生料均化鏈在水泥企業中的應用
2011-03-21 00:00
生料均化過程實際貫穿于生料制備的全過程。一般認為；礦山搭配開采、原料預均化堆場、生料粉磨過程的均化作用和生料均化庫等四個環節構成生料均化鏈。每經過一個環節都會使原料或半成品進一步得到均化。各個環節的均化作用不同，均化效果也不一樣。原料預均化堆場和生料均化庫是均化過程的主要環節，它們占全部均化工作量的80％，以下就均化作業的基本概念作一些說明。
1 評價均勻性的指標
我國不少水泥廠采用計算合格率的方法來評價原料、半成品、成品的質量與均勻性。合格率的含義是：若干個樣品在規定質量標準上下限之內的百分率，稱之為該一定范圍內的合格率。這種計算方法雖然可以反映物料成分的均勻性，但它并不能反映全部樣品的波動幅度及其成分的分布特性。下面的例子可以說明這一點。
假設有兩組石灰石樣品，其CaCO3含量介于90％～94％的合格率均為60％，每組10個樣品的CaCO3含量（％）如
表-1。
第一組和第二組樣品的平均值分別為92.58％和92.03％，兩者比較接近，而且合格率也相同（60％），兩者的均勻性似乎差別不大。但實際上這兩組樣品的波動幅度相差很大。第一組中有兩個樣品的波動幅度都在平均值±7％左右，即使是合格的樣品，其成分不是偏近上限，就是偏近下限；而第二組樣品的成分波動就小得多。兩者的標準偏差分別為4.88和1.96，相差較大。顯然用合格率來衡量物料成分均勻性的方法是有較大缺陷的，需要改進。
為此，根據質量控制和數理統計學原理，在探討生料均化系統時，我們引用三個主要的參數——標準偏差S、變異系數R和均化倍數（又稱均化效果）H，作為評價物料成分均勻性的指標。
標準偏差是數理統計學中的一個概念，是隨著高斯定律的發現而提出的。它應用于水泥工業時可扼要地理解為：
（１）標準偏差是一項表示物料成分（例如CaCO3、SiO2含量）均勻性的指標，其值越小，成分越均勻；
（２）標準偏差和算術平均值一起構成變異系數，可以表示物料成分為相對波動情況；
（3） 成分波動于標準偏差范圍內的物料，在總量中大約占70％，還有近30％的物料其成分的波動比標準偏差還要大。
當進料成分圍繞其平均值的波動符合高斯定律的正態分布時，上述三條簡單的理解是正確的。如果進料成分的波動偏離正態分布較遠時，由上式求得的標準偏差只能是一個近似值，往往比它的真值偏大。然而，均化過程出料成分的波動基本上接近正態分布，因此計算所得出的出料標準偏差值較接近于其真值。這樣求得的均化倍數就會偏大。所以在一定條件下，直接用出料的標準偏差來表示均化作業的好壞，比單純采用均化倍數來表示要切合實際。并且工藝生產的要求也不在于追求表面的“倍數”，而是要控制其出料的標準偏差值，保證其成分的均勻性。
2 生料均化鏈
近十余年來均化技術在水泥工業中獲得迅速的發展與廣泛的應用，并且結合水泥生產的特點逐漸形成了一個與生料制備系統并存的生料均化系統—生料均化鏈。
前已述及，一個完整的生料均化系統必須包括四個環節，即原料礦山的搭配開采、原料預均化、生料磨的配料控制和入窯生料的均化。這四個環節相互連接而組成一條生料均化鏈，如圖3所示。設計好水泥廠生料均化鏈的技術經濟意義主要體現于以下四個方面：
（1）可以擴大原料資源，利用礦石夾層，提高資源的綜合利用率；
（2）可以盡量利用礦山的覆蓋或廢石，減少剝離，降低開采成本，延長礦山服務年限；
（3）確保水泥窯入窯生料的質量與均勻性，以穩定窯的正常熱工制度和操作，便于實現自動控制，提高熟料質量、產量及窯的運轉率；
（4）我國地方水泥工業以立窯為主要窯型，理應對生料的均勻性要求更高。提高均化鏈的作用有利于小水泥廠的技術進步與技術改造。
2.1 礦山的搭配開采與運輸
礦山搭配開采的工作內容包括：生產勘探、爆破采掘設計；爆堆成分分布預測及裝運設計；多臺段采運搭配；入廠原料成分預測、檢驗與調節等。國內外大型水泥廠石灰石礦山的生產實踐表明，掌握搭配開采的原則應為：在經濟開采和綜合利用資源的前提下，在礦石采運過程中盡可能做到進廠原料成分合格和穩定；但對大型礦山的搭配開采在整個生料均化鏈中所負擔的均化任務不宜太大，通常為總均化工作量的10％左右。因大型礦山的機械化程度高、設備規格大、能力高、臺數少、如過分強調進料礦石成分的均勻性而人為地減小開采設備的規格，增加臺數，強化搭配采運，勢必使整個礦山開采過程復雜化，增加開采成本，這是不經濟的。相反，在一些中小水泥廠的礦山上，其搭配開采在整個生料均化鏈中所負擔均化任務的比重就可適當增大，達15％-20％是有可能的，也是經濟的。
