在線(xiàn)粒度分析儀在水泥粉磨系統(tǒng)的應(yīng)用

李 輝

（中建材（合肥）粉體科技裝備有限公司，安徽 合肥 230051）

長(zhǎng)期以來(lái)，水泥粉磨行業(yè)的質(zhì)量控制主要都是依靠化驗(yàn)室的人工取樣與人工檢測(cè)，頻繁的取樣使化驗(yàn)員大部分的工作時(shí)間，都耗費(fèi)在現(xiàn)場(chǎng)往復(fù)的奔波之中；人工的檢測(cè)，又給化驗(yàn)結(jié)果引入了操作誤差；取樣和檢驗(yàn)的時(shí)間耗費(fèi)，帶來(lái)檢驗(yàn)結(jié)果的滯后，又給中控操作員的生產(chǎn)控制帶來(lái)了很大困擾。

近年來(lái)，在線(xiàn)粒度分析儀的推廣與應(yīng)用，給上述幾個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)完美解決方案，其在線(xiàn)取樣、實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)時(shí)反饋的特點(diǎn)，減輕了化驗(yàn)員的工作量，消除了人為操作的化驗(yàn)誤差，同時(shí)又能夠給中控操作員的生產(chǎn)控制以實(shí)時(shí)的指導(dǎo)，更進(jìn)一步，也為粉磨系統(tǒng)先進(jìn)過(guò)程控制的實(shí)施提供了一個(gè)最重要的實(shí)時(shí)質(zhì)量數(shù)據(jù)。我公司在水泥粉磨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程總承包項(xiàng)目中，也曾經(jīng)使用過(guò)馬爾文和Xoptix的在線(xiàn)粒度分析儀，積累了一些使用經(jīng)驗(yàn)。本文通過(guò)對(duì)Xoptix在線(xiàn)粒度分析儀安裝和使用經(jīng)驗(yàn)的分享，希望幫助大家在今后的工程實(shí)施中，能夠更好地使用在線(xiàn)粒度分析儀，為水泥粉磨系統(tǒng)的質(zhì)量提升、能耗降低、降本增效，做出一份貢獻(xiàn)。

在線(xiàn)粒度分析儀系統(tǒng)主要由：螺旋取樣器、文丘里取樣系統(tǒng)、回樣系統(tǒng)、激光檢測(cè)器、現(xiàn)場(chǎng)電控箱和粒度分析儀電腦等組成見(jiàn)圖1。螺旋取樣器從工藝管道里進(jìn)行一次取樣；文丘里取樣系統(tǒng)從螺旋取樣器的下料管進(jìn)行二次取樣；并將樣品送入激光檢測(cè)器；激光檢測(cè)器通過(guò)激光衍射原理測(cè)量水泥顆粒的大小；并將數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)電控箱和通訊網(wǎng)絡(luò)送入粒度分析儀電腦，進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算與顯示。所有的樣品通過(guò)回樣系統(tǒng)實(shí)時(shí)回樣至工藝管道，不需要人工清理。

1 螺旋取樣器預(yù)取樣

與化驗(yàn)室人工取樣一樣，想要得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，首先必須解決取樣的代表性問(wèn)題。然而水泥粉磨系統(tǒng)中大量閥門(mén)的動(dòng)作、執(zhí)行器的調(diào)整、收塵器的卸灰等，都會(huì)導(dǎo)致工藝管道內(nèi)風(fēng)與料的變化，進(jìn)而導(dǎo)致料層厚度和物料分層情況的變化，給取樣代表性帶來(lái)很大的難度。

常規(guī)的解決辦法是通過(guò)螺旋取樣器進(jìn)行預(yù)取樣：在螺旋取樣器上，均勻地開(kāi)幾個(gè)大小相同的取樣小孔，小孔深入到工藝管道的各層，同時(shí)進(jìn)樣。這就保證了無(wú)論料層厚度和物料分層情況如何變化，都能按比例取到各種大小的水泥顆粒。

圖1 粒度分析儀系統(tǒng)的組成圖

螺旋取樣器安裝的最佳位置是在斜槽的下料溜子處，這里傾斜角度較大，水泥顆粒能夠充分分散，以利于每個(gè)小孔都能取到相應(yīng)顆粒分布的樣品；同時(shí)，下料溜子的高差，也方便了取樣與回料的垂直布置。取樣器的攪拌作用能夠?qū)悠烦浞只旌暇鶆?，消除物料分層的影響。為下一步的文丘里管取樣提供了代表性好的水泥樣品?/p>

