水泥行業(yè)f-CaO測量技術(shù)現(xiàn)狀與進展

唐新宇

(天津中材工程研究中心有限公司，天津 300400)

在水泥企業(yè)，游離氧化鈣(free calcium oxide，縮寫為f-CaO)的含量是影響水泥生產(chǎn)與質(zhì)量的一個重要參數(shù)。水泥中的f-CaO是在水泥生成過程中，由于生料成分、生料細度、生料分解率及回轉(zhuǎn)窯溫度等影響下，沒有與SiO2，Al2O3和Fe2O3等氧化物發(fā)生反應(yīng)生成C2S，C33，C3A，C3AF，仍然作為單獨的氧化物狀態(tài)存在于水泥熟料中。對于水泥質(zhì)量而言，當(dāng)水泥產(chǎn)品中f-CaO過高，由于f-CaO水化速度慢，在水泥主要組分硬化并且具有一定強度后才開始水化，造成水泥/混凝土塊的膨脹不均勻、抗壓和抗拉伸強度下降乃至開裂。所以及時準(zhǔn)確測量f-CaO，對于水泥企業(yè)水泥產(chǎn)品的產(chǎn)質(zhì)量合格率是非常重要的[1,2]。而在生產(chǎn)過程中，熟料f-CaO偏高說明煤粉燃燒不充分，二次風(fēng)、頭煤、生料喂料量之間并不匹配；而熟料f-CaO過低，會降低熟料的強度，同時說明頭煤投加量偏高，熱耗和生產(chǎn)成本高。少量f-CaO殘留在水泥熟料中，在水泥/混凝土使用中是可以接受的，水泥企業(yè)一般在生產(chǎn)中控制f-CaO低于1.5%即可。

目前，水泥行業(yè)的f-CaO測量主要有離線采樣化驗法和在線游離鈣分析儀測量兩種方式。離線采樣化驗法主要是化學(xué)分析法。在線分析儀可以實現(xiàn)f-CaO的實時測量，但是因為設(shè)備價格較高、運行費用高、維護程序復(fù)雜，并且準(zhǔn)確性容易受到現(xiàn)場粉塵限制等因素，因此國內(nèi)極少有使用。國內(nèi)目前普遍使用離線采樣化驗法。由于f-CaO目前國內(nèi)普遍無法實現(xiàn)準(zhǔn)確快速測量，有很多學(xué)者開始采用數(shù)學(xué)建模的方法對f-CaO輔助預(yù)測進行建模研究，取得了不少進展[3-7]。

1 離線采樣化驗法

離線采樣化驗法的檢測有下列方式。

1.1 化學(xué)分析法

化學(xué)分析法有甘油(丙三醇)-酒精法、乙二醇-酒精法。甘油(丙三醇)-酒精法是f-CaO與丙三醇在硝酸鍶催化下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成丙三醇鈣，丙三醇鈣可以使得酚酞變紅，使用苯甲酸/酒精溶液滴定使酚酞的紅色退去，最后根據(jù)苯甲酸/酒精溶液的量計算f-CaO的含量。乙二醇-酒精法與之類似，加熱條件下可以生成乙二醇鈣，還是可以使酚酞變紅，然后用苯甲酸/酒精溶液滴定計算f-CaO的含量。以上兩種方法就是GB/T 176—2008《水泥化學(xué)分析方法》采用的方法?，F(xiàn)在的水泥行業(yè)普遍依靠化學(xué)分析法測量f-CaO含量。

1.2 電導(dǎo)法

我國部分水泥企業(yè)，采用電導(dǎo)法測量f-CaO的含量。其原理是f-CaO生成乙二醇鈣后，溶液的電導(dǎo)率與鈣的含量呈現(xiàn)一定的比例關(guān)系，通過測量溶液的電導(dǎo)率后經(jīng)過計算就可以算出f-CaO含量。這種方法與化學(xué)分析法相比的優(yōu)點是減輕操作人員的工作量，消除了操作人員的主觀誤差，同時測量速度較快，但是在f-CaO含量偏高時誤差較大。

1.3 顯微鏡巖相法

顯微鏡巖相法是觀察C3S，C2S，C3AF，C3A和f-CaO的晶體大小、形狀、分布與相互關(guān)系，主要用于研究用，且速度較慢，對生產(chǎn)的指導(dǎo)價值有限。

1.4 XRD法

X射線粉末衍射法(XRD)，是通過對樣品粉末進行X射線衍射，分析各組分的波峰面積等參數(shù)，半定量的得到各組分含量。但是XRD法用于定性分析準(zhǔn)確度較高，用于定量分析準(zhǔn)確度較低，且設(shè)備投資較高，維護復(fù)雜，需要專人操作，所以很少有水泥企業(yè)采用XRD法分析f-CaO。

