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水泥生产的多功能助剂&智能化——两件粉磨节能的新武器

作者:匿名

工信部的《2018年工业节能监察重点工作计划》,将重点对高耗能行业执行监察,重点对高耗能行业的阶梯电价执行监察,而且点名重点监察2017年能耗超标的钢铁、水泥、电解铝企业,以及日产2000吨以下具有熟料生产线的水泥企业。依然没有漏掉我们水泥行业!

  工信部的《2018年工业节能监察重点工作计划》,将重点对高耗能行业执行监察,重点对高耗能行业的阶梯电价执行监察,而且点名重点监察2017年能耗超标的钢铁、水泥、电解铝企业,以及日产2000吨以下具有熟料生产线的水泥企业。依然没有漏掉我们水泥行业!

  水泥企业在产能严重过剩的今天,既要承担关停并转、还要承担电价成本,真可谓是压力山大!水泥企业是能耗大户,除了煤耗以外另一项主要能耗就是电耗,而且降低电耗比降低煤耗还有更大的挖潜空间,节电就成为节能的重点;而就水泥企业的电耗来讲,主要又是粉磨电耗!

  在严厉的政策和严酷的市场面前,降低电耗、特别是降低粉磨电耗就成为当务之急。

  那么,如何最大限度地降低粉磨电耗呢?一方面要抓深度,搞几项有力度的节电措施;面对如此大的压力,同时要抓广度,不以害小而为之、不以利小而不为,要树立积少成多的概念,各种节电措施同时并举,杜绝各种耗电漏洞、深挖各种节电潜力,才能把电耗降到最低。

  具体来讲,有不少已经成熟的节电工艺和节电设备,比如高效风机、立磨、辊压机设备,以及联合粉磨、半终粉磨、终粉磨、分别粉磨工艺,只是在落实上还不到位;有一些近年兴起的节电措施,比如串级调速、陶瓷研磨体、立磨喂料锁风,方向是正确的,只是还需要加深认识,胆子再大一点,有问题在落实中完善。这些措施无疑都是非常重要的,在今天的峰会上,将有多位顶级专家为大家精彩演讲。

  还有一些有待检验的措施,需要我们进一步探索的新式武器。这次峰会的主题是“超低电耗 高性能水泥 无人值守”,我就给大家谈点新的东西,提供两项探索中的初步成果:多功能助剂与智能化。仅管尚不完善,但已经看到了曙光,但愿为超低电耗助力。

  一,水泥生产的多功能助剂

  助磨剂自引进国内以来,在降低水泥生产能耗、提升粉磨效率方面做出了突出贡献,这一点已经由最初的怀疑、中途的观望、发展到今天的普及。而近年来,随着业内的节电压力增大,如何进一步发挥助磨剂的作用、如何向生料粉磨工序拓展,正逐渐受到关注。

  大家知道,在水泥生产过程中,粉磨分为水泥粉磨和原料粉磨,都占有很大的电耗比重。同样是粉磨,助磨剂在水泥粉磨上已经有了很大的成果和进步,但在生料粉磨上为什么一直没有好的成果呢?

  企业追求的是效益,“任何一项技术都必须为生产创造效益,否则就失去了存在的意义,这个技术也就无法发展”。水泥助磨剂之所以能够得到迅速的普及和发展,是因为它能提高水泥产量、降低粉磨电耗,同时还能提升水泥强度、节省熟料的消耗、甚至改善水泥的性能,几项效果叠加具有显著的效益。

  而生料助磨剂不同,目前只着眼于生料粉磨系统,仅仅为了提升产量、节约电耗。在目前水泥行业产能过剩十分严重的今天,提产功能已经难以产生多大的效益;节电效果又十分有限,难以产生足够的效益。因此,在生产过程中,生料助磨剂产生的效益再减去投入的成本,也就所剩无几了。

  但是,生料粉磨虽有他的局限性,但也有优势。生料虽然只是水泥生产过程中的一个基本环节,但生料对水泥生产的后续环节有较长的影响。例如在后续的熟料烧成系统,生料粉磨的好坏,还将影响到熟料的煤耗、电耗、质量以及污染物排放,这几项又都是熟料成本的大项,叠加效益可能有较大提高。因此,提升生料助磨剂的根本在于其向后道工序的多功能化。只有以多功能为发展方向,才能解决有效果无效益的窘境。