2 文丘里管取樣

螺旋取樣器預(yù)取樣，從每小時(shí)兩百?lài)嵶笥业乃喑善分腥〕隽祟w粒分布相同、混合均勻、每小時(shí)十幾公斤的代表樣品。然而對(duì)于激光檢測(cè)環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，每小時(shí)十幾公斤的樣品量仍然過(guò)大。這么大量的樣品進(jìn)入檢驗(yàn)池，將會(huì)導(dǎo)致樣品濃度過(guò)大，顆粒扎堆，無(wú)法充分分散，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別顆粒尺寸分布。因此，在螺旋取樣器預(yù)取樣環(huán)節(jié)后面，設(shè)置了小孔取樣。

小孔取樣通過(guò)文丘里效應(yīng)形成的負(fù)壓與增壓空氣的正壓共同作用，使得小孔處對(duì)外界氣壓為零，保證樣品自由下落進(jìn)入小孔，不會(huì)有更多的細(xì)顆?；虼诸w粒進(jìn)入樣品池中。

3 激光檢測(cè)環(huán)節(jié)

小孔取樣的樣品，進(jìn)入樣品池中，即激光檢測(cè)環(huán)節(jié)。在這個(gè)環(huán)節(jié)，分散氣對(duì)樣品進(jìn)行持續(xù)吹散，將抱團(tuán)的水泥顆粒充分打散，使得檢測(cè)能夠盡量準(zhǔn)確。激光照射到樣品顆粒上時(shí)，被顆粒衍射。激光照射到小顆粒，被衍射的角度較大；照射到大顆粒，被衍射的角度較小見(jiàn)圖2。原始激光及被衍射的激光，分別被處于中心的0號(hào)接收器以及沿環(huán)形依次向外分布的1～31號(hào)接收器所接收。根據(jù)每個(gè)接收器接收到的激光強(qiáng)度，通過(guò)軟件計(jì)算，就能推算出相應(yīng)大小的水泥顆粒的量。

4 回樣環(huán)節(jié)

圖2 激光衍射測(cè)量顆粒分布的原理

圖3 現(xiàn)場(chǎng)控制箱

圖4 液晶顯示屏的顯示模式

圖5 液晶顯示屏的激光校準(zhǔn)模式

螺旋取樣器的回樣及激光檢測(cè)的回樣，分別經(jīng)過(guò)粗回樣管和細(xì)回樣管實(shí)時(shí)返回工藝輸送管道，無(wú)需再對(duì)回樣進(jìn)行人工清理。

5 現(xiàn)場(chǎng)控制箱

現(xiàn)場(chǎng)配置3臺(tái)電控箱見(jiàn)圖3，從左往右分別是螺旋取樣器電控箱、電源及通訊電控箱、粒度分析儀電控箱。其中，螺旋取樣器的電控箱，負(fù)責(zé)控制螺旋取樣器的啟停，調(diào)節(jié)螺旋取樣器的取樣速度；電源及通訊電控箱，負(fù)責(zé)電源的接入和分配，以及通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將RS422信號(hào)至光信號(hào)的轉(zhuǎn)換及傳輸；粒度分析儀的電控箱，負(fù)責(zé)壓縮空氣的接入和分配、粒度分析儀檢測(cè)信號(hào)的輸入、RS422和4～20mA檢測(cè)信號(hào)的輸出。

在粒度分析儀電控箱上的液晶顯示屏，可以實(shí)時(shí)顯示兩組檢測(cè)數(shù)據(jù)。用戶(hù)可以通過(guò)自定義的方式，設(shè)定這兩組檢測(cè)數(shù)據(jù)為：濃度、比表等檢測(cè)信息見(jiàn)圖4。

同時(shí)，儀器的樣品池采用一體化設(shè)計(jì)，維護(hù)后無(wú)需進(jìn)行繁瑣的對(duì)焦調(diào)整。但需要進(jìn)行激光校準(zhǔn)，保證無(wú)樣品通過(guò)樣品池時(shí)，激光準(zhǔn)確地照射到0號(hào)接收器上。在進(jìn)行激光校準(zhǔn)的時(shí)，可以將液晶屏調(diào)至校準(zhǔn)模式，此時(shí)，液晶屏上顯示0～31號(hào)激光接收器所接收的激光強(qiáng)度見(jiàn)圖5，方便進(jìn)行校準(zhǔn)操作。

6 數(shù)據(jù)傳輸及處理

Xoptix的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RS422電纜、光電轉(zhuǎn)換器、光纜等通訊線(xiàn)路接入中控室的專(zhuān)用粒度分析儀電腦。電腦實(shí)時(shí)顯示樣品濃度，激光強(qiáng)度、各顆粒段的分布、比表面積見(jiàn)圖6等參數(shù)曲線(xiàn)，實(shí)時(shí)做出樣品的顆粒分布見(jiàn)圖7。這些數(shù)據(jù)都可以通過(guò)OPC通訊的方式，傳輸至中控操作員電腦上，為操作員的系統(tǒng)調(diào)整提供實(shí)時(shí)的參考。

