dòng)大。受場地限制二期不再建設(shè)石灰石預(yù)均化堆場，該生產(chǎn)線采用在線分析儀來控制出磨生料的質(zhì)量。一期、二期石灰石均化配置情況見表1，一期、二期出磨生料合格率見4、圖5。

根據(jù)2007年1～12月、2008年1～6月、11、12月共計(jì)二十個(gè)月的出磨生料KH、SM合格率的對比圖（圖4，圖5）可以得出結(jié)論如下：

（1）二線的出磨生料KH合格率優(yōu)于一線；

（2）二線的出磨生料SM合格率優(yōu)于一線；

（3）在線分析儀對生料的均化鏈的貢獻(xiàn)率好于石灰石預(yù)均化庫方案。4.2 遼源金剛水泥有限公司在線分析儀使用情況

遼源金剛水泥有限公司2005年建設(shè)一條5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線，采用?80m石灰石預(yù)均化堆場。原料粉磨采用兩臺(tái)中卸式烘干磨，規(guī)格為?4.6m×10＋3.5m，產(chǎn)量2×190t/h。2006年在一期旁邊擴(kuò)建一條5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線，石灰石預(yù)均化堆場與一期共用，原料粉磨系統(tǒng)及燒成系統(tǒng)配置同一期。該公司使用的石灰石礦CaO含量較低，SiO2和fSiO2含量相對較高，從而使石灰石既是生料中鈣的一種來源，又可作為硅質(zhì)校正料。石灰石來自多個(gè)礦點(diǎn)，品位低、成分波動(dòng)較大（表2），即使破碎后入石灰石預(yù)均化庫，生料出磨合格率也較低。石灰石預(yù)均化庫有效儲(chǔ)量僅為23000t左右，也無法滿足兩條生產(chǎn)線的生產(chǎn)需要，生料出磨合格率也較低，為保證生料質(zhì)量，公司經(jīng)調(diào)查研究決定2007年購置1臺(tái)在線分析儀。一線、二線出調(diào)配站入磨的膠帶機(jī)均為兩條，在線分析儀只能安裝在二線出調(diào)配一條膠帶機(jī)上，其他三條入磨膠帶機(jī)上的配料料秤同步接收信號(hào)，同步調(diào)整；預(yù)均化庫作為石灰石儲(chǔ)存庫以備破碎機(jī)故障時(shí)應(yīng)急使用；破碎后的石灰石經(jīng)膠帶輸送機(jī)直接送至原料調(diào)配庫的石灰石庫。

表3 2008年進(jìn)廠石灰石及生料質(zhì)量情況

我們選用2008年1～10月份使用在線分析儀時(shí)二線出磨生料合格率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和2007年不使用在線分析儀的10個(gè)月二線出磨生料KH、SM合格率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比（圖6、圖7），2007年和2008年進(jìn)廠石灰石的礦山及成分基本一樣。從圖6、圖7的數(shù)據(jù)對比來看，在線分析儀雖僅對入一臺(tái)生料磨物料進(jìn)行了實(shí)時(shí)分析，控制調(diào)配所有的配料秤，但出磨生料KH、SM合格率分別提高25%、10%左右。

由于石灰石原料波動(dòng)很大，出磨生料合格率相對較低，因此，在石灰石礦點(diǎn)多、成分波動(dòng)較大的情況下，采取石灰石分類儲(chǔ)存，多庫搭配，控制入庫石灰石成分相對穩(wěn)定，出磨生料合格率會(huì)更高。

4.3 云浮天山水泥有限公司使用情況

云浮天山水泥有限公司2006年建設(shè)一條5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線，使用由石山、大巖山提供的兩種化學(xué)成分波動(dòng)較大的低鈣高硅的石灰石（表3）。該公司在生料均化鏈中取消了石灰石預(yù)均化堆場，采用2－? 18m×42m石灰石庫作為儲(chǔ)存庫和配料庫，采用在線分析儀及生料質(zhì)量控制系統(tǒng)控制原料配料,避免了兩種成分灰?guī)r礦的石灰石需預(yù)配料一起進(jìn)預(yù)均化堆場的工藝過程，大幅削減了基建投資和工廠運(yùn)行費(fèi)用，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，取得了很好的效果。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，使用在線分析儀控制生料配料，出磨生料質(zhì)量良好，其中生料KH、SM、AM合格率(%)7個(gè)月的平均值分別為91.5、86.7、83.01，使用效果明顯。同時(shí)也看到，出庫生料的KH、SM、IM合格率(%)7個(gè)月的平均值同入庫的生料質(zhì)量相差不大，說明使用在線分析儀控制生料配料，生料均化庫所起的均化作用不明顯。

5 使用在線分析儀過程中的問題

經(jīng)過這幾個(gè)水泥公司的調(diào)研，普遍認(rèn)為礦山資源越來越少，水泥企業(yè)應(yīng)綜合利用礦山資源，使用在線分析技術(shù)控制生料質(zhì)量是非常好的措施。目前水泥行業(yè)基本都采用中子活化在線分析技術(shù)，它是一種放射性元素，目前國內(nèi)還沒有生產(chǎn)此產(chǎn)品，需購買國外產(chǎn)品，購買時(shí)手續(xù)比較復(fù)雜。發(fā)射源一般兩年半就衰減需更換，發(fā)射源購買周期半年左右，更換費(fèi)用30萬人民幣左右。調(diào)試期間需制樣、對比、軟件測試等工作，一般2個(gè)月左右。使用過程中的故障多為軟件原因，硬件基本無故障，出現(xiàn)軟件故障可采用遠(yuǎn)程維護(hù)或廠家人員到現(xiàn)場維修。在線分析儀采取24h監(jiān)控以防放射源被盜的安全保護(hù)措施。正常操作下，在設(shè)備周圍可靠近的區(qū)域的劑量率＜2.0mrem/h，對人體是安全的。

