1、国际水泥工业技术最新进展 中国建筑材料科学研究总院 2015年9月5日汇报内容 三、粉磨阶段 二、生料均化 一、矿山开采 四、熟料烧成 2 五、装备与发运 六、化验室运行一、矿山开采 34 水泥矿山开采的技术进步 20世纪70年代以前：矿山开采工作在于寻求化学成分波动最小的高质量矿石；当不能避免使用低质量矿石时，工作效率随之下降 20世纪80年代以后：基于成本、质量控制和改善环境、生态的责任，出现了计算机控制的矿床分区开采模型，使不同位置的石灰石开采按比例有计划进行，配合对破碎机出口物料进行在线分析 未来的前景：使用卫星成像和地球物理的方法进行矿藏储量的评价和提高矿块开采模型的精密度。全球定位
2、系统（GPS）被更广泛用于开采作业的远程控制5 水泥矿山开采的技术进步 信息化 管理 分区开 采模型 开采/配矿 专家系统 机械装备智能运行 水泥矿山地测数字化 调度过程自动化 开采过程远程监控 设备预知性维护管理 基于卫星成像、等方法，构建矿山三维数值地质模型 以地质统计学为依据，建立地质数学模型 开发矿山分区开采模型 矿山开采与配矿的专家系统 特定约束条件下的优化决策方案 矿山开采过程智能化机械装备 各机械装备之间的协调运行 机械装备的状态自检等二、生料均化 6在线分析替代均化库 7 近红外光谱分析（NIR）：吸光度与目标成分的含量呈线性关系 伽马中子活化：伽马能谱特征峰的能量和强度能够确
3、定元素的种类和含量 安装于斜槽（左）和皮带（右）上的SpectraFlow在线分析仪在线分析替代均化库 8 粗粒物料（破碎机出口或入磨前）的在线分析有助于提高矿山开采水平和物料的在线配料，后者使得生料均化库更多是作为预防生料磨停机的缓冲储存，而非为入窑前生料均化而建立的 阿曼莱苏特水泥厂的SpectraFlow分析仪 为了稳定生料的化学成分，阿曼莱苏特水泥厂在生料输运皮带上安装了SpectraFlow在线分析仪（如下图所示） 据介绍，SpectraFlow分析仪投入运行后已实现了节约能耗5%10% ，产量提高3%的目标 国内部分水泥企业采用了伽马中子活化分析技术 该技术具有较好的准确度和精确度
4、，同时由于是实时分析，可及时调整生料配比 据介绍，应用该技术后，生料化学成分的均匀性大大提高，为稳定生产提供了原料保障三、物料粉磨 9 1. 粉磨装备的发展现状 2. 粉磨工艺及应用进展 3. 粉磨过程智能控制 4. 粉磨技术的发展方向1.粉磨装备的发展现状球磨机 10 世界上最大的球磨机（丹麦史密斯，直径5.8m ）1.粉磨装备的发展现状球磨机 11 节能优化： 优化设计的新型筒体衬板 筒体间带料流控制的特殊隔仓板和卸料篦板 更为科学的研磨体 改善磨球级配及研磨介质填充率（如右上图） 最新一代高效选粉机等 智能控制（硬件）： 噪音监测反映磨内填充水平 料流监测反映喂料量、成品量和回料量大小
5、（如右下图）1.粉磨装备的发展现状辊压机 12 1985年Polysius和KHD公司分别投产了各自的首台样机 目前辊压机整体技术已经非常成熟，技术进步着重于结构、材料的优化： 铸面耐磨技术：堆焊材料改进、复合铸造辊套、硬质合金柱钉辊面等 机架结构：减少震动、增强密封、易于维护 轴承：新型四列圆柱滚子轴承+双推理轴承、调心滚子轴承 液压系统：优化布置形式，改善油缸结构 控制系统：在PID控制基础上向智能控制发展1.粉磨装备的发展现状辊式磨 13 近代辊式磨的发展开始于20世纪初的美国 50年代以前磨机规格较小，一般用于粉磨非硅质物料，如石灰石等 60年代规格扩大，推广到水泥生料的粉磨 70年代
