用于研磨控制与优化的颗粒测定

　　近年来，水泥行业在追求可持续发展方面取得了显着的进步，包括实现了极为苛刻的二氧化碳减排目标。在2000至2006年间，全球水泥生产量增加了54%，而绝对CO₂排放量仅温和上升了42%^[1] 。许多创新策略对此均发挥了作用，毫无疑问，该行业将需要采用更智能的技术，以持续减轻其对环境的影响。2009年，水泥技术路线图明确规定了热电效率、熟料替代、替代的燃料以及碳收集与储存，作为四个潜在可改善的领域。

　　水泥制造过程产生的许多CO₂与熟料的生产有关，这就是在成品水泥中需要熟料替代物的原因，使用诸如高炉矿渣、飞灰及火山灰等材料将具有潜在的优势。然而，研磨熟料及任何相关的成分及替代物来生产成品水泥，需要相当多的电能。由于目前水泥生产各阶段必须最小化能耗，工厂控制必须接受更严密的监督且需具有较强的自动化水平。更高效的研磨通过降低耗电量可实现直接的节约，同时支持成本效益以及成功采用熟料替代物。

　　在评估水泥业前景方面，水泥可持续性发展协会^[2]强调了必须采用工艺创新来实现提高资源及能源效率及长期的成本节约。对于研磨的精细控制，使用激光衍射技术进行颗粒粒度分析则支持此类创新。这里，我们针对颗粒精细度的监测，与传统的 Blaine/比表面积测量方法相比较，对其优势进行评估，检验颗粒粒度分析如何协助该行业实现环境、效率及经济目标。成熟的在线颗粒测定技术正不断应用于水泥生产过程中，提供灵活的商业解决方案。

图1 水泥厂内用于在线颗粒粒度测量的典型装置

　　放弃 Blaine测量法?

　　Blaine 测量法在水泥业中具有悠久的历史，并且一直保留着水泥标准中规定的性能参数。然而，伴随行业对于高度加工效率的追求，在推动更为有效的研磨方面，Blaine 测量法的局限性愈发明显。对于许多水泥制造商而言，Blaine测量法正逐渐被边缘化，它仅仅成为周期性质量控制检查的工具，而并非研磨控制的主要信息来源，这一角色现已被激光衍射颗粒测定法所取代。作为一种很大程度上的人工技术，Blaine 的重现性较差，这一问题会由于缺乏足够的操作及专业知识而变得更为严重。在某些公司，这影响降低了对数据的信任度，并因此促进了激光衍射法的应用，并将应用Blaine 分析的可能降至最低。

　　激光衍射颗粒粒度分析的应用可归因于该技术的三个重要特点：全自动分析，具有针对实时过程监测的可靠解决方案以及所得数据更精确的关联具体的水泥性能。研磨的优化及自动化依赖适合的信息流。从实际的观点出发，通常为每小时报告的离线分析程序并不适用于精确的工厂监测。当使用激光衍射法进行颗粒测定时，测量速度可通过转为在线系统大大提升。其分析频率高达每秒提供四个完整的粒度分布，即使针对迅速变化过程中的工艺，也能进行全面监测。此外，转为在线测量可省去原本分析所需的人工输入。劳动力的节省，在考虑任何额外经济收益及在实施自动化控制策略之前，可快速补偿对该分析仪的资本投入。

　　除了以上实际的优点外，激光衍射法还具有一项技术优势。当该行业使用粒度分布数据而非使用 Blaine测量或比表面积的单一数值平均测量法时，即可得出不同粒级之间的联系以及一些水泥性能方面的情况。对此的了解可帮助制造商掌握研