  湖南岳阳的某公司首先在这方面做了尝试,在去年的芜湖助磨剂会议上,推出了一种“高分子多功能生料催化剂”,仅管大家对“催化”有不同的看法,但不管什么剂,对水泥生产有辅助功能,肯定是一种“水泥生产助剂”,而且取得了不错的效果。今天到会的有几家助磨剂企业,方向没有问题,你们也可以开发;更多的与会者是水泥企业,应该积极的跟进试用。

  该产品目前已经过了XS、SF、PJ、LY四条5000T/D线的工业实验,四条线上的实验表明:在生料配料过程中加入0.1~0.2%这种“生料催化剂”,不仅能在生料粉磨系统提产节电,而且可在烧成系统提产节电,能在降低分解炉出口操作温度的情况下,提高入窑生料分解率、提高F-CaO合格率、降标熟料烧成煤耗、提高熟料抗压强度,而且还具有降低废气SO2的功能。

  本人专程参与见证了LY公司5000T/D线的工业实验,现在把实验结果给大家简单汇报一下。

  整个实验方案原则上分五个时间段进行:

  1)在投入“生料催化剂”前,首先进行为期5天的“前空白期”实验,采集各种对比数据;

  2)在投入“生料催化剂”后,前2天作为“前过渡期”,观察采集各种数据变化,但这些数据不作为对比使用;

  3)自投入“生料催化剂”后的第三天开始,进行6天的“效果实验”,原计划为4月18日至4月23日,观察采集各种数据变化,记录各种异常情况;

  4)停用“生料催化剂”后,前2天作为“后过渡期”,观察采集各种数据变化,但这些数据不作为对比使用;

  5)自停用“生料催化剂”后的第三天开始,再进行5天“后空白期”实验,采集各种对比数据。

  6)在现场实验全部结束后,采用“效果实验”的统计数据,与“前空白期”加“后空白期”的统计数据,进行累计值的对比分析。

  该方案在实际操作中并未能完全执行,有三点需要说明:

  (1)由于发现“效果实验”期间的脱硫作用超出预想,又将“效果实验”延长了两天,结束时间由4月23日延长至4月25日;

  (2)4月19日9:00时转子秤断煤,4月19日19:00时至4月20日5:00时为煤磨故障,窑限产运行,该日数据剔除;

  (3)由于在4月27日“后过渡期”结束后,因窑已经到检修后期,但市场情况良好,为延长运行周期、确保后期的生产安全,厂方要求将窑的喂料量减产15-20t/h运行,已无法同等条件对比,经三方商议同意,“后空白期”只统计SO2数据对比,其他数据不再参与对比。

  如此,整体实验效果见表01-01所示。

  表01-01 生熟料系统产量、电耗 试验与空白对比

  由表01-01可见出,通过使用生料催化剂,生料磨机台时提高13.3t/h,至生料满库运行时间减少1.77h/d,生料电耗下降0.8Kwh/t;熟料产量对比提高38.1t/d,熟料综合电耗下降1.62 Kwh/t。

  通过添加生料催化剂,烧成系统的尾气排放得到改善,特别是SO2排放明显降低,详细的对比数据见表01-02所示,总体变化趋势如图01-01所示。

  表01-02 添加生料催化剂对尾气排放的影响

  图01-01  4月11日-5月1日进脱硫塔SO2浓度总体趋势图

  由表01-02可见,通过使用“生料催化剂”,“效果实验”期间排放烟气的SO2、NOx、粉尘均有下降,尤其是SO2下降幅度较大,与“前空白期”对比分别下降了545mg/m?、23mg/m?、2.9 mg/m?。

  由图01-01可见,在4月18日至4月25日加掺“生料催化剂”期间,SO2排放明显降低,而在4月26日下午停用“生料催化剂”后,SO2排放浓度又迅速回升。

  LY实验的最后结论为:在该5000t/d线的原料加入0.148%的“生料催化剂”后,实验对比取得如下结果:

  1)生料磨机台时产量平均提高13.3t/h,

  2)熟料综合电耗平均下降1.62 Kwh/t;

  3)熟料标煤耗平均降低3.1kg/t熟料;

  4)熟料3天强度平均提高1.0MPa;

  5)窑尾烟气中的SO2平均下降545mg/m3;

