应用中子活化分析仪促进水泥生料生产工艺与控制技术的革新

飞鹏星月

中子激活γ-射线分析技术快速发展，水泥生产中块状物料成分线快速分析成为现实。用中子活化分析仪，可以提高矿山综合利用率、简化或改变预均化堆场功能；可以改善生料配料控制效果，使弱化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革新提供了可能性，可以综合利用矿山资源，大大节约投资。
* C8 {6 X6 i' _" \7 K) u9 ]                  关键词： 线分析、水泥原料、前置控制、均化
; S0 j& K/ h& r+ d9 u2 P                  一、水泥矿山与生料质量控制中存问题
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    水泥生产过程中，出产优质熟料、确保水泥质量，对入窑生料质量控制至关重要。特别是对大型新型干法水泥生产线，适应高温、高速、高效要求，对生料质量要求尤其严格。水泥生料生产由矿山开采，原料预均化堆场、生料粉磨，生料均化库四个工艺环节组成，而生料质量控制目标是对以上四个环节有效控制，保证入窑生料三个率值（LSF、SM、IM）符合工艺要求，均匀。
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  x# D2 M/ M9 ^6 K- |5 T; w    石灰石作为水泥生产主要原料，它质量及其变化对水泥厂产品质量和经济效益都有决定性影响。而进厂石灰石质量，取决于许多因素。目前绝大多数石灰石矿山采用人工化验方法分析原料化学成分来指导开采，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。特别是我国大量立窑水泥厂，其石灰石资源利用率40%。解决这个问题，现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。但预均化堆场占面积大，投资高，维护工作量大，影响水泥企业生产成本和扩大再生产。
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! T0 S# P3 ~. K* Y0 i2 `( [, ]    采用了预均化堆场，还不能保证提供合格生料质量，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原料配比控制均采实验室X-荧光分析仪为核心质量控制系统，这种控制方案一般与生料均化库结合，才能达到干法生产入窑生料稳定、均齐。，X-荧光分析仪对试样制备要求较复杂，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，再加上磨机纯滞后时间，控制周期一般定为1小时左右，用X-荧光分析仪就不可能真正做到线实时控制，这样一个典型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、制样过程代表性难以保证，而X-荧光分析只能测定试样表面层生料化学成分。现普遍应用生料配料控制系统效能还有较大提升空间。
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9 v! H3 M# T# ]/ P9 j3 X    我国水泥企业，均化措施方面一直侧重于进厂后原料均化和生料均化，以降低入窑生料质量波动。但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要求。从理论上分析，预均化堆场及生料均化库作用只能将进厂原料，入库生料进行均化，保持其成分这一段时间内相对稳定，但不能改变入磨原料和入窑生料成分。
                     
. u' h! j) W1 R9 I    鉴于上述原因，发达国家70年代就开始研究中子激活γ-射线分析技术，80年代成功应用水泥生产中固体物料成分线分析。利用这项技术研究开发中子活化分析仪可以实现水泥生料配料前置控制，真正做到线实时质量控制，做到从矿山开始严格控制原材料质量稳定，实现“成品进厂”。实践证明，有效利用该项技术，可以提高水泥企业原材料综合利用率和经济效益。

' \* g; U7 V0 a1 K' Q& R                  二、国内外水泥厂使用中子活化分析仪状况
                     
    美国热电公司1985年研制出世界上第一台实际应用于水泥行业中子活化分析仪，至今水泥行业用Camma-Metric分析仪已售出180多台，世界上领先几个水泥集团均使用热电公司生产Camma-Metric分析仪。目前，该类型分析仪除热电公司生产外，美国KSS设计与工程公司，芬兰Ima工程公司，澳大利亚Scantech有限公司等均有类似产品。
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4 a$ ^. n7 w9 G    我国水泥行业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Camma-Metric分析仪，分别用于石灰石预均化前和原料入磨前线分析，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。
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    ，我国引进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，有控制也是购买国外公司开发软件，价格昂贵功能单一。同时，所有引进该设备生产线中，矿山开采、预均化堆场、生料均化库设计仍按传统工艺方案进行，没有充分利用该设备效能和作用。为此国内已有单位开展“线中子活化分析仪全过程控制水泥生料质量”研究。

                  三、实用控制方案
                     
. E; R1 y# f  V& I    线中子活化分析仪可以对矿山原料成分、进预均化堆场前原料成分、进生料磨前混合料配料成分，煤含硫量，发热量，出窑熟料成分、水泥成品成分进行检测和全过程控制。图一是KSS公司提出中子活化分析仪水泥生产中各种应用。
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                  图一  全厂质量控制流程图
                     
