我国水泥工业物料计量技术、装备现状及展望

发表于:2012-05-21 来源:中国水泥网
关键词: 物料计量

物料计量与定量给料作为一项重要的技术与装备,伴随着我国水泥工业的成长而发展。物料计量和定量给料在稳定水泥生产、提高产品质量、节约能耗、降低成本等方面起着至关重要的作用,是每个水泥企业关心的问题。同时,在节能减排、资源综合利用等方面也有重要作用。目前,我国水泥工业物料计量和定量给料已经实现了大型新型干法生产线对物料计量和定量给料的基本要求,实现了国产技术和装备与国外同类先进产品的同台竞争。
  物料计量与定量给料技术与装备贯穿着整个水泥生产过程。按照功用分类可分为两种:一是商业与管理用途的计量与定量给料:商业用的原材料(包括燃料)进厂、水泥(或熟料)出厂及以生产考核为目标的用料、产量等,它对生产过程没有或较少产生影响。二是生产用途的计量与定量给料:原料配料、生料定量喂料、煤粉定量喂煤等生产工艺环节,它直接影响生产过程,是生产流程中一个不可或缺的节点。

  一、原材料、燃料进厂的计量
  对于大宗原料和燃料进厂,采用汽车或火车运输的企业大多采用轨道衡;用长皮带输送物料进厂的则较多采用皮带秤。从商业计量要求分析,由于轨道衡是静态计量,在现有技术条件下,只要合理安装和使用,并加强管理,其使用准确度和效果能够满足要求。目前,有许多企业实现了轨道衡的实时联网,提高了管理水平。皮带秤用于商业计量,其长期使用准确度是一个技术难点,考虑到皮带输送机本身的振动、皮带跑偏、松紧程度、物料黏结以及外部气候、环境的变化等,都会对皮带秤的计量准确度造成不利影响。要达到商业计量要求,不但对皮带秤本身的技术和设计制造有较高要求,而且安装要符合规范、日常维护要加强、定时标定必不可少。

  二、生料制备工段中的计量与定量
  水泥生产配料用的定量给料装置有斗式秤(简易斗式秤、减量法斗式秤)、圆盘秤、悬臂秤(悬臂式恒速皮带秤、双悬臂秤)、螺旋绞刀秤、核子皮带秤和调速皮带定量给料秤等。调速皮带定量给料秤以其系统准确度高、运行稳定、占用空间小、使用维护简便、物料适应性强等优点,成为水泥生产配料系统的理想选择。特别是对于目前的新型干法工艺生料配料的常规物料,调速皮带定量给料秤几乎是唯一选择。
  随着新型干法水泥生产线规模的增大,又出现了新的问题:大流量的石灰石会导致皮带严重磨损、打滑,仓压过大还会影响皮带定量给料机的准确度;较大流量的黏土等黏湿性原料或大块原料出仓时下料不畅,皮带无法将其从仓中直接拉出来;大流量定量给料机要配用较宽的皮带,导致皮带运行不稳、负荷分布不均,从而引起较大的测量误差等。
  采用以下改进措施后,调速皮带定量给料机基本能满足2500t/d规模生产线的配料要求。改造原料仓及下料斗的结构,可以改善原料下料不畅的问题。改变定量给料秤主滚筒设计:加大滚筒直径,提高皮带与滚筒的接触面,从而提高摩擦力。为进一步防止皮带打滑,对主滚筒进行包胶处理,以保证秤体的刚性和制造准确度。同时采用双侧压力传感器的测压系统。
5000t/d及以上生产线生料配料中典型问题是石灰石和黏土的定量给料。直接使用皮带定量给料秤会出现皮带打滑、仓压过大影响准确度、皮带无法把黏湿性原料或大块原料从仓中拉出以及石灰石秤皮带磨损过大等问题。国内设计采用在料仓与皮带定量给料秤之间加一台板式喂料机,但实际使用效果普遍不太理想。国外设计较多直接采用裙板式定量给料机,这是板式喂料机和皮带定量给料机的结合。裙板式定量给料机动态准确度为1%,能够满足大型水泥生产线配料要求。

