水泥厂粉体物料计量技术的应用和发展

1、水泥厂粉体物料计量技术的应用和发展 侯贵斌 雷仕庆(合肥水泥研究设计院安徽合肥230051捅要:本文从粉体的特性、粉体的工艺流程入手,结合测量技术和控制理论的发展,讲述了在水泥 行业粉体物料计量技术的应用和发展,并介绍了粉体物料计量系统的组成和几种典型应用。关键词:粉状物料、定量控制、计量技术0引言 、现代水泥工业。以其特有的原料、产品和生产方式,使其与计量控制特别是粉状物料的计量控制 有着密不可分的联系。水泥工业中粉体物料的计量控制涵盖了现代电子称重计量、现代控制系统工程 理论和现代工艺流程设计等全方位的理论和知识。在现代新型干法水泥生产中,回转窑窑尾生料粉输 送计量控制、窑头和分解炉的煤粉

2、输送计量控制、Ps、PF等水泥中粉煤灰添加的计量控制,以及在现 代新型建材超细粉和添加剂的计量控制等等,对这些粉体物料的计量控制,无一不对水泥工业产品的 产量、质量起着至关重要的作用。因此如何保证粉状物料在计量控制过程中的稳定性、快速的响应能 力和长短期精度,是水泥行业发展至今一直所必须面对和解决的问题。1. 粉体特性、工艺流程与计量控制由于通过研磨后的粉体物料与它在块状或散粒状态下的物理特性有着很大的不同,因此了解粉体 物料粉态下的基本物理特性以及了解现代水泥工艺过程对粉体物料仓储、输送的形式和特点,是粉体 物料计量控制的一个重要的基础。在生产中,粉体物料常是贮存在料仓或料库中,粉体物料在料

3、仓中的贮存和卸出,都会导致粒子 与粒子之间、粒子与仓壁材料之间的摩擦行为,从而构成力学现象。对于仓内整个粉体层而言,我们 希望在卸出时能够均匀地整体向下移动。这种流动形式称为整体流,其特点是符合物料“先进先出” 的原则。但是,大多数粉状物料的流动性受到水分和充气的影响。通常由于物料囤积吸附水分使得粉体物 料的流动性变差,表现在物料趋于粘聚并有较大的附着性,水分越大其附着性越强,流动性越差,使 得仓内粉体层的流动区域常常呈现漏斗状,即只有料仓中央部分形成料流,而其他区域的粉体或料流 顺序紊乱或停滞不动,产生先加入的物料后流出的“先进后出”的现象,这种流动形式称为漏斗流。 漏斗流会引起偏析、冲料、

4、结块、下料容重变化等不良现象,这些现象均会造成计量精度的极大误差。 另一方面,干燥或伴有气流的粉状物料的流动性极强,表现为物料趋于自溢(自流性,含气量越大, 其流动性越强。 .水泥工业中粉体物料的过程仓储作为整个工艺流程的一个过渡环节,对粉体物料的计量控制往往 直接串级在这个过渡环节之后。因此不仅从计量控制上而且从工艺流程的要求上,都要求保证过程仓 内粉体物料能够顺利卸料。过程仓内粉体物料的流动性指标是物料能否流经过渡仓顺利卸料的一个重 要参数。通常经过干燥的煤粉或粉煤灰基本不具有附着性,一个设计合理的过程卸料仓,间或辅以少 量的仓侧充气进行“破拱”,一般仓内料拱无法形成,物料在仓内的流动通常

5、表现为整体流,这类物料 的卸料可以由物料的重力通过仓底自然卸料。然而经过研磨后的生料粉体,在常态下带由一定的附着 性,加之生料仓储库容较大,表现为过程仓储时间较长。也就是实压时间常数较大,一般来说其流动 性能较差,对于这类流动性较差的粉体物料的卸料,在实际中经常采用库侧充气破拱和库底充气助卸 结合的方式,来保证仓内物料的顺利卸料。由于粉体物料卸料方式的不同,造成了实际粉体物料在出仓时的流动性的巨大差异,也就是计量 控制设备在受料时物料的流动性差异。对于需要充气助卸的粉体物料,充气量的大小和气流的速度对18粉体物料的流动性影响都是非常之大的。在一些气源变化频繁的场合,有些传统的粉体计量控制设备

6、通常会产生波动,严重时会出现振荡以至于无法工作。为此,粉体计量控制的发展,也是我们从系统的角度对粉状物料的特性及其仓储、输送、工艺过 程充分理解和认识的发展。2.测量技术的发展与粉体物料的计量控制计量控制的一个重要任务就是在单位时间内对物料质量进行测量。然而众所周知,质量是一个特 征量.它无法直接测量,以往对质量的测量往往是通过物体在重力场下的重力测营而间接求得的。 物料的计量控制如翻斗秤、失重秤、调速定量秤等绝大部分的计量设备(衡器的测量模型多建 立于杠杆原理,然而其模型,都是建立在静力平衡的基础之上。也有采用射线测量技术,其实际上只 能测量物料流的载荷密度。在实际工业生产中,我们遇到的大多

