水泥生料配料系統在某水泥廠的應用

李巖峰

（丹東東方測控技術股份有限公司，遼寧 丹東 118009）

0 引言

水泥的生產通常可以簡要地概括為“兩磨一燒”，即首先將原料粉磨成生料，然后經過煅燒形成熟料，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量、質量、能耗及耐火材料使用壽命等各項指標的經濟效益，生料配料環節在生產中至關重要。

某水泥廠位于新疆某地區，是2019年建設的日產4500t水泥熟料建設項目，規劃建設為西北首條超低排放、智能化水泥熟料生產線，采用第二代新型干法水泥技術以及新工藝、新裝備。

該文介紹的水泥生料配料系統，即應用于該廠生料配料環節，該系統技術先進，運轉穩定、可靠，生料合格率高，為降低成本、提高產品質量提供了有力保障。

1 生料配料的發展過程

傳統的水泥質量控制工藝中，取樣、制樣、輸送到化驗環節都是人工完成的，自動化水平較低。少數企業在取樣環節安裝了取樣裝置，操作較簡單，但是仍需要人工參與，總體自動化水平較低。

隨著科學技術的發展，各生產企業都意識到可持續發展的重要性，逐漸地改進了生產工藝和應用了新型的生產設備，生產過程控制和管理系統得到了進一步提高。更多的企業將水泥質量管理作為重點，但是很多中小水泥企業雖認識到了加強生料配料管理的重要性，由于生產規模較小和資金不足，仍然延續人工配料的方案。一些規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的取樣方式，但仍需人工參與，在配料方面采用專家系統、DCS控制系統進行自動配料，提高了生料質量，但造價較高，擴展性較差，配方調整依據仍是化驗數據。

該文中的水泥廠為2019年新建工廠，采用最新的工藝及裝備，但目前國內很多水泥企業的生料配料工藝和技術水平仍較落后，特別是建廠較久遠的工廠更需加強管理。

2 生料配料系統應用技術

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成分含量，通常方法是在廠區設立化驗室，采用人工或半自動的取樣方式進行采樣，然后將樣品送去化驗室化驗，周期最少為1h，甚至是幾個小時，導致調整配方嚴重滯后，對生產的指導性差。并且在這個過程中，人工操作多，勞動強度大，干擾因素多，代表性不高，難以有效地控制質量。

2.1 中子活化在線檢測技術

要實現有效、穩定的質量控制，從根本上加強生產過程的管理，首先要解決分析時效性的問題，精準地分析物料成分含量，為調整配方提供實時的數據，這需要高精度的檢測儀器，對生料進行實時在線檢測。在生產過程中，儀表集成度越來越高，儀表自動化在生產過程中的地位也不斷凸顯[2]。根據分析原理的不同，主要有以下幾種類型的儀表：1）X熒光元素分析儀。可精準測量物料中Si、Al、Fe、Ca等成分含量，但需要經過取樣、縮分、制樣等步驟，取樣代表性受限，檢測速度慢，適用于實驗室化驗，但應用于生料配料，數據滯后時間較長，對配料原料穩定性的要求很高。2）光譜元素分析儀。分析結果精度高，并且可同時對多種成分進行檢測，但缺點是對測量物料物理性狀要求很高，且價格較貴，不適用于水泥廠復雜的環境。3）中子活化元素分析儀。該儀表直接安裝在皮帶上，對物料進行透射掃描式檢測，不接觸物料，也不需要將物料研磨成粉狀，每次檢測只需要很短的時間便可快速準確地給出檢測結果，保證了生料配料的實時性和穩定性。

該文中的生料配料系統是基于中子活化在線檢測設備研發，安裝在生料配料站后的混合料皮帶上，對通過皮帶的生料混合料成分進行實時在線檢測，每分鐘就能輸出一次檢測結果[3]。圖1為分析儀測量裝置在某水泥廠的現場安裝情況。

圖1 分析儀測量裝置在某水泥廠的現場安裝照片

中子活化在線檢測技術在水泥、煤炭和鋼鐵等領域的作用日漸突顯[4]，原理是通過檢測中子與物料中各元素原子核發生俘獲反應放出的特征γ射線來識別物料中元素種類及含量，省去了復雜煩瑣的樣品處理過程，直接對物料分析檢測，快速給出分析結果[5]。分析成分：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3、Cl-等，計算質量參數為KH、LSF、HM、SM、IM等，為生產提供關鍵參數數據，以便進行有效的質量控制。

相比傳統的化驗分析方法，中子活化在線檢測技術具有以下優點：1）分析結果代表性強，整體誤差小。分析儀是對流經皮帶的整個料流進行檢測，檢測結果為所有物料的成分。2）每分鐘即可給出檢測結果，無須取樣與制樣。克服了傳統取樣、化驗，結果滯后問題。

中子活化在線檢測技術的應用，可獲得實時準確的成分檢測結果，生料配料系統可通過其數據實時給出最合理的優化配料方案，提高了產品質量，降低能耗，提高了經濟收益，提升了水泥企業的質量管理水平。

2.2 基于預測和反饋的生料配料技術

生料配料過程具有非線性、時變性及滯后性等特點，難以建立精確的數學模型，生料配料過程是水泥生產過程控制的重要研究內容[6]。要實現配料的精確控制是很困難的，因為水泥生產是一個連續的過程，要保證整個生產過程持續穩定達標。所以生料配料系統不僅要收集已發生的反饋數據，還要實時預測未來生產的狀態。系統結合大量的反饋和實時動態數據，通過對原料成分的預測，計算出符合生產要求的指標參數及最優的配料方案。