表4 5000t/d生產(chǎn)線不同方案的投資與運(yùn)行費(fèi)用比較

6 使用在線分析儀的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

6.1 充分利用石灰石礦山資源

國內(nèi)在礦山開采過程中，一般遇到低品位礦石時(shí)，多采用剝離的方法，耗費(fèi)巨大，而且造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。石灰石礦山開采中使用在線分析儀可以在穩(wěn)定成分的前提下，通過合理配礦，最大程度地利用低品位礦石，減少剝離層帶來的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

6.2 生料均化鏈的生產(chǎn)工藝優(yōu)化

6.2.1 石灰石預(yù)均化堆場與碎石庫的經(jīng)濟(jì)比較

目前新建生產(chǎn)線存在石灰石礦山資源難找，單一石灰石礦山難以滿足水泥廠使用年限要求的難題。如何實(shí)現(xiàn)合理搭配使用成分差異較大的石灰石礦山，成為設(shè)計(jì)中的難題。如果不同礦山的石灰石共同進(jìn)預(yù)均化堆場，需要采取預(yù)配料的系統(tǒng)才能滿足高低品位的石灰石搭配。但這種系統(tǒng)搭配只是重量搭配，很難控制化學(xué)成分的搭配，此工藝流程復(fù)雜，質(zhì)量難以控制，投資較大。在這種情況下，利用在線分析儀采用大容量圓庫分別存儲(chǔ)成分差異較大的石灰石，實(shí)時(shí)調(diào)配入磨生料的成分而得到滿意的出磨生料質(zhì)量。石灰石儲(chǔ)存的三種方案經(jīng)濟(jì)效益對比見表4。

從不同方案的投資與運(yùn)行費(fèi)用比較表來看，基建費(fèi)用碎石庫方案一、方案二比石灰石預(yù)均化堆場方案工程總投資分別可節(jié)約381.57萬元、231.54萬元；裝機(jī)功率碎石庫方案一、方案二比石灰石預(yù)均化堆場方案分別減少274 kW、275 kW，這就意味著每年節(jié)約電量274.5×0.4×320×24= 843264kWh(作業(yè)率0.4,年工作320d基準(zhǔn))。石灰石預(yù)均化堆場方案中堆料機(jī)、取料機(jī)、進(jìn)出堆場的長膠帶輸送機(jī)運(yùn)行故障遠(yuǎn)比在線分析儀高，維護(hù)費(fèi)用也較高。碎石庫的設(shè)計(jì)方案在基建費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)、電耗方面均有很大的優(yōu)勢。

6.2.2 弱化或改變生料均化庫的功能

采用在線分析儀，可以實(shí)現(xiàn)前置式在線生料質(zhì)量控制系統(tǒng)，控制周期由傳統(tǒng)的1h縮短到1min，解決了生料庫內(nèi)形成不均勻料層的問題，因此生料庫的均化任務(wù)已由前置式在線生料質(zhì)量控制系統(tǒng)來完成，從國內(nèi)調(diào)研的幾家水泥廠來看，使用在線分析儀生料均化庫的均化作用不大，主要承擔(dān)儲(chǔ)存功能，所以可以減少或弱化均化庫的均化作用。目前，國內(nèi)水泥廠即使采用了在線分析儀，仍采用先前生料均化庫，這樣土建投資及運(yùn)行費(fèi)用較大。隨著水泥機(jī)械制造及生產(chǎn)工藝技術(shù)的不斷提高，生料磨系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率也不斷提高，使用在線分析儀，生料庫的儲(chǔ)存量也不需太大，滿足燒成系統(tǒng)煅燒熟料的緩沖作用即可，減少庫底充氣均化的作用，降低土建投資及運(yùn)行費(fèi)用。

7 結(jié)語

（1）石灰石采用多庫搭配、在線分析儀前置控制生料質(zhì)量的方式，很好地解決了石灰石礦點(diǎn)多、成分差異較大、難以控制生料質(zhì)量的難題，并且具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）使用在線分析儀，大幅增加了生料成分的波動(dòng)頻次，為減小生料庫庫容、生料混料倉容積的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了條件；優(yōu)化設(shè)計(jì)后，降低了生料均化庫的投資及運(yùn)行成本。

（3）在線分析儀的前置控制取代傳統(tǒng)的后置控制手段是水泥生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的必然；利用在線分析儀提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低消耗、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面有顯著效果。

（4）國內(nèi)水泥行業(yè)使用的在線分析儀大多為國外公司生產(chǎn)中子激活瞬發(fā)γ－射線分析儀，設(shè)備價(jià)格昂貴，放射源購置手續(xù)繁瑣，在一定程度上限制了該設(shè)備在國內(nèi)的推廣。

（5）國內(nèi)外有些公司正推出或正在研發(fā)近紅外跨帶式分析儀，利用近紅外光譜技術(shù)，無需放射源，解決了放射源購置手續(xù)繁瑣的難題。如果這種在線分析技術(shù)能滿足水泥行業(yè)的生產(chǎn)要求，設(shè)備價(jià)格低廉，肯定會(huì)受到水泥企業(yè)的青睞。

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TQ172.614.1

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1001－6171（2010）05－0103－05

2010－06－17；編輯：呂 光