7、数的过程计量都是在物料运动过程中 实现的,对此通常我们只能通过其他手段来降低运动过程对静力平衡的影响或者用定性方法给予一定 的补偿。采用这种以静代动的测量方法虽然可以解决大多工业过程计量问题。但从根本上说它无法解 决动摩擦、本机谐振及其它振动问题对于测量的影响,因此严格意义上说就是没有从根本上解决动态 测量的问题。近年来国外的一些学者为从根本上解决动态测量这一问题,开展了大量的研究工作。其基本思想 就是解决用工程动力学来代替工程静力学建立测量模型。因为动是绝对的,静只是动的一个特例。根 据牛顿第二定律F-ma如果能够测得力F和加速度a,即可求得物体的质量m的大小,这是一个不受被 测物体是静态还

8、是动态而且是一个不受重力场g大小影响的质量测量方法,这种测量方法被称为动态 质量测量方法。尽管动态质量测量尚处于研究阶段,但其测量理论已然确立,随着研究的深入和发展, 未来的动态测量衡器将会给称重测量带来一场革命。德国申克公司、美国EI公司CentriFlow Meter 都有基于动态质量测量原理而建模的相关产品。目前也有用于气固两相混合物的流量计量设备的产品开发,所有新型计量设备的研发都给我们提 供一个新的平台,从而使粉体控制系统不断向前发展。3. 粉体计量控制系统的构成粉体计量控制系统发展至今其系统组成主要由过程(称重仓、(预给料单元、计量单元、输 送及电气控制单元组成。当然也有将给料、计

9、量结合在一起新型测控装置面世。3.1(预给料单元 .现阶段(预给料单元的设备有阀门、钢性(或弹性叶轮机、管式螺旋给料机、胶带给料机、 溢流螺旋给料机、转子式给料机等。阀门装置简单,在大流量的条件下,它的设备重量和动力配置较其它装置小得多。但是阀门适于 控制的线性范围比较小,它的控制要求与液体流量计量的要求类似,因此,仓内粉体物料必须处理为 “类液体”,其“粘度”必须保持恒定,从而工艺上要求最好有一个较好的流态化仓作为储存环节。 由于阀门自身的对于储料单元的料压变化十分敏感,它的截面选择应合适,其工作段就维持在阀门截 面面积与流量线性关系较好的一段。同时,由于阀门的开度往往是非线性的,因此必须使

10、计量与控制 之间的时间滞后尽可能地短,从而阀门利用它可以快速开启的特点,随着计量装置的反馈信号快速调 整阀门的开度,通过有效地控制阀门的截面积,达到稳定流量的目的。叶轮给料机作为给料设备时,轴承的游隙,壳体与叶片之间的间隙,往往造成大量的空气泄漏导 致计量系统正常状态的破坏。如果不能采用特殊的密封材料或特殊的结构设计使叶片与壳体间的磨损 得到补偿,将导致控制品质的恶化。则在实际使用中又会受到很大限制。实际应用中为了提高管式螺旋给料机的锁料性,管式螺旋给料机的长径比应大于8:1,最好为 10:l,其螺旋叶与管壁的间隙应小于1.5mm,在工艺设计时,可视条件,将管式螺旋给料机的轴线沿 料流运动方向

11、上仰,最大可达25。为了控制管式螺旋给料机的长度并加大进料口的面积,相比之下, 双管螺旋给料机有着明显的技术优势。为了有效抑制窜料,管式螺旋给料机的进料螺旋应为变径或变 距螺旋,使其进料口处呈现整体截面下料,增加其可控性。19由于粉料与胶带间的相对运动对计量造成的影响及防尘对环境的影响,因此胶带给料机通常需要 采用计量仓作为储料单元,秤体密封或给料面密封,且应用于自然休止角大于259的粉体物料,如白 生料的流量控制,但通常不能应用于黑生料和煤粉的流量控制。有部分厂家采用了宽胶带和裙边胶带, 在一定程度上扩展了胶带给料机的应用范围。 溢流螺旋给料机是管式螺旋给料机的变型,其出料口向上开并有一定高