6、液压加载代替了弹簧加载，在水泥生料粉磨方面得到广泛应用 80年代出现了粉磨水泥熟料的辊式磨以及作为预粉磨设备的辊式磨 全球著名的辊式磨：德国LOESCHE 公司研制的LM 立式磨、Pfeiffer 公司研制的MPS 立式磨、Krupp Polysius公司研制的RM 立式磨、丹麦F.L.Smith公司研制的Atox立式磨、日本宇部公司生产的UB-LM 立式磨、德国洪堡公司的KHI立式磨、IHI、Kobe、Steel等1.粉磨装备的发展现状辊式磨 14 （1）德 国Loesche公司的3+3/4+4立式辊磨 莱歇公司2+2立磨模块系统图解 莱歇4+4型立磨的模块设计概念 早在90年代初，为了克服
7、粉磨操作中的剧烈振动问题，莱歇公司引入了2+2型辊磨设计概念，大、小磨辊成对配置，接着又扩大到3+3型辊磨设计概念 2014年底又开发了更加灵活的4+4型磨机设计概念 新型LM 4+4型磨机是迄今为止最大的磨机，此磨机由Lafarge和Holcim公司组成的尼日利亚联合水泥公司于2013年订购，生产能力预计为每小时水泥产量为370吨，比表面积470 m 2 /kg，将于2015年底完成安装15 1.粉磨装备的发展现状辊式磨 （2） 伯利鸠斯公司的Quadropol RD磨辊驱动立式辊磨 QuadropolRD的磨辊驱动开辟了一个全新的驱动理念： 物料以更统一的方式进入粉磨间隙（右图），提高粉磨
8、效率； 单机装机功率和减速机扭矩较低； 较高的运行稳定性。 2012年底，第一台工业化QuadropolRD型磨辊驱动的立式辊磨投入使用 2013年年底，第二台磨机在法国的Holcim的La Rocheelle水泥厂进行了短暂的运行16 1.粉磨装备的发展现状辊式磨 针对新型磨机以及新型驱动开发出了具有前瞻性的概念模块化设计： 一台配有四个磨辊或是四个传动的MVR型立磨来说，如果一个磨辊或者一个传动出现故障，那么产量能达到设计产量的75% 若是六个磨辊装置和六个传动系统来说，产量能达到80%85% 相反，对于传统结构形式的磨机来说，当两条线中的一台磨机或是传动装置出现故障时，产量只有原来的50
9、%，这个对比十分明显 （3） Pfeiffer公司的MVR立式辊磨17 1.粉磨装备的发展现状辊式磨 矿渣硅酸盐水泥和混合水泥的优化且多功能的高效终粉磨机： 布局简单和节省空间 水泥质量等同或优于球磨机水泥 采用磨辊翻转装置，易于维护 与球磨机相比节省25%至45%电耗 易于控制颗粒大小分布（右图） （4） F.L.Smidth公司的OK立式辊磨1.粉磨装备的发展现状卧式辊磨机 18 由筒辊磨（球磨机）演变而来 既保留了球磨机可靠、稳定的优点，又摒弃了占地大、能耗高的缺点，同时将料床粉磨的特点演化为厚料床粉磨技术，使得粉磨效率提高、能耗降低 与球磨机相比，卧式辊磨可以节省高达50%的能量；与立
10、磨相比，可以节省20%的能量。个别情况下，其粉磨单位电耗介于球磨机和立磨之间 但是，其相对较低的生产率是其市场进一步发展的最大障碍 卧式辊磨的工作原理1.粉磨装备的发展现状 BETA 磨 19 德国CMPAG公司开发出一种全新粉磨设备BETA 磨 属于料床粉磨，所不同的是：BETA 磨物料运行方式的差异 稳定的料床 更低的磨损率 自由调整工作速度 良好的工艺性 低能耗与低投入20 伯力鸠斯和洪堡公司的早期研究结论：水泥需水量大、快凝、早期强度下降 阻碍了该项技术的研究与应用，但目前国内已部分企业取得了积极进展： 合肥水泥研究设计院在安徽省安庆白鳍豚水泥有限公司建成了一套水泥辊压机终粉磨生产线，