  三、熟料烧成工艺中的计量与定量给料
  1. 窑尾生料定量喂料系统
  在新型干法生产工艺中,稳定、准确的生料粉喂入,是保证烧成系统工况稳定、优质高产和节能降耗的最主要因素之一,也是窑尾生料定量喂料系统追求的目标。经过多年的实践和探索,目前,窑尾生料定量喂料系统已经形成了一些较为成熟的设计和应用,概括起来由3个关键环节组成:稳流系统、给料装置和计量设备。这3个部分是一个系统组合,任何一个环节的设计不合理或匹配不当,都可能破坏生料粉稳定、准确喂入烧成系统的目标,从而影响烧成系统的稳定运行。
  (1)稳流系统
  均化库通过充气达到均化生料的效果,所以带气生料粉的流动性较强,而且均化库的库容大、库压高,所以出库的生料粉流量不易准确控制。为此,生料粉在实现定量给料前,首先要进行稳流处理。在均化库卸料到定量给料装置之间,一般设有稳流的中间仓或带回流的供料装置。目前,最常见的工艺方案是采用称重中间仓,通过适当控制均化库的卸料,使称重仓内的生料保持在一定的料位范围,这是一个相对独立的系统。无论采用何种形式的生料计量和定量给料设备,保持中间称重仓内一定量的生料,对于稳定生料计量和定量给料系统都具有举足轻重的作用。称重仓同时还能用于下级的窑尾生料定量喂料系统的标定。
  (2)给料装置
  常用的生料给料装置包括叶轮给料机、螺旋给料机、水平旋转喂料机和电动流量控制阀等。流量控制阀以其使用简单、投资省、流量控制范围大等优点在大型新型干法生产线上得到广泛应用。
  (3)计量设备(见表1)

  表1 计量设备

  

计量设备 典型应用 优点 缺点
流量计 冲板式或溜槽式固体冲击流量计 系统较简单 流量计完全是被动的、没有稳流作用,当中间称重仓料位或流态化充气发生变化时,流量阀难以控制生料粉的快速流动
科里奥利流量计 密封性好 生料调节给料装置是事后补偿。所以这是一个纯滞后控制系统,稳定性不理想
定量给料机 分格转子定量给料机 生料给定稳定性较好 皮带定量给料机密封性不理想
皮带定量给料机 调节较及时 工艺系统较复杂,占用空间大