    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），，控制投资，目前条件下，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，基本上较好满足了质量控制要求。
0 j# [5 \  ?9 Q% g" k0 N                  1．  石灰石矿山开发和预均化堆场控制（图二）
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                  图二  石灰石矿和预均化堆场质量控制流程图
                     
    水泥生产主要原料是石灰石，对石灰石矿质量控制至关重要，分析仪能快速、及时对进均化堆场原料进行分析，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”四种形式显示屏幕上，将分析仪显示数据，反馈到矿山调度，使质量控制人员准确了解原料成分，对开采面进行质量控制，对不同开采区灰岩进行合理搭配，实现均化开采。
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# d3 W$ ^/ q: O' e4 J. B: g2 m    同时成分不同，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，使入生料磨前原料成分波动保持小范围内。
                  2．  生料磨配料控制（图三）
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8 @, x6 \6 [0 t7 E                  图三 生料质量控制流程图
    本系统主要由四部分组成：电子皮带秤、γ-射线分析仪、计算机系统控制软件以及网络通讯。
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$ @8 f' U: c8 o" [% G# h! }1 d7 r. `$ F    线中子活化分析仪安装入磨原料皮带机上，每一分钟检测出入磨原料化学成分：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、NaO、MgO、K2O、SO3，数字通讯传送给生料质量计算机控制系统，计算机系统入磨原料产量累计积分和对应批次化学成分，计算出入磨混合料LSF（或KH）、SM、IM三个率值检测值，和生料质量计算机控制系统LSF（或KH）、SM、IM三个率值设定值（目标值）比较，优化计算，连续不断调节各原料下料配比。控制装置调节各原料下料，使入窑原料LSF（或KH）、SM、IM三个率值不断逼近设定值。这个闭环控制几乎是实时进行，这就使出磨生料LSF（或KH）、SM、IM三个率值控制非常稳定。
                  四、水泥厂使用线中子活化分析仪经济效益
9 y7 Q& z# s1 f# B0 a     1．合理利用矿山资源
                     
/ i  F; V* j$ J6 L9 V8 i7 A% ?    合理利用资源问题已经引起全社会普遍关注，《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，鼓励方和企业合作，有效利用矿山资源。石灰石矿山中使用中子活化分析仪可以稳定成分前提下，合理配矿，最大程度利用低品位矿石，减少剥离层带来资源浪费和环境污染。目前我国有大量立窑企业，石灰石矿资源利用率平均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石灰石预均化堆场进料皮带输送机上安装使用线分析仪后，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，进厂石灰石质量也有明显提高。芬兰IMA公司水泥厂实验证明：其石灰石饱和系数LSF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。占面积9500-11500m2,需建二个三个预均化堆场。工程总投资2000万元左右。采用线中子活化分析仪，减少入厂石灰石标准偏差，可以减少堆场规模，同时可以取消装备复杂取样站，达到节省投资，减少占面积目。对原料种类多、来源复杂水泥企业，应用线中子活化分析仪可以设立较准确预配料或分类控制智能化预均化堆场。
    （2） 弱化取消生料均化库
                     
, v( l5 R* v! ]* _* C+ \    采用线中子活化分析仪，可以实现前置式线生料质量控制系统，控制周期由传统1小时缩短到1分钟，解决了生料库内形成不均匀料层问题，生料库均化任务已由前置式线生料质量控制系统及生料磨系统来完成，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，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
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7 ^9 e+ [. ~) A4 u    使用线中子活化仪后，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纯长滞后反馈控制，提高了出磨和入窑生料均匀性、使窑热工制度稳定、窑运转率提高，提高产能、熟料质量及窑耐火砖寿命。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%，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，不用生料均化库情况下，LSF标准偏差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%。
    五、 结束语
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# c8 c# G/ W& ^: j* y; c( Z7 ?    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掌握原料质量，可以综合利用矿山资源，真正做到线实时质量控制，做到从矿山开始严格控制矿石质量稳定性，实现“成品进厂”，减少取消原料中间储存环节，简化流程。用于监控进生料磨原料，那么进磨原料成分稳定，出磨生料成分合格率和稳定性也会较大幅度提高，生料均化库规模可以减少取消，同样可以确保入窑生料稳定，使窑温恒定，减少结圈。生产出熟料粒度质量都很稳定，水泥磨耗电量都可以减少，这一技术运用可以改变传统工艺过程和质量检测控制技术，促进水泥厂工艺设备革新。