11、并在实际运行中通过调整辊压机的液压压力、磨辊转速等操作参数，完全掌握了辊压机在挤压不同粒径、不同物料的运行规律 水泥粉磨系统单位电耗24kWh/t ，比表面积为30010m 2 /kg，质量符合P.O 42.5水泥标准 2.粉磨工艺及应用进展水泥辊压机终粉磨 水泥辊压机终粉磨系统 工艺流程图21 立磨外循环（磨内无选粉机）特点在于： 立磨设计有高转速沟槽磨盘和轮胎式高效磨辊，粉磨效率高 立磨本体不带选粉机和喷嘴环 水泥熟料等从磨盘中央上方喂入，借助离心力和摩擦力逐步向磨盘边缘移动，并被磨盘上的磨辊咬住，经高压碾压后通过离心力抛出，经刮板刮出从立磨斜下方的排料口排出 优势： 电耗低，用于水泥预粉
12、磨（替代辊压机）电耗不到27 kWh/t水泥 用于水泥终粉磨电耗不到24 kWh/t水泥（已在山东鲁南中联水泥厂得到应用） 2.粉磨工艺及应用进展外循环水泥立磨预粉磨/终粉磨 外循环水泥立磨预粉磨系统工艺流程示意图22 3.粉磨过程智能控制颗粒粒度在线分析 颗粒细度在线测量方法包括软测量与实际测量 软测量：应用易测过程变量（辅助变量）和待测过程变量（主导变量）之间的数学关系，建立细度软测量模型，实现细度在线检测 实际测量：以激光衍射法应用最为普遍 现场安装图 安装原理图 瞬时粒度分布23 3.粉磨过程智能控制填充率与物料流在线监测 Powitec公司的Pit Navigator系统也提供了水泥
13、磨的智能解决方案 其为每台水泥磨安装了两个“水泥磨指示器”（即“电耳”）用以反应磨内物料的填充程度 同时，在选粉机入口、回料和成品收集的相关部位安装了振动传感器（如右上图所示），用以反应相关物料量，继而求得循环负荷、选粉机效率等参数 控制系统实际应用画面如右下图所示3.粉磨过程智能控制控制方法 24 控制方法 PID控制：针对较为简单的控制过程，如磨入口压力与循环风门开度，系统风量与循环风机阀门开度等 模型预测控制：针对复杂过程的控制，如Powitec公司的Pit Navigator 系统，Pavilion公司的Pavilion8 MPC等 模糊逻辑控制：针对复杂过程的控制，如Lafarge的
14、LUCIE系统 PiT水泥磨控制系统 Lucie系统操作员画面3.粉磨过程智能控制案例分析 25 案例分析Pavilion公司的Advanced Process Control (APC) 解决方案及马尔文仪器的实时颗粒粒度分析仪 自动化控制系统和实时粒度分析对生产参数的影响4.粉磨技术的发展方向 26 对球磨机粉磨机理的关注 单磨设计理念 粉磨设备向超大型化方向发展 粉磨工艺向终粉磨方向发展 粉磨几何学的引入磨辊驱动、多重传动系统四、熟料烧成 27 1. 工艺技术的进步 2. 协同处置废弃物水平 3. 窑炉仿真模拟 4. 窑炉智能控制1.工艺技术的进步预热器 28 预热器结构改进： 六级预热
15、器 低压损旋风预热器 多级交叉换热的预热器系统 内筒是“涡流探管”，但这种气流常造成不利的流动状态，其反映就是内筒具有很高的压损 A TEC公司研发的置于内筒中的导流叶片可以减小压损，其可“困”住旋转气流，并在旋风筒中心形成稳定的涡流管，使其压损降低30% A TEC 公司旋风筒和导流叶片 多级交叉换热的预热器系统1.工艺技术的进步分解炉 29 分解炉： 自带脱硝功能 配合协同处置废弃物 进一步提高生料分解率，减轻窑负担 分解炉采用太阳能的可能性实验依据在实验厂进行了，需要装备工业规模的曝光窗口和太阳能收集器。目前只有在CO 2 排放税很高的条件下才考虑使用 新型低NOx 分解炉（FLZ）布置