1.5 立升重法

立升重，即熟料顆粒的堆密度，與f-CaO含量有微弱的關(guān)系，關(guān)聯(lián)性很弱。用立升重法測量f-CaO含量的準(zhǔn)確度最低，實際上是早期水泥廠的臨時措施，現(xiàn)在很少使用。

2 數(shù)學(xué)建模法輔助預(yù)測

由于離線采樣化驗法需要到現(xiàn)場取樣拿回實驗室進行分析，且實驗室分析本身也需要消耗一定的時間，因此采樣的結(jié)果必然與水泥熟料生成的過程不同步，存在延時。用離線采樣化驗法測得的f-CaO含量來指導(dǎo)水泥熟料生產(chǎn)工藝控制，延遲時間太長，滯后嚴(yán)重。為了能夠?qū)崿F(xiàn)水泥熟料f-CaO實時準(zhǔn)確測量，很多研究者采用數(shù)學(xué)建模進行f-CaO含量預(yù)測，在水泥工業(yè)也取得一些應(yīng)用[8]。

f-CaO含量的影響各因素就是數(shù)學(xué)建模中用到的輔助參數(shù)。由于水泥熟料是在回轉(zhuǎn)窯中煅燒而成的，因此影響f-CaO含量的因素很多，而各個因素之間又存在互相影響。

一般研究者選取較多的是如下參數(shù)。窯主電機電流、二次風(fēng)溫、窯尾溫度、煙室氮氧化物含量、冷卻機二室壓力、分解爐溫度、窯頭負壓、煙室氧氣含量、煙室一氧化碳含量、窯轉(zhuǎn)速、三次風(fēng)溫、預(yù)熱器出口溫度、石灰石飽和系數(shù)(KH值)、硅酸率(SM值)、鋁率(IM值)、窯頭喂煤量、分解爐喂煤量等[9-11]。

王秀蓮[9]以pso-lssvm進行建模，并采用了加權(quán)相似度、加權(quán)K均值類聚算法、相似度閾值等方法加快計算時間，再與某生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行驗證。其研究模型輔助預(yù)測的f-CaO含量，可以用來控制頭煤加入量和生料加入量，滿足該生產(chǎn)線的工藝控制要求，有助于該生產(chǎn)線進行節(jié)能降耗和質(zhì)量達標(biāo)。但是該模型計算速度較慢且容易陷入錯誤的極值，還需要人工進行干預(yù)。

李京娜[10]以Matlab為工具建立多種算法進行比較校正，最后選用RPLS算法作為主要算法，并開發(fā)了構(gòu)建于Cimplicity的水泥生產(chǎn)f-CaO預(yù)測控制畫面。但是其數(shù)據(jù)計算需要定時的采用離線方式進行校正，準(zhǔn)確度低于其他文獻預(yù)測程度，且沒有在水泥生產(chǎn)線上進行實際的評估。

劉彬[11]以PSO-CDBN進行建模，結(jié)合灰關(guān)聯(lián)分析與水泥窯生產(chǎn)特點，建立了f-CaO輔助預(yù)測系統(tǒng)，并用某水泥廠線的實際運行數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練和校正。該廠中控室操作人員可以根據(jù)其模型預(yù)測的f-CaO含量調(diào)整窯尾窯中的工藝參數(shù)，對于解決f-CaO測量滯后的問題，未來水泥行業(yè)節(jié)能降耗提高質(zhì)量等均具有一定的指導(dǎo)意義。

WeitaoLi以多源數(shù)據(jù)系統(tǒng)學(xué)習(xí)開發(fā)出的水泥熟料f-CaO預(yù)測系統(tǒng)[12]，劉文光使用LS-SVM算法開發(fā)的水泥熟料f-CaO預(yù)測系統(tǒng)[7,13]等均取得了一定的成效。

3 總 結(jié)

國內(nèi)水泥企業(yè)目前普遍采用化學(xué)分析法測量f-CaO含量，但是由于化學(xué)分析法的不同步無法指導(dǎo)水泥生產(chǎn)。利用計算機數(shù)學(xué)模型輔助預(yù)測f-CaO含量，是目前國內(nèi)研究比較多的方法，在部分生產(chǎn)線上取得良好的預(yù)測效果，在一定程度上已經(jīng)可以指導(dǎo)水泥生產(chǎn)，是一項非常有前途的技術(shù)。