第一步，設立合理的質量控制指標。水泥生產中的質量控制標準很多，主要有2個方面，一是控制窯和磨在一個較優的指標控制范圍內運轉，其二是管理好原料、煤等燃料進料及給料。質量控制指標通常是三率值（KH、SM和IM），也有按成分配料的指標方案（包括CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3等）。指標優先級根據不同工藝要求設置。通常情況下，石灰石飽和比 KH、硅酸率 SM、鋁氧率IM 的優先級別較高[7]。某水泥廠的質量指標按優先級排序為KH、Fe2O3、SM和IM，目標值根據生產狀況小幅調整，詳見表1。

表1 某水泥廠的水泥生料質量指標與優先級

第二步，對參與配料的各原料進行管理，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數據。生料配料系統精細化管理到每種原料的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3、Cl-及KH、SM和IM等各項成分或率值，根據每種原料的成分含量及率值可以定位為鈣質、硅質、鋁質、鐵質等原料。某水泥廠的原料有石灰石、黏土、風積沙和鐵礦石等4種原料，生料配料系統根據這些原料成分進行定質，具體情況見表2。

表2 某水泥廠的原料定質情況

第三步，建立線性配料方程，計算各原料配比。系統可選擇自動配料模式和人工配料模式；系統可靈活對原料倉設置配比限值、固定配比、多原料倉聯鎖等；另外，針對多個質量控制指標，系統可設定指標優先級，自動按指標優先級配料。生料配料模型需要考慮影響配料的各項因素，不僅要考慮長期變量，如質量指標、原料成分和成本等，還要考慮短期變量，如生產約束、分析儀檢測值和原料秤的反饋流量。

系統考慮各項生產條件限制，計算出最合理的配料方案。

根據各項生產約束，建立配料線性方程。

式中：F為質量指標響應矩陣，X為各原料的配料比例，Q為質量指標矩陣。質量指標響應矩陣包括質量指標與原料成分含量的計算，質量指標矩陣為設定的指標目標值。通過求解配料線性方程，得到各原料配比。

第四步，系統采用預測與反饋技術計算質量指標。在該系統中的預測主要是根據大量的反饋數據來預測未來的生產狀況，給出合理的配比。反饋數據主要是中子活化在線檢測分析的實時檢測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值發送到生料配料系統，系統排除異常的檢測值，結合實時生產狀況的變化，對各原料倉的優化配比及設定流量進行調整。而皮帶秤是配料系統控制指令的執行者，配料系統將計算后的優化配比設定到皮帶秤上，實現定量給料的要求。系統流程如圖2所示。

圖2 生料配料系統流程圖

預測與反饋使自動配料的過程形成了一個閉環回路，二者相輔相成。根據反饋的生產數據和質量指標，預測出未來的生產數據，作為當前的生產指標和配比判定依據。反饋調整以優化后的質量指標和原料配比作為初始值，不斷地對生產過程進行監控，當生產中出現供料條件、混合后物料檢測結果變化等情況，質量指標和配比出現了偏差，實時向生料配料系統反饋，系統會自動對配料目標和原料配比進行調整。當生產約束累積到一定周期時，系統調整已不能滿足質量目標時，系統重新按照控制指標優先級計算，輸出最新的質量目標方案及各原料配比。

系統將優化與反饋數據都展現在系統界面上，是否達到質量控制指標，是否運行平穩，是否存在偏差，通過生料配料系統可全面掌控。生產管理人員通過生料配料系統提供的指標曲線趨勢圖，可掌控指標波動情況。系統不僅可實時采集和顯示系統工藝參數，還可以進行生產數據的存儲分析、打印報表等，為生產管理、優化調整生產工藝提供了可靠的依據。

3 水泥生料配料系統在該水泥廠的應用效果

水泥生料配料系統在該水泥廠投入使用后運行穩定，現場的生料、熟料質量指標均在要求范圍內，自動配料效果達到客戶預期。

由于該項目為2019年新建項目，在建立初期就應用了生料配料系統，所以沒有采用傳統的人工配料方式的數據，在檢驗生料配料系統是否滿足現場應用、是否達到合同標準時，采用的是驗證質量指標合格率的檢驗方式。

生料配料系統在2020年年末安裝完畢，受水泥廠的冬季生產安排影響未立即投入使用，系統于2021年3月正式投入使用，系統運行情況良好，生料合格率一直在要求范圍內。在系統穩定運行一段時間后，水泥廠對該系統進行了對比驗證，采用72h合格率考核數據，最終各項指標都超過了要求值，控制效果良好，具體情況如表3所示。

表3 某水泥廠驗收考核數據

4 結論

該文設計的水泥生料配料系統采用了中子活化分析技術對生料進行實時在線檢測，精準快速地給出分析結果，為調整配料提供了有效的數據基礎，采用預測和反饋的生料配料技術根據生產約束及實時生產情況建立數學計算模型，計算出最優的配料方案，保證了生料合格率。該系統在某水泥廠投入使用后，運行穩定，大幅降低了生料的標準偏差，保證了生料質量，提高了水泥廠的自動化水平以及企業生產質量管理水平，提高了市場競爭力。