16、图 实际测量的数据（10%O 2 ）1.工艺技术的进步回转窑和燃烧器 30 回转窑和燃烧器： 两点支撑的长径比小于12的短窑 多通道燃烧器 从理论上可以证明短窑的适用性和优越性，但二次燃料越来越多应用于主燃烧器系统，而这需要更长的回转窑。随着Polysius公司摩擦传动方式的进步，短期内将有L/D=15 的两点支撑回转窑 来自KHD的Pyrorapid（洪堡）型 带二次燃料的现代多通道燃烧器1.工艺技术的进步篦冷机 31 篦冷机： 第四代篦冷机 第五代冷却机：旋转盘式冷却机 必须承认的事实是，在几年前新建的水泥厂每千克熟料单位冷却风仅为1.5m 3 stp，篦床负荷为5060 t/(dm 2
17、)，但是现代设计更加保守了，使用了更多的冷却风（1.82.2 m 3 stp/kg），原因在于二次燃料带入的硫和入窑高分解率使得熟料颗粒更细了 RDC冷却机模拟图 FLS的横梁式冷却机 交叉移动篦板2.协同处置废弃物水平工艺技术进步 32 FLS公司的“ 热盘” 技术 Polysius公司的过程预燃技术 Polysius公司的预燃烧室 Rudersdorf水泥厂的循环流化床2.协同处置废弃物水平工艺技术进步 33 污泥燃料化系统： 日晖株式会社污泥燃料化系统，将污泥直接干燥与烘干后废气量少的优势相结合。可获得水分含量10%，粒径50mm，热值约16.75kJ/kg的干燥污泥 日晖株式会社的污泥
18、燃料化系统（左）及其干燥设备（右）3.窑炉仿真模拟计算研究 34 2002年，德国水泥工业研究院就基于能量、物质平衡，对预热器、分解炉、气体旁路、回转窑和冷却机进行了数学模拟计算，开发了相关系统 项目 测量值 模型值 熟料单位能耗 3231kJ/kgcl 3315kJ/kgcl 烟气温度 350 362 熟料温度 177 177 冷却机效率 70.60% 72% 熟料中C2S 含量 53%64% 61.10% 烟气的粉尘浓度 70g/Nm3 75g/Nm3 带分解炉和旁路放风的4 级预热器测量值和计算值比较表 预热器低粉尘效率对窑炉能耗和产量影响的计算值3.窑炉仿真模拟全窑数值模拟 35 窑炉
19、在线仿真模拟结果 熟料矿物成分沿窑长的变化 CFD，即计算流体力学，已成为流体流动、燃烧过程模拟计算的工具，具有展示窑炉内部温度场、气体成分、熟料矿物组分等局部数据的特有功能 下图为其在德国Rudersdorf CEMEX公司的应用情况3.窑炉仿真模拟SNCR系统 36 在线CFD模拟SNCR系统温度场和流场 不同喷氨位置水平切面的温度场 应用CFD显示出分解炉内适合的温度窗口区域，自动控制设置在不同水平上的喷枪喷氨速度，使NOx充分还原，提高脱硝效率 下图为应用在德国Dyckerhoff水泥企业高效-SNCR系统3.窑炉仿真模拟碱、氯、硫挥发循环 37 在传统黑匣子模型的基础上，采用第一原理
20、模型对要窑炉内的碱、硫、硫循环进行动态模，上述模型包括质量和能量平衡、反应动力学、在窑内发生的蒸发和凝结过程等。 其已应用在史密斯公司的ECS/CEMulator水泥厂 窑系统内的碱氯硫循环 生产过程中的动态模拟 本软件可以用于水泥厂操作人员培训、优化工艺过程和研发等活动3.窑炉仿真模拟窑筒体机械故障 38 与一般筒体扫描仪不同，除了3D监测窑筒体温度外，还可同步采集窑触电开关及轮带滑移量，计算出窑的热畸变、轮带与筒体间的椭圆度、支座上的荷载波动等 同时还能评估机械故障的风险，如轮带下的热点风险、椭圆度超标风险、轮带破损风险等 右图显示了要操作过程演变中热畸变的波动。在检测出由于煤粉不完全烧成