12、度的溢流斗,依靠出料口 处旋向相反的螺旋叶片的挤压,溢流出溢流斗。但其动力消耗较大,对块状物料和结露比较敏感。因 而只有在特殊条件下才考虑它的应用。转子式给料机是一些工业国家应用于煤粉给料的设备,其原理如同几个上下叠加、进出口相接的 盘式给料机。其流量的变化主要依据给料机的转速的变化而改变,消除了仓压及窜料的影响,流量非 常稳定。但是这种给料机功耗较高,磨耗较大,维修费用高。近年来国内外部分厂家从改变结构和耐 磨材质入手,降低了功耗和磨耗,大大延长了维修周期,在水泥工厂的煤粉流量计量上取得了很大的 成功。3.2计量单元近年来计量设备的发展很快。主要有以下几种:减量式计量仓;间歇式斗式秤;板式流

13、 量计、科里奥利流量计;螺旋电子秤;电子胶带秤;核子秤;转子砰;用于气固两相混合 物的流量计量设备。以上几种计量设备除间歇式斗式秤控制比较困难,气固两相流量计量国内应用较少外,其余的在 我国的水泥厂都有应用。减量式计量仓:减量式计量仓采用静态计量的方法连续计量仓重的减少量,其精度高。但设备较 大,而且在进出料同时进行时无法计算,在小型工厂中很少应用,在大中型工厂多用它与其它计量设 备配合使用,作为高精度的稳压仓或其它计量设备的标定仓。间歇式斗式秤:间歇式斗式仓实际上是双列的小容量计量仓,由于双列间的切换在自动化控制上 可靠性较差,在我国的水泥厂应用很少。板式流量计(冲板式、溜板式:其体积较小,

14、价格较低,故障率较低,使用较可靠,在计量上 基本不存在时间滞后,但其精度稍差,受物料的条件(如水分、充气状态等的影响,计量会出现漂 移。因此多用于定值控制、控制值变化不太频繁的场合,以及火流量的计量控制系统。在大流量控制 系统通常设置计量仓,.以加强冲板式流量计在运转条件下的标定。科里奥利流量计:其测量的效应是由物料经过旋转着的测轮被输送时出现的科式力而引起的,所 以它必须解决两个关键问题:力矩的精确测量和获得恒定转速的方法。随着现代科技水平的发展,特 别是传感器技术和计算机应用技术迅猛发展,这些问题得到很好地解决,使得科式测量装置在水泥工 业中获得广泛的应用。与其他力学方法(如冲板系统,溜槽

15、系统相比,它有不受物料性质影响等独 特的优点。螺旋电子秤:在计量物料比较稳定的条件下,精度较高,线性度较好,但其是在物料流速恒定或 与荷重呈较好的线性关系的条件下设计出来的,因此当不满足上述条件时,其精度就受到影响。另外, 自身皮重较犬随震动会造成零点的漂移,粉尘的沉积和物料在叶片上的粘结也会造成零点的漂移,因 此在管理上也有较高的要求。胶带电子秤:对于荷重的计量精度高。但其在荷重计量过程中对于胶带和物料之间的相对运动毫 无限制,为了控制粉体物料与胶带之间的运动,要求物料的自然堆积角不小于25。,要求储料单元料 压非常稳定,对其储仓排气也有较高的要求。核子秤:该种秤通过射线穿透物料时的强度衰减

16、,间接测量物料流的载荷密度,由于属于无接触 计量,安装简单。但其实际上只能计量物料流的载荷密度,而对物料流速则无计量手段,因此只能使 用在流速恒定或流速呈一定规律,流速与控制参数呈线性关系,或流速与载荷密度呈线性关系的物料 流的流量计量系统中。转子秤:该种秤采用盘内的格式叶片推动或限制物料流的流动,因此物料流的流速与其控制参数 20用于气闻两相混台物的流量计昔设备:其计揖原理是在粉体物料的气力输送过程中,通过气体流 量计量和输送含尘气体的浓度计量*F实现粉体物料流量的计量。德国的Endress+ttauser公司曾进行 过工业性试验.但由于计量精度尚存在一些问题,至今少有应用。4几种典型应用初

17、期的粉体物料系统只有给料环节,谈不上计量,更谈不上回路控制,一路发展而来.系统组态 越来越成熟,控制越来越丰寓.以r是几种场合的典型应用。4带位置控制预给料单元(v型r进料出料图1带位置控制预绘科装置(V型4.2带速度控翩预绐料单元(s型速度控制预给料单元主要指螺旋喂料机、叶轮给料机等。前面已经提过,设备本身的加工精度及 运转中的磨损造成它的线性度不是报好,这种情况下,预给料单元最好仅作为粗调环节.通过计量单 元的反馈来及时抑制它的非线性和对滞特性-使系统的精度指标和快速响应等指标能得到一定的改善. 但它无法抑制仓内生料存储的多少、仓充气量的大小和气流的速度对其的流动性影响等诸多外界因素 的影响。这种配置在耪煤灰计量的场台应用较多。,进料图2带速度控制预给料装置(S型43带线性控制预给辩单元(L型这种配置多应用在入窑煤粉计量控