  6)窑尾烟气中的NOx、粉尘排放也均有所下降。

  二,水泥粉磨系统的智能化

  基于《中国制造2025》规划关于建设制造业强国的发展要求,实现我国水泥生产由大变强的转变,面向智能化的发展已成为水泥行业不可回避的问题。早在2015年01月30日,工业和信息化部就发布了《原材料工业两化深度融合推进计划(2015-2018年)》(以下简称“推进计划”),明确要求水泥行业要建立“智能水泥工厂”。

  在产能严重过剩、市场竞争激烈的情况下,淘汰落后产能也是大势所趋,不是智能化的水泥厂恐怕不能算是先进工厂吧?目前,我国的年水泥产量虽然已经达到23亿吨规模,但我们算不算一个水泥强国呢?

  拿号称国内最先进的泰安中联来比,也还需要70多人,而泰国的老城堡水泥厂,同样是5000t/d的生产规模,全厂每班只有3个定员。其中中控室只有1人,而且还肩负化验室的所有职能。定员是先进程度的特征指标,减少定员离不开可靠的装备和高度的智能化!我们还有差距,必须奋力直追。

  1,智能水泥厂的概念

  什么是智能?我们先用现代语言探讨一下“智能”概念。所谓的“人类智慧”,是从感知(信息的检测与传递)到记忆(信息的储存)再到思维(对信息的逻辑化处理、对已有逻辑的因果类比),这一过程被称为“智慧”;智慧的结果(因果类比的导向作用)产生了行为和语言,将行为和语言的表达过程称为“能力”;将智慧和能力合在一起就是“智能”。应该说,人类的智能是最高的,智能化就是让企业向人类趋近。

  类比于人类,我们讲一个人非常“聪明”,本意是说他的脑子好用,但“聪明”的具体指向是“耳聪目明”,可见及时、准确、甚至量化的信息对“大脑”的作用是多么重要;我们说这个人“心灵手巧”,又是在强调执行机构的重要性,没有理想的执行机构,再好用的脑子又有什么用呢、而且没有“巧手”的实践又如何演化出“心灵”的大脑呢?

  智能化并不简单等同于自动化,这是智能化发展中必须突破的思维概念,也是目前国内智能化开发中存在的一个主要问题。智能化是自动化的高级发展,自动化是智能化的基础部分;智能化是在自动化基础上,通过引入“数字化、信息化、网络化”,实现了一些智慧和能力的高级发展。

  一般的自动化系统或装置,只能根据预设的因果关系进行操作调整实现无人控制,但一般会出现对于不同情况作出相同反应的结果,就像所有的生物具有一定的遗传本能一样,多用于重复性的工作或工程中。

  而智能化是在自动化基础上又加入了类似于人类的智慧程序,智能化具有一定的学习能力,能够跟踪变化了的情况自我总结新的因果关系,根据不同的变化作出不同的反应,就像高等动物除了本能以外还具有一定的自适应能力。

  因此,如何建立一个智能水泥厂,应该是一个智能化与自动化的结合,在装备的运行维护上实现高度自动化、在生产管理和工艺操作上实现高度智能化。

  我们再来看看“推进计划”给出的工信部“智能水泥厂”概念:

  (1)基于自适应控制、模糊控制、专家控制等先进技术,利用智能仪器仪表、工业机器人、计算机仿真、移动应用等信息系统与专用装备,进一步突出实时控制、运行优化和综合集成,基本实现矿山开采、配料管控、窑炉烧成、水泥粉磨全系统全过程的智能优化;

  (2)应用机器人等技术,在矿山爆破排险、窑炉运行维护、投料装车作业、高温高尘抢修等,危害、危险、重复作业的环节,基本实现无人值守或机器人替代人工作业;

  (3)建设信息物理融合系统(CPS),实现企业生产运营的自动化、数字化、模型化、可视化、集成化,提高企业劳动生产率、安全运行能力、应急响应能力、风险防范能力和科学决策能力;

  (4)在生产管控和经营决策中,通过大数据平台建设,应用商业智能系统(BI)和产品生命周期管理(PLM),建立对采购、生产、仓储、销售、运输、质量、资源、能源和财务等全方位的智能管控平台,实现产品、市场和效益的动态监控、预测预警,提升各环节的资源优化配置能力和智能决策水平;