一般，在礦山開采與運輸這個環節上，受礦層儲存情況和開采設計的影響，其礦石原料進廠成分的波動是不可避免的，且具有長周期、低頻率、高振幅的特性，搭配開采的任務就是適當地縮短其波動周期和降低其波動振幅。
2.2 原料預均化與儲存
原料預均化與儲存主要是由預均化堆場來完成的。它在生料均化鏈中主要起兩個作用：其一，消除進廠礦石原料成分以天計的長周期波動；其二，顯著地降低原料成分波動的振幅，縮小其標準偏差。在料堆或堆場的儲存期（天數）內，使出料的成分達到一定的均勻性，滿足生料磨配料控制的要求。因而預均化堆場出料的成分波動具有周期短、頻率高、振幅低的特性。
預均化堆場在生料均化鏈中擔負著約占總均化工作量的35％-40％的任務，其出料CaCO3的標準偏差SB2可縮小到±1％-±1.5％；或者在進料成分波動較大的情況下，其均化效果SB1／SB2可達7-10，為生料磨提供成分已知而又較均齊的喂料。
目前我國有些中小型水泥廠所用的簡易預均化堆場或預均化庫，其出料CaCO3的標準偏差SB2約±2％-±2.5％，均化效果雖然不很高，但對于穩定窯的生產大有好處。
2.3 生料磨配料控制
生料磨在均化鏈中的主要作用是控制和調節配料，雖然就提高其出料CaCO3含量的均勻性來看，它并沒有多大作用，但它保證出磨生料的平均成分在一定時期內接近目標值，且提高了生料中SiO2、Al2O3、Fe2O3等其它成分的均勻性。生料磨在均化鏈中完成的均化工作量約為總量的0-10％，之所以會有這么大的范圍，這主要取決于配料控制的措施與水平、重量喂料機的精度和生料磨系統的類型。由于生料磨配料控制中的延時性與滯后性，及其在生產調節中的慣性與穩定性的影響，生料磨出料的成分波動具有以小時計的中等周期、中等頻率、低振幅的特性。
2.4 入窯生料的均化與儲存
這是生料均化鏈的最后一環，它擔負著均化總量的40％的任務。生料均化庫的主要功能就是消除出磨生料所帶來的成分波動，使出庫生料的均勻性滿足入窯要求，CaCO3標準偏差達到±0.2％以下，保證入窯生料成分高度均齊，最終完成整個生料均化鏈的全部任務。
綜合上述，生料均化鏈中各環節的主要功能可歸納為表-2。
注：生料成分的加權平均值達到目標值所需用的時間謂之波動周期，各次波動周期的平均值
稱為平均均化周期。
3 生料磨頭配料及控制
在對原料進行粉磨之前，需確定原料的品種和各種原料的配合比例，稱之為生料配料。生料配料計算主要以熟料礦物組成和各項率值為依據，然后根據原料化學成分計算各種原料的配合比例。磨頭配料控制的目的是使入窯（出磨）生料成分符合目標值的要求，保證生料成分的平均值接近目標值。按照新型干法水泥生產的要求，一般控制出磨生料CaCO3滴定值在目標值的±2％范圍之內。
值得提出的是，出磨生料的CaCO3滴定值或CaO值雖與控制指標相近，但其KH值偏高。這主要因為出磨生料含有水分，對于CaCO3滴定值實際上是合格甚至偏高的生料，反而誤認為偏低，從而增加石灰石的配比，使生料KH值偏高。另一種情況是因為原料中的SiO2含量偏低，導致KH值偏高，因此，單純控制CaCO3或CaO不足以保證生料成分合格，最好能同時控制三個率值。
生料的三個率值主要由其中的四種氧化物（SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO）所構成，所以控制生料配料的關鍵是采用在線分析及時對出磨生料成分提供反饋信息。一般采用X射線分析儀或國內自行開發的鈣鐵分析儀分析出磨生料各種氧化物的含量，并將結果輸入以計算機和配料秤為核心的生料質量控制系統，進而對配料進行校正，可以實現正確控制配料的要求。鈣鐵儀只能分析CaO和Fe2O3，但價格便宜，適于小廠使用。借助在線X射線分析儀和計算機控制的配料系統，其出磨生料成分將在一定范圍內圍繞目標值而波動，經生料均化庫后，就能全面滿足入窯生料的質量要求。
4 影響生料庫均化能力的因素
實踐表明，生料均化鏈前三個環節的進料成分波動具有較大的隨機性，因此采用均化效果或均化倍數H值來評價其均化能力，基本符合生產實際，可以滿足生產工藝的管理要求。但對生料均化庫來說，其進料是具有配料控制功能的生料磨的出料，由于工藝過程的需要，生料磨出料成分始終在人為地調節控制之下，圍繞著目標值周期性地波動。
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