水泥元素在线分析仪在水泥矿山与生料质量控制的应用

　　随着中子激活γ-射线分析技术的快速发展，水泥生产中的块状物料成分在线快速分析成为现实。用中子活化分析仪，可以提高矿山的综合利用率、简化或改变预均化堆场的功能；可以改善生料配料控制效果，使弱化甚至取消生料均化库等成为可能。该技术给水泥生料生产工艺和控制技术的革新提供了可能性，可以综合利用矿山资源，大大节约投资。
　　一、水泥矿山与生料质量控制中存在的问题
　　水泥生产过程中，为了出产优质熟料、确保水泥质量，对入窑生料质量的控制至关重要。特别是对大型的新型干法水泥生产线，为了适应高温、高速、高效的要求，对生料质量的要求尤其严格。水泥生料的生产由矿山开采，原料预均化堆场、生料粉磨，生料均化库四个工艺环节组成，而生料质量的控制目标是通过对以上四个环节的有效控制，保证入窑生料三个率值（KH、SM、IM）符合工艺要求，而且均匀。
　　石灰石作为水泥生产的主要原料，它的质量及其变化对水泥厂的产品质量和经济效益都有决定性的影响。而进厂石灰石的质量，取决于许多因素。目前绝大多数的石灰石矿山采用人工化验的方法分析原料化学成分来指导开采，为了保证石灰石原料符合要求，只好大量剥离覆盖层，挑选高品质石灰石，至使石灰石矿利用率很低。特别是我国大量的立窑水泥厂，其石灰石资源利用率只有40%。为了解决这个问题，现在大多数新型干法水泥生产线采用预均化堆场进行原料预均化。但预均化堆场占地面积大，投资高，维护工作量大，影响水泥企业的生产成本和扩大再生产。
　　即使采用了预均化堆场，还不能保证提供合格的生料质量，因此在原料进生料磨前，仍需进行原料配比控制。目前国内新型干法生产线的原料配比控制均采用以实验室X-荧光分析仪为核心的质量控制系统，这种控制方案一般与生料均化库结合，才能达到干法生产的入窑生料稳定、均齐。但是，X-荧光分析仪对试样制备的要求较复杂，从取样、缩分、压制成样再进行X-荧光分析，到分析出结果至少需要30min，也就是测定结果比实际滞后30min，再加上磨机的纯滞后时间，因此控制周期一般定为1小时左右，因此用X-荧光分析仪就不可能真正做到在线实时控制，这样一个典型的纯长滞后反馈控制系统，控制效果较差，使生料形成不均匀料层。其次是试样代表性差，取样、制样过程的代表性难以保证，而X-荧光分析只能测定试样表面层生料的化学成分。所以现在普遍应用的生料配料控制系统的效能还有较大的提升空间。
　　在我国水泥企业，均化措施方面一直侧重于进厂后的原料均化和生料均化，以降低入窑生料质量的波动。但如果由于进厂原料成分波动很大，厂内均化措施往往满足不了入窑均化性的要求。而且从理论上分析，预均化堆场及生料均化库的作用只能将进厂的原料，入库生料进行均化，保持其成分在这一段时间内相对稳定，但不能改变入磨原料和入窑生料的成分。　　
　　鉴于上述原因，发达国家在70年代就开始研究中子激活γ-射线分析技术，80年代成功应用在水泥生产中固体物料成分的在线分析。利用这项技术研究开发的中子活化分析仪可以实现水泥生料配料的前置控制，真正做到在线实时质量控制，做到从矿山开始严格控制原材料的质量稳定，实现“成品进厂”。实践证明，有效利用该项技术，可以提高水泥企业的原材料综合利用率和经济效益。
　　二、国内外水泥厂使用中子活化分析仪的状况
　　澳大利亚斯堪泰克公司在1986年研制出第一台实际应用于水泥行业的中子活化分析仪，至今水泥行业用的GEOSCAN-C分析仪已售出1OOO多台，世界上领先的几个水泥集团均在使用澳大利亚斯堪泰克公司生产的GEOSCAN-C分析仪。目前，该类型分析仪除澳大利亚斯堪泰克公司生产外，美国热电及KSS设计与工程公司，芬兰Ima工程公司等均有类似产品。
