在线粒度分析仪在水泥粉磨系统的应用

李 辉

（中建材（合肥）粉体科技装备有限公司，安徽 合肥 230051）

长期以来，水泥粉磨行业的质量控制主要都是依靠化验室的人工取样与人工检测，频繁的取样使化验员大部分的工作时间，都耗费在现场往复的奔波之中；人工的检测，又给化验结果引入了操作误差；取样和检验的时间耗费，带来检验结果的滞后，又给中控操作员的生产控制带来了很大困扰。

近年来，在线粒度分析仪的推广与应用，给上述几个问题提供了一个完美解决方案，其在线取样、实时检测，实时反馈的特点，减轻了化验员的工作量，消除了人为操作的化验误差，同时又能够给中控操作员的生产控制以实时的指导，更进一步，也为粉磨系统先进过程控制的实施提供了一个最重要的实时质量数据。我公司在水泥粉磨系统的设计与工程总承包项目中，也曾经使用过马尔文和Xoptix的在线粒度分析仪，积累了一些使用经验。本文通过对Xoptix在线粒度分析仪安装和使用经验的分享，希望帮助大家在今后的工程实施中，能够更好地使用在线粒度分析仪，为水泥粉磨系统的质量提升、能耗降低、降本增效，做出一份贡献。

在线粒度分析仪系统主要由：螺旋取样器、文丘里取样系统、回样系统、激光检测器、现场电控箱和粒度分析仪电脑等组成见图1。螺旋取样器从工艺管道里进行一次取样；文丘里取样系统从螺旋取样器的下料管进行二次取样；并将样品送入激光检测器；激光检测器通过激光衍射原理测量水泥颗粒的大小；并将数据通过现场电控箱和通讯网络送入粒度分析仪电脑，进行实时的计算与显示。所有的样品通过回样系统实时回样至工艺管道，不需要人工清理。

1 螺旋取样器预取样

与化验室人工取样一样，想要得到准确的测量结果，首先必须解决取样的代表性问题。然而水泥粉磨系统中大量阀门的动作、执行器的调整、收尘器的卸灰等，都会导致工艺管道内风与料的变化，进而导致料层厚度和物料分层情况的变化，给取样代表性带来很大的难度。

常规的解决办法是通过螺旋取样器进行预取样：在螺旋取样器上，均匀地开几个大小相同的取样小孔，小孔深入到工艺管道的各层，同时进样。这就保证了无论料层厚度和物料分层情况如何变化，都能按比例取到各种大小的水泥颗粒。

图1 粒度分析仪系统的组成图

螺旋取样器安装的最佳位置是在斜槽的下料溜子处，这里倾斜角度较大，水泥颗粒能够充分分散，以利于每个小孔都能取到相应颗粒分布的样品；同时，下料溜子的高差，也方便了取样与回料的垂直布置。取样器的搅拌作用能够将样品充分混合均匀，消除物料分层的影响。为下一步的文丘里管取样提供了代表性好的水泥样品。

2 文丘里管取样

螺旋取样器预取样，从每小时两百吨左右的水泥成品中取出了颗粒分布相同、混合均匀、每小时十几公斤的代表样品。然而对于激光检测环节来说，每小时十几公斤的样品量仍然过大。这么大量的样品进入检验池，将会导致样品浓度过大，颗粒扎堆，无法充分分散，无法准确识别颗粒尺寸分布。因此，在螺旋取样器预取样环节后面，设置了小孔取样。

小孔取样通过文丘里效应形成的负压与增压空气的正压共同作用，使得小孔处对外界气压为零，保证样品自由下落进入小孔，不会有更多的细颗粒或粗颗粒进入样品池中。

3 激光检测环节

小孔取样的样品，进入样品池中，即激光检测环节。在这个环节，分散气对样品进行持续吹散，将抱团的水泥颗粒充分打散，使得检测能够尽量准确。激光照射到样品颗粒上时，被颗粒衍射。激光照射到小颗粒，被衍射的角度较大；照射到大颗粒，被衍射的角度较小见图2。原始激光及被衍射的激光，分别被处于中心的0号接收器以及沿环形依次向外分布的1～31号接收器所接收。根据每个接收器接收到的激光强度，通过软件计算，就能推算出相应大小的水泥颗粒的量。