  (5)建立与供应商和用户的上下游协作管理系统,按照供应商提前介入(EVI)、准时生产技术(JIT)等模式,统一企业资源计划(ERP)等企业业务系统间信息交换接口、标准和规范,通过信息共享和实时交互,实现物料协同、储运协同、订货业务协同以及财务结算协同。

  2,走向智能水泥厂的技术路线

  看似简单的水泥工艺,其过程中包含有大量的物理反应、化学反应以及物理化学反应,囊括了地质学、矿物学、岩相学、流体学、燃烧学、热传导、结晶学等等学科,要使整个过程处于受控状态,按照我们设计的P-T-t轨迹(矿物学术语)运行,不但需要维持物料的量和质的均衡稳定,而且必须维持好各系统各工序各特征参数的稳定。

  对于大工业生产,各种原燃材料以及各工序的工况,其波动是难以避免的,各项生产控制参数的稳定、以及过程产品和成品性能指标的稳定,都需要通过及时地操作调整才能得以实现。这些操作调整,可以是人工手动的,也可以是仪表自控的,但最好是智能程控的。那么,如何对一条水泥生产线实施智控呢?

  这里将范围收缩回来,以水泥粉磨系统为例,谈谈智控的技术路线:

  应该说,我们在水泥磨的操作控制上已经下了不少功夫,跟随预分解烧成工艺的发展,水泥粉磨几乎都采用了磨音自控系统,其建立的调节模型为:“水泥磨喂料量”=>“磨音信号”,(注:A=>B为逻辑学符号,表示命题A与B的蕴涵关系,后同)。实践证明,这个回路在粉磨系统正常时有一定的作用,但在系统出现较大波动、正是需要它发挥作用的时候,它却“掉链子”了,不但几乎是没有作用,有时甚至起副作用。

  仔细分析便会发现,调节模型(单变量)建立的过于简单。影响“磨音信号”的因素,并不只是一个“喂料量”,还与诸如“原料配比、原料水分、入磨粒度或细度、研磨体状态、磨内通风、出磨细度”等有关。欲稳定“磨音信号(磨内填充率的特征信号)”,必须建立起符合现场实际的多变量控制模型;而且,水泥粉磨的最终目的并不是稳定磨内填充率,而是获得理想细度的产品。

  实际上,水泥粉磨过程的控制目的,在于保证水泥细度、温度等指标的前提下,实现产量的最大化和电耗的最小化。在配料组分有效控制的情况下,水泥细度是控制系统调控的主要质量指标,调控细度的主要措施都影响到粉磨系统的产量,产量的高低又影响到电耗。

  水泥细度是粉磨系统最重要的控制指标,既影响到水泥的质量(强度等)又影响到系统产量(电耗等),质量和产量是系统操作中需要平衡的主要矛盾,这个平衡点就是一个合适且稳定的细度。因此,水泥细度的稳定能减少产能和电耗的浪费,有效发挥粉磨系统的能力和降低粉磨电耗,“水泥细度”就成为自控系统的关键变量。

  我们可以建立一个多变量调整模型:水泥细度=>∑(水泥磨喂料量、原料配比、原料水分、入磨粒度或细度、研磨体状态、磨内通风、出磨细度、循环负荷……)。总之,只要你能想到的因素就只管往蕴含变量里加,然后进行相关性统计分析。根据不同的相关系数给予各变量不同的调节权重,各变量对于水泥细度调节量的代数和,便是水泥细度的调节量。

  相关性分析并不复杂,用计算机程序来做相关性分析更是小菜一碟。不仅可以从初始的统计分析开始,设定初始的调节权重,而且要每时、每天、每月、每年的一直做下去,以适应各种因素的变化。

  为了适应各种因素的新情况、新变化,设定按照“先入先出的原则”滚动记录最近7天(可根据实际情况的异变速度和频次,确定和调整滚动天数)的数据、并进行相关性滚动分析。根据最新的分析结果及时地调整调节权重的分配,使其在不断的循环调整中趋于合理化,自动调节回路(已经是智能调节回路)的效果就会越来越好。

  3,德国STEAG PiT在中国的实践

  PiT Navigator系统,通常在球磨机的进料端安装两个“磨音指示器”,其中一个装于“有料侧”、另一个装于“无料侧”,用以反应磨内物料的填充程度;在选粉机入口、回料和成品收集的相关部位,安装有振动传感器,用以反应相关的物料量,继而求得循环负荷、选粉机效率等参数。