　　我国水泥行业在上世纪末开始接触到中子活化分析仪，1996年，湖北华新水泥股份有限公司5号窑扩建工程引进了2台分析仪，分别用于石灰石预均化前和原料入磨前在线分析，1999年底调试成功并用于生产。2000年，北京琉璃河水泥厂二期工程采用中子活化仪对立磨进料皮带机上的块状混合料进行成分分析，已投运。2003年北京强联水泥厂引进3台中子活化分析仪，分别用于石灰石预均化前、原煤进厂和原料入生料磨前的在线成分分析，均 已用于生产。同年陕西秦岭水泥股份有限公司也引进一台，准备用于原料进生料磨前。2004年新疆天山水泥公司引进一台用于原料进生料磨前，已投运。
　　然而，我国引进的中子活化分析仪大多数用于监测原料成分，并未利用分析数据实现实时控制，即使有控制也是购买国外公司开发的软件，价格昂贵而且功能单一。同时，在所有引进该设备的生产线中，矿山开采、预均化堆场、生料均化库的设计仍按传统的工艺方案进行，没有充分利用该设备的效能和作用。为此国内已有单位开展“在线中子活化分析仪全过程控制水泥生料质量”的研究。
　　三、实用的控制方案
　　在线中子活化分析仪可以对矿山原料成分、进预均化堆场前的原料成分、进生料磨前混合料的配料成分，煤含硫量，发热量，出窑熟料的成分、水泥成品的成分进行检测和全过程控制。
　　由于该设备目前国内尚无生产，从国外引进设备价格昂贵（每一台售价几十万美元），因此，为了控制投资， 在目前的条件下，我们认为每条生产线采用二台中子活化分析仪：一台用于石灰石均化堆场前，另一台用于生料入磨前，最能体现其价值，而且基本上较好地满足了质量控制要求。
　　1．石灰石矿山开发和预均化堆场的控制（图一）

　　水泥生产主要原料是石灰石，因此对石灰石矿的质量控制至关重要，分析仪能快速、及时对进均化堆场的原料进行分析，每一分钟可以分析出结果，以“当前分析值”“滚动平均”“累计平均”“间隔平均”四种形式显示在屏幕上，将分析仪的显示数据，反馈到矿山调度，使质量控制人员准确地了解原料的成分，对开采面进行质量控制，对不同开采区的灰岩进行合理搭配，实现均化开采。
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　　同时根据成分的不同，在进预均化堆场前进行分选，并分级堆放，按工艺要求搭配入库，或直接入磨，使得入生料磨前原料的成分的波动保持在小范围内。
　　2．生料磨的配料控制（图二）

　　本系统主要由四部分组成：电子皮带秤、γ-射线分析仪、计算机系统的控制软件以及网络通讯。
　　在线中子活化分析仪安装在入磨原料皮带机上，每一分钟检测出入磨原料的化学成分：SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、NaO、MgO、K₂O、SO₃，通过数字通讯传送给生料质量计算机控制系统，计算机系统根据入磨原料产量累计积分和对应批次的化学成分，计算出入磨混合料LSF（或KH）、SM、IM三个率值的检测值，通过和生料质量计算机控制系统LSF（或KH）、SM、IM三个率值的设定值（目标值）比较，通过优化计算，连续不断地调节各原料下料配比。通过控制装置调节各原料下料，使得入窑原料的LSF（或KH）、SM、IM三个率值不断地逼近设定值。由于这个闭环控制几乎是实时进行的，这就使得出磨生料的LSF（或KH）、SM、IM三个率值控制非常稳定。
　　四、水泥厂使用在线中子活化分析仪的经济效益
　　1．合理利用矿山资源