21、产生的热点后，操作员对火焰和窑转速进行调整以适应煅烧环境，使结皮均匀，减少了变形 HGH Kilnscan窑筒体热扫描仪：39 4.窑炉智能控制火焰温度在线测量 火焰温度在线测量： 摄像机（对窑内火焰进行持续监控） 侧视摄像头（用窑头罩侧面温度曲线来反映燃料的大小，尤其是替代燃料利用率较高时） 指示器（智能CCD或者温度监控实时反映温度和窑火的瞬时变化情况） 按时间顺序对火焰变化情况和温度变化曲线进行显示 RGB摄像技术-精确、清晰 耐火设备（用彩色图对真实情况进行还原） 快速适应燃料特性 基本不受飞沙料影响40 4.窑炉智能控制关键参数软测量 时间 游离氧化钙含量 /% 预测值 实测值 时间
22、 游离氧化钙含量 /% 预测值 实测值 大量采用软测量技术以补充测量不到的信号，帮助对窑系统特性的研究，比如： 熟料成分（C3S，C2S，C3A，C4AF，f-CaO等） 液相量 熟料烧结温度 燃煤低位发热值计算 出磨物料水分 出磨细度 强度（包括28天强度等） PiTNavigator 预测f-CaO与实验值对比41 4.窑炉智能控制控制方法对比 + 代表 excellent; + 代表 good ； o 代表 adequate; - 代表 inadequate 评定标准 项目 传统的基于过程模型的方法 计算智能方法 传统PID 适应性PID （N）MPC FC 模糊 控制 ANN 人工神经
23、网络 EA 遗传算法 透明度 o o o + - o 稳定性 + + +(o) + o o 非线性能力 - - -(+) + + + 过程适应性 o + + + + + 学习能力 o + o(+) o + 动态反应速度 + + o + o -42 4.窑炉智能控制控制软件 ABB 的Optimizer/Linkman F.L.S 的ECS/Process Expert Pavilion公司的Pavilion8 MPC Powitec公司的Pit Navigator Lafarge集团的LUCIE Polysius公司的PolexpertKCE/MCE 43 4.窑炉智能控制控制软件ABB Op
24、timizer ABB Optimiser专家优化控制系统采用模糊逻辑理论及类神经网络和模型预测控制（MPC） 通过调控燃料、喂料、窑速、冷却系统等多方面参数，寻求目标最优控制，如最低能耗、最大产量等标 系统设置6个子系统：窑、篦冷机、生料磨、水泥磨、热能管理、电能管理 巴西Votorantim Cimentors 优化控制界面 PID控制与优化控制的对比44 4.窑炉智能控制控制软件Pavilion8 MPC Pavilion8 MPC采用的控制原理是多变量非线性过程优化控制技术，其采用数学模型来实施控制,可以保持生产过程一直在最优化的条件下进行 窑系统的操作变量是窑喂料量、燃料量、转速以及
25、冷却速度，控制系统不断调整操作变量，从而维持控制变量，如f-CaO含量等在目标值范围内 实施案例： 实施了Pavilion公司先进过程优化控制方案后，Golden Bay 公司产量增加3%；提高了产品质量，降低了50%的回料量；磨机运行实现了自动控制 德国 Dyckerhoff水泥厂为了优化由三种不同燃料组成的燃料系统，在其窑系统上安装了一套该控制软件。系统运行9 个月后，非常成功，为公司大大减少了燃料成本45 4.窑炉智能控制控制软件Pit Navigator 系统 应用摄像机、测试摄像机、指示器等采集如火焰温度等关键参数 对数据进行分析，如误差分析、依赖性分析、多维复原真实场景、分类归纳等