  在上述硬件的基础上,系统配置有所谓“水泥磨导航器”,对水泥磨机和选粉机等设备进行优化控制。该“导航器”可实现相关数据的自动采集与分析,并通过自适应、自学习的非线性模型预测控制,实现对水泥粉磨系统磨的智能控制,其控制测量流程如图02-01所示。

  图02-1  PiT Navigator水泥磨控制系统

  2017年03月30日,德国Steag公司联合上海某公司,与中国的JL水泥公司签署了在5000t/d熟料线上使用PiT的合同,经过安装调试后,于2018年01月21日至01月30日进行了“5天在线、5天离线”的验收对比。PiT对稳定烧成概况发挥了很好的作用,在生料水硬率HM提高了21.15%的情况下,熟料F-CaO却降低了26.21%,为提产提质降耗减排打下了基础。

  按照JL公司的总结:PiT在线运行和离线运行对比,预热器出口温度标准偏差下降87%(从-9.8℃到1.1℃),分解炉出口温度标准偏差下降39%(从5.6℃到3.4℃),窑电流标准偏差下降45%(从36A下降到19A),窑头负压标准偏差下降29%(从24.9Pa到17.5Pa),窑头罩温度标准偏差下降16%(从24.2℃到20.2℃)。

  在窑上取得初步结果的鼓励下,他们又将PiT技术锁定了水泥粉磨系统。德国Steag在水泥磨系统的PiT智控系统如图02-02所示,由监测模块、预测模块、自寻优控制模块构成,采用聚类分析、神经元网络建模、模型预测等技术,具备全局优化和自学习功能,所有控制目标由系统自行探索、设定,适应性较强,可持续稳定在无人干预情况下运行。

  图02-02 德国Steag的水泥磨PiT智控系统

  PIT系统根据生产过程数据,包括实际喂料量、物料配比与水泥强度、颗粒级配与水泥强度、磨头磨尾压差与磨内通风、磨尾温度与磨内喷水、选粉机转速与风量、回粉量大小、提升机电流、磨内填充率(磨音、磨震),综合考虑实际工况和外部变量的影响,通过机理模型,实现对粉磨系统的自我实时优化。

  PIT系统可基于系统的优化计算,自我设定系统喂料量、磨内填充率、系统风机转速、选粉机转数、循环风机转速、物料配比、颗粒级配等被控变量的控制目标,并持续优化。从而在低电耗、低料耗(熟料)的情况下,实现较高的台时产量、稳定的水泥质量。该系统基本符合我们前面讲的智能水泥厂概念。

  2018年05月25日该系统在JL公司的2#水泥磨上投入运行,本人专程前往参与并见证了调试情况。目前该系统尚未调试结束,但至05月29日本人离开,已看到了对系统的稳定作用,让我们期待好的结果。图02-03、图02-04、图02-05,显示了PiT在线前后几个关键参数的运行曲线。

图02-03  PIT在线前后几个主要参数曲线的对比

图02-04  PIT在线前后喂料量和填充率的曲线对比

  图02-05  PIT在线对水泥比表面积的稳定效果

  由图02-03、图02-04可见,在PIT系统投入运行以后,粉磨系统的几个主要参数都趋于更加稳定;图02-05是本人离开后接到的资料,可见PIT在线能使比表面积迅速稳定下来。

  虽然,目前还没有最后的分析总结,但我们知道,对于水泥生产来讲,稳定就可减少浪费、稳定就会产生效益。所谓“领导看效益(只看表皮),内行看稳定(看透过程)”,在座的都是内行,让我们翘首以待。

  另外,还有些感受需要汇报给大家:

  (1)智能技术不是万能的,是一项好上加好的技术。没有可靠的装备和稳定的生产运行,智能技术很难取得效果,因为它需要自我学习,在不正常的环境下无法自我进步。这就像把一个高材生放到叙利亚去,希望他出几个科研成果,只能是妄想;

  (2)人类的智能是最高的,智能技术不可能超过人类,但能解决人的责任心和劳累问题,是一项挖潜技术。几位德国专家讲的很实在,PIT系统在欧洲的使用效果普遍好于中国,为什么?因为欧洲的操作员没有中国的操作员高度负责和吃苦耐劳。

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