　　合理利用资源的问题已经引起全社会的普遍关注，《水泥工业产业政策》也明确指出：国家要加强国内水泥矿山管理，鼓励地方和企业合作，有效地利用矿山资源。在石灰石矿山中使用中子活化分析仪可以在稳定成分的前提下，通过合理配矿，最大程度地利用低品位矿石，减少剥离层带来的资源浪费和环境污染。目前我国因为有大量的立窑企业，石灰石矿资源利用率平均只有40%，使用实时分析仪后，石灰石利用率可达80%以上。例如：华新水泥股份有限公司在石灰石预均化堆场进料皮带输送机上安装使用在线分析仪后，每月搭配使用含泥低钙石灰石，由原来3万到4万吨增加到6万到7万吨，而且进厂石灰石质量也有明显提高。斯堪泰克公司在水泥厂实验证明：其石灰石饱和系数LSF在使用该分析仪前半年统计范围为99-106，使用后半年波动范围降为101-103。美国加州的河畔水泥公司石灰石矿山成分复杂，CaO含量波动大，未使用分析仪前矿山开采用人工管理，剥采量大，矿石利用率低，使用仪器后，矿山石灰石利用率大大提高，矿山剥采比下降了70%。
　　2．促进生料磨前工艺技术创新并节省投资
　　（1）简化或改变预均化堆场功能
　　目前大多数新型干法水泥生产线都采用预均化堆场进行原料均化。一个5000t/d新型水泥熟料干法生产线。每日需原料近8500吨，以7天估算需5.95万吨。占地面积在9500-11500m²,需建二个甚至三个预均化堆场。工程总投资在2000万元左右。如果采用在线中子活化分析仪，减少入厂石灰石的标准偏差，因此可以减少堆场的规模，同时可以取消装备复杂的取样站，达到节省投资，减少占地面积的目的。对原料种类多、来源复杂的水泥企业，应用在线中子活化分析仪可以设立较准确的预配料或分类控制的智能化预均化堆场。
　　（2） 弱化甚至取消生料均化库
　　采用在线中子活化分析仪，可以实现前置式在线生料质量控制系统，控制周期由传统的1小时缩短到1分钟，解决了生料库内形成不均匀料层的问题，因此生料库的均化任务已由前置式在线生料质量控制系统及生料磨系统来完成，从而可以减少或弱化均化库。一座ф15X40m均化库投资300多万元。搅拌1吨生料耗电0.15度，5000T/D生产线按料耗1.6计算每年需求240万吨生料，如果取消搅拌，可节电36万度，每一度电价格以0.5元计，一年光节省电费就有18万元。
　　3．提高水泥生料合格率
　　使用在线中子活化仪后，控制周期由1小时缩短到1分钟，可以使生料配料系统由前置快速控制代替传统的纯 长滞后反馈控制，提高了出磨和入窑生料的均匀性、使窑的热工制度稳定、窑的运转率提高，从而提高产能、熟料质量及窑耐火砖的寿命。例如：华新水泥集团有限公司使用该分析仪后，出磨生料合格率较未使用期间平均提高29%，即使没有均化库，入窑生料LSF合格率也能达80%，拉法基集团Richmond水泥厂使用分析仪后，在不用生料均化库的情况下，LSF的标准偏差只有1.5%-2.0%；美国河畔水泥公司使用分析仪后入窑生料标准偏差下降了约50%。
　　四、结束语
　　在线中子活化分析仪能快速对块状原料进行化学成分分析，使质量控制人员能及时准确地掌握原料的质量，可以综合利用矿山资源，真正做到在线实时质量控制，做到从矿山开始严格控制矿石质量的稳定性，实现“成品进厂”，减少甚至取消原料中间储存的环节，简化流程。如果用于监控进生料磨的原料，那么由于进磨原料成分稳定，出磨生料成分合格率和稳定性也会较大幅度提高，生料均化库的规模可以减少甚至取消，同样可以确保入窑生料稳定，使窑温恒定，减少结圈。生产出的熟料粒度质量都很稳定，所以水泥磨的耗电量都可以减少，这一技术的运用可以改变传统的工艺过程和质量检测控制技术，促进水泥厂工艺设备的革新。