26、，进而识别最重要的信息，发现可以优化的点 基于分析结果和预测功能，采用复杂工艺的自动优化闭环控制（NMPC）对水泥窑炉和冷却机进行优化46 4.窑炉智能控制控制软件LUCIE系统 LUCIE专家系统采用的是模糊控制理论，它将工艺操作人员的经验、规则加以总结，运用语言变量和模糊逻辑的理论归纳出控制算法去进行控制 传感器接收监控信号后进行信息处理，识别工艺运行的正常、可疑、异常状态，自动选择长期行动、短期行动，自动实施相关计算与评估，从而保持生产稳定，精准控制产品质量，以及氮氧化物的最小排放 不同模糊状态下的动作五、包装与发运 4748 先进包装技术 全自动包装机，包括空包装袋的装配与插袋，操作人
27、员只需远程控制机器 称重系统精确称重单包重量误差正负0.02kg左右，符合国际最高计量OIML标准 自动密封技术，密封垫与包装嘴同步，没有粉尘外排 包装袋分配系统具有称重校正系统，对不符合要求的包装袋进行粉碎 全自动包装机 空包装袋自动装配 自动流转生产线智能发货系统 49 智能发货系统需要解决的问题： a. 要保证袋装水泥的出厂计数准确实时 b. 要赋予喷码机具有防窜货的功能（区域产品价格差异） c. 严格的品质管理（装袋质量、日期、批号、代码等） d. 信息存储功能 系统包括如下设备： 工控机：读取每辆车的信息 读卡器：读取卡片信息，绑定车辆 计数器：向工控机发送袋装水泥装车实时数量。喷码
28、机：喷码（设备号、时间、防窜货代码等） LED显示屏：显示车辆信息和装车实时数量 效果： 实现了“防窜货” 功能：赋码从ERP系统自动读取 实现精确计数：由于接入计数器系统，装 车信息记录可查，减少人为因素对计数、搬运过程中的影响 减少现场管理人员，减少劳动强度 间接提高产品质量：品种、质量、出厂技术等监控提升了质量控制力度运输：全球卫星定位导航技术 50 以墨西哥水泥公司（CEMEX）为例： 在1987年就成立了信息技术部，实现生产运行的自动化，随后销售和会计也实现自动化 到80年代末，公司已建成一个卫星网络 到90年代初，公司另建置一套DSO系统，再利用GPS全球卫星定位导航技术，为每台卡
29、车装设一个GPS发射器 将卡车与中控制室联结成一个网络，从而使得送货时间由3个小时缩短到20分钟，大大提升了运行效率 功能： 车辆定位运行状态车辆查找 车辆信息查询实时数据更新 特定目标跟踪超速报警卸料报警 重要地点管理里程统计地图打印六、化验室运行 51化验室运行 52 豪瑞公司Lagerdorf水泥厂采用了最新一代的实验室自动化系统，其由以下部分组成： a.自动取样装置和气动管路系统（左图上） b.移动机器人（左图下） c.实验室单元（密封舱接收器与样品自动制备系统） d.轨道系统（在POLAB Shuttle 里，实验室自动化单元沿着轨道系统安装，轨道系统包括停靠点、装载站、曲线和路径切换） e.XRF/XRD/勃氏法/比色计/激光粒度仪的自动测量化验室运行 53 自动分析系统永久可用 增强了XRF 、XRD和比色测量结果的重现性 不在需要勃氏法、比色计和激光粒度仪的人工测量 增加了光谱仪的样品吞吐率 为生产工艺带来如下益处： 提高取样频率，显著缩短了在不同水泥品种间转换的停顿时间 熟料不合格产品量被最小化 确保不间断的质量监督，甚至在维修期间谢谢 54