  2. 煤粉定量喂煤控制系统
  稳定、准确的定量喂煤也是保证新型干法烧成系统工况稳定、优质高产和节能降耗的主要因素之一。相比生料喂料,煤粉定量喂煤有两个主要不同点:煤粉的比重更轻,流态化更好,也更容易受气流的影响;煤粉通过气力输送进入烧成系统的窑头和分解炉,正压气体对煤粉定量喂煤系统的作用和影响十分巨大,成为影响系统稳定运行的主要因素。定量喂煤的4个环节:稳流系统、给料装置、计量设备和输送锁风装置,缺一不可而且又相互作用,其中稳流系统相对独立和一致。其余3个部分根据其不同的功能组合,可以分为3种主要类型:给料装置、计量设备和输送锁风装置3个环节分别处理;给料装置、计量设备合成一个环节,独立的输送锁风装置;给料装置、计量设备和输送锁风装置3个环节一体化。
  (1)给料、计量和输送锁风3个环节分别处理
  3个环节组成:给料装置大多采用调速的叶轮给料机、螺旋给料机和水平旋转喂料机等;煤粉计量常用冲板流量计、科里奥利流量计等;锁风装置采用螺旋泵、分格轮(水平或垂直)、喷射泵等形式。这种形式组成的系统各部分功能明确,但是各个环节相互影响,特别是有些形式的给料装置和流量计对正压气流十分敏感。为消除气流影响,系统对锁风和排气需求较高;这种结构形式定量喂煤系统的给料调节为单回路纯滞后控制,即在流量计发现喂煤量偏离给定值时再调整给料装置,已经无法及时纠偏,只能事后补偿。目前的典型应用就是由科里奥利流量计组成的系统。
  (2)给料、计量合成一个环节,输送锁风独立
  煤粉计量过程中可以同时调节喂煤量,如采用调速的双管螺旋绞刀秤、环状天平转子秤等。这种结构形式使给料和计量同步实施,解决了给料调节滞后、实际控制准确度低等问题。对于气力输送过程中的正压气流对给料和计量的影响,仍然需要单独考虑复杂的锁风环节。为了提高实际控制准确度,往往设置预给料装置,与定量给料秤组成双闭环控制系统。目前的典型应用就是由环状天平转子秤组成的系统。
  (3)给料、计量和输送锁风3个环节一体化
  把喂煤、计量和输送锁风3个环节集成在一台装置上,可以减少系统的复杂程度和相互之间的影响,提高控制准确度。对于一体化的煤粉定量喂煤系统本身的技术要求较高,风、煤平衡、锁风准确度及材料耐磨性要求等技术难度大大增加。目前的典型应用就是由分格转子秤组成的系统。
  3. 熟料产量计量
  水泥企业从生产操作指导和管理的角度,希望能在线实时对熟料产量进行计量。由于熟料在线计量环境条件恶劣,出篦冷机的熟料特性不稳定,经常出现高温红料,至今没有研发出简便、可靠的计量手段。链板秤、链斗秤及核子秤等各种形式的计量方法均做过尝试,但至今没有合适的解决方案,大型新型干法生产线上应用较少。目前,大多通过生料喂料计量折算成熟料产量。
  4. 煤磨喂煤计量
  煤磨磨头的原煤定量喂煤可以控制煤磨的产量,皮带定量给料机,也有采用调速圆盘喂料机的。早期采用圆盘喂料机,计量与给料准确度太低,大型新型干法生产线已经较少使用。现在大多采用皮带定量给料机使用方便,计量与定量给料的准确度较高。考虑到环保要求,应采用封闭式皮带定量给料机。
  5. 水泥磨头配料
  水泥制成工艺中最主要的计量与定量给料是水泥配料的控制。与生料配料情况相似,调速皮带定量给料机是目前国内最主要的水泥磨头配料计量设备,可以满足水泥配料和磨机负荷的控制。由于新型干法工艺和篦冷机技术的成熟,高温熟料对调速皮带定量给料机的影响越来越小,独立粉磨站更不存在高温熟料烧皮带的问题。
  6. 水泥细粉配料
  对于采用各种材料分别粉磨的水泥制成工艺,也就是熟料与混合材分别粉磨,再配料均混的工艺,由于专门进行分别粉磨处理可以获得较高比表面积的超细粉,利用超细颗粒的合理级配发挥其高活性,从而降低水泥熟料的使用量,大幅提高矿渣、粉煤灰、石灰石矿山废渣、脱硫石膏等工业废渣的利用率,近年来有越来越多的企业采用此工艺。在这种水泥制成工艺中,需要采用不同流量规格的粉体定量喂料装置进行配比控制,其计量与定量给料类似于生料喂料系统。由于该工艺推广时间短,尚未普遍应用,各种形式的定量喂料装置均有用于粉体配比控制,如分格转子定量喂料机、皮带定量喂料机、流量计及绞刀秤等。

  四、产品出厂的计量
  产品出厂的计量一般为商业计量,计量准确度应在0.5%以上。袋装水泥计量一般集成在水泥包装机中,采用直接称重的方式,计算机控制可调节装袋流量,计量准确度可以控制在0.5%以上。散装水泥的计量一般采用汽车或火车轨道衡。有些企业在散装机上安装粉体流量计,计量准确度一般在1%左右,由此可以提高管理水平与装车效率。