圖6 檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 顆粒分布圖

另外Xoptix還提供了兩路4～20mA模擬量信號(hào)輸出，可直接將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場(chǎng)PLC。再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和中控室的DCS網(wǎng)絡(luò)，將信號(hào)送至中控的DCS電腦。

7 壓縮空氣

粒度分析儀的取樣、送樣、分散、回樣及鏡片的保護(hù)、管道的通暢等環(huán)節(jié)都需要壓縮空氣。穩(wěn)定、清潔的壓縮空氣對(duì)于粒度分析儀的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。粒度分析儀允許的最大壓縮空氣氣壓為6.8bar，正常的壓縮空氣氣壓范圍為4～6bar，當(dāng)壓縮空氣小于4bar時(shí)，儀器無(wú)法保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)壓縮空氣的供氣流量要求達(dá)到每小時(shí)18m3，當(dāng)流量無(wú)法保證時(shí)，需要考慮配置儲(chǔ)氣罐。壓縮空氣中的油和水，對(duì)鏡片的清潔和管道的通暢有很大的影響，必須在進(jìn)氣端配置完善的除油除水措施，濾除壓縮空氣中的油和水。

清潔后的壓縮空氣，送入粒度分析儀電控箱，在電控箱上進(jìn)行壓縮空氣的再次分配，分配后有五路壓縮空氣輸出，從左往右分別是：負(fù)責(zé)鏡片保護(hù)的一級(jí)氣幕及二級(jí)氣幕，負(fù)責(zé)取樣的文丘里氣及增壓空氣，以及第五路負(fù)責(zé)鏡片吹掃的壓縮空氣見(jiàn)圖8。其中前四路壓縮空氣，配有流量計(jì)，可以進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，以適應(yīng)取樣及保護(hù)的需要。最后一路鏡片吹掃，未配置流量調(diào)節(jié)手段，是在鏡片出現(xiàn)灰塵的時(shí)候，對(duì)鏡片進(jìn)行壓縮空氣吹掃。

圖8 壓縮空氣的分配

圖9 化驗(yàn)室人工測(cè)量與在線(xiàn)自動(dòng)測(cè)量的數(shù)據(jù)關(guān)系

8 粒度分析儀數(shù)據(jù)的使用

中控室配置1臺(tái)專(zhuān)用的粒度分析儀電腦，用于程序組態(tài)、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示。電腦安裝有專(zhuān)用的組態(tài)軟件，用于控制螺旋取樣器的啟停，控制現(xiàn)場(chǎng)儀器各閥門(mén)的開(kāi)閉時(shí)序，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、吹掃、停機(jī)等工作；并接收現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送的檢測(cè)數(shù)據(jù)，做出粒度分布圖，供操作員實(shí)時(shí)參考，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。用戶(hù)也可自行定制如：樣品濃度、＜3μm、3μm～32μm、＞80μm等數(shù)據(jù)，并做出趨勢(shì)曲線(xiàn)圖。所有檢測(cè)數(shù)據(jù)，均進(jìn)行實(shí)時(shí)歸檔保存，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)查詢(xún)。

需要注意的是由于測(cè)量原理的不同，在線(xiàn)激光粒度儀的測(cè)量數(shù)據(jù)與勃氏透氣法的測(cè)量數(shù)據(jù)存在著一定的偏差。不能直接拿勃氏透氣儀的質(zhì)量控制指標(biāo)數(shù)據(jù)，來(lái)要求在線(xiàn)激光粒度儀。但兩種總體趨勢(shì)和數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)性是吻合的。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的比對(duì)和觀察，可以找到兩者之間的相互關(guān)系見(jiàn)圖9。

除此之外，通過(guò)粒度分析儀的使用，將傳統(tǒng)化驗(yàn)室人工取樣檢測(cè)的離散質(zhì)量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)，為水泥粉磨生產(chǎn)線(xiàn)控制水平的提升，提供了必要的條件。后期配合實(shí)施先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)，用APC軟件進(jìn)行自動(dòng)的生產(chǎn)控制，將低頻率大幅度的人工操作，轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l率小幅度的自動(dòng)調(diào)整，能夠達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、避免過(guò)度粉磨、增加產(chǎn)量、降低電耗、節(jié)約人力成本、降低熟料摻量等目標(biāo)，為企業(yè)帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益。