4 回样环节

图2 激光衍射测量颗粒分布的原理

图3 现场控制箱

图4 液晶显示屏的显示模式

图5 液晶显示屏的激光校准模式

螺旋取样器的回样及激光检测的回样，分别经过粗回样管和细回样管实时返回工艺输送管道，无需再对回样进行人工清理。

5 现场控制箱

现场配置3台电控箱见图3，从左往右分别是螺旋取样器电控箱、电源及通讯电控箱、粒度分析仪电控箱。其中，螺旋取样器的电控箱，负责控制螺旋取样器的启停，调节螺旋取样器的取样速度；电源及通讯电控箱，负责电源的接入和分配，以及通过光电转换器将RS422信号至光信号的转换及传输；粒度分析仪的电控箱，负责压缩空气的接入和分配、粒度分析仪检测信号的输入、RS422和4～20mA检测信号的输出。

在粒度分析仪电控箱上的液晶显示屏，可以实时显示两组检测数据。用户可以通过自定义的方式，设定这两组检测数据为：浓度、比表等检测信息见图4。

同时，仪器的样品池采用一体化设计，维护后无需进行繁琐的对焦调整。但需要进行激光校准，保证无样品通过样品池时，激光准确地照射到0号接收器上。在进行激光校准的时，可以将液晶屏调至校准模式，此时，液晶屏上显示0～31号激光接收器所接收的激光强度见图5，方便进行校准操作。

6 数据传输及处理

Xoptix的检测数据通过RS422电缆、光电转换器、光缆等通讯线路接入中控室的专用粒度分析仪电脑。电脑实时显示样品浓度，激光强度、各颗粒段的分布、比表面积见图6等参数曲线，实时做出样品的颗粒分布见图7。这些数据都可以通过OPC通讯的方式，传输至中控操作员电脑上，为操作员的系统调整提供实时的参考。

图6 检测数据

图7 颗粒分布图

另外Xoptix还提供了两路4～20mA模拟量信号输出，可直接将检测数据传输至现场PLC。再通过现场和中控室的DCS网络，将信号送至中控的DCS电脑。

7 压缩空气

粒度分析仪的取样、送样、分散、回样及镜片的保护、管道的通畅等环节都需要压缩空气。稳定、清洁的压缩空气对于粒度分析仪的连续、稳定运行至关重要。粒度分析仪允许的最大压缩空气气压为6.8bar，正常的压缩空气气压范围为4～6bar，当压缩空气小于4bar时，仪器无法保证检测数据的准确性。同时压缩空气的供气流量要求达到每小时18m3，当流量无法保证时，需要考虑配置储气罐。压缩空气中的油和水，对镜片的清洁和管道的通畅有很大的影响，必须在进气端配置完善的除油除水措施，滤除压缩空气中的油和水。

清洁后的压缩空气，送入粒度分析仪电控箱，在电控箱上进行压缩空气的再次分配，分配后有五路压缩空气输出，从左往右分别是：负责镜片保护的一级气幕及二级气幕，负责取样的文丘里气及增压空气，以及第五路负责镜片吹扫的压缩空气见图8。其中前四路压缩空气，配有流量计，可以进行流量调节，以适应取样及保护的需要。最后一路镜片吹扫，未配置流量调节手段，是在镜片出现灰尘的时候，对镜片进行压缩空气吹扫。

图8 压缩空气的分配

图9 化验室人工测量与在线自动测量的数据关系

8 粒度分析仪数据的使用

中控室配置1台专用的粒度分析仪电脑，用于程序组态、数据处理及结果显示。电脑安装有专用的组态软件，用于控制螺旋取样器的启停，控制现场仪器各阀门的开闭时序，实现检测、吹扫、停机等工作；并接收现场发送的检测数据，做出粒度分布图，供操作员实时参考，进行系统调整。用户也可自行定制如：样品浓度、＜3μm、3μm～32μm、＞80μm等数据，并做出趋势曲线图。所有检测数据，均进行实时归档保存，用户可以实时查询。

需要注意的是由于测量原理的不同，在线激光粒度仪的测量数据与勃氏透气法的测量数据存在着一定的偏差。不能直接拿勃氏透气仪的质量控制指标数据，来要求在线激光粒度仪。但两种总体趋势和数据的对应性是吻合的。经过一段时间的比对和观察，可以找到两者之间的相互关系见图9。

除此之外，通过粒度分析仪的使用，将传统化验室人工取样检测的离散质量数据，转变为在线连续数据，为水泥粉磨生产线控制水平的提升，提供了必要的条件。后期配合实施先进过程控制系统，用APC软件进行自动的生产控制，将低频率大幅度的人工操作，转变为高频率小幅度的自动调整，能够达到提高产品质量的稳定性、避免过度粉磨、增加产量、降低电耗、节约人力成本、降低熟料掺量等目标，为企业带来实实在在的经济效益。