  五、节能减排、资源综合利用中的计量与定料给料
  水泥工业是能源、资源消耗性行业,是我国节能减排的重点行业。同时,水泥生产工艺在节能减排、资源综合利用方面有其独特的优势,这就对计量与定料给料提出了新的要求,同时也是新的发展机遇。
  1. 低品位资源的综合利用
  如低热值煤、煤矸石、低品位矿石等。它们的物理特性与正常品位资源基本一致,可以直接利用或稍加修改就可利用现有计量与定量给料的单机与系统技术。
  2. 粒状工业废渣的综合利用
  如钢渣、硫酸渣、锅炉炉渣等工业炉渣。经过简单处理后,它们与水泥工业常用物料有相似的物理特性,计量与定量给料易于实现。
  3. 粉状工业废料的综合利用
  如粉煤灰、干电石渣粉等。粉煤灰是目前水泥企业综合利用较普遍的资源,它的成分具有火山灰质特性,在生料配料中常作为硅质原料或铝质校正原料使用,以替代日益紧张的黏土资源;也广泛用作混合材料加入水泥粉磨系统,因其具有较大的活性而受到用户欢迎。粉 煤灰具有比重低、流动性大、磨损性强等特点,但具体参数差距较大,如水分、细度等各厂都不同,所以,同样的计量与定量给料系统在不同的厂可能会产生完全不同的结果。总体而言,粉煤灰的物理特性接近煤粉,但流动性比煤粉更好,粉煤灰的计量与定量给料系统组成与煤粉相类似,考虑到经济性,对大多数粉煤灰应用的计量与定量给料系统比煤粉简单。
  4. 其他目前尚未广泛采用的废物综合利用
  如工业废物、生活垃圾等。工业废弃物种类繁多,只能视具体情况设计相应的计量与定量给料系统。生活垃圾在其他的垃圾处理场所,如垃圾发电厂等,其计量与定量给料大多采用皮带定量给料机,但实际使用中还是有不少问题,如污染问题等。目前,国内开始探讨水泥生产线处理生活垃圾,有些特别的问题,如污染、腐蚀等是原水泥生产线计量中不存在的,因此生活垃圾的计量与定量给料问题有待在实际需要时解决。

  六、水泥工业物料计量与定量给料技术展望
  计量与定量给料系统是典型的机电一体化技术和产品,它广泛涉及物理、流体动力、材料、机械、电子、计算机、自动控制等技术和学科。全面、系统地考虑物料计量与定量给料的问题,它不仅仅是机械、计量与自动化专业的技术问题,同时也是工艺、材料等其他专业的技术问题。积极探索应用新技术、新工艺、新材料,有创新才能有发展,才能满足现代水泥生产的迫切需要。
  1. 运用新的物料计量技术与方法
  目前的物料计量技术主要还是基于称重或测力等传统方式,测量方法直观但受干扰因素多,特别是对气力输送的粉状物料,如煤粉系统,现有的计量与定量给料系统比10年前有很大提高,但是系统太复杂,且稳定性、适应性较差。能否通过其他更直接的方法测量气固两相的流量,已成为许多科研机构和技术人员研究的内容。
  2. 结合新的IT技术与应用
  计量与定量给料系统充分利用IT技术,特别是计算机网络技术,可以更好地提高计量与定量给料系统的可靠性、可维护性和投运率。
  3. 信号传输的发展过程
  点对点通信:模拟信号mV、mA,开关信号24VDC、220VAC。
  链路层标准串行通信:RS232,RS485。
  用户层的现场总线:Profibus、CANBUS、Lonworks。
  4. 无线传输应用
  远程监控技术应用可以为更精细的企业管理提供先进平台,从而提高生产和设备管理的水平。IT技术对提高应用与管理效率有重要作用。
  5. 先进控制技术应用
  目前的计量与定量给料系统中,无论是单回路还是双回路控制,都仅仅采用基本的PID控制方法,虽然相对简单、易操作。但是,对于非线性、纯滞后等复杂耦合、时变的过程仅采用常规的PID控制已不能满足要求。研究、采用先进、成熟的控制技术也是计量与定量给料技术发展的一个方向。如自适应控制、鲁棒控制、优化控制等都是为解决复杂过程的一些控制技术。

  七、结束语
  为与我国水泥工业处于国际领先地位相适应,我国的水泥工业物料计量与定量给料技术及装备应朝两个方面发展:其一,不断实现技术创新;其二,不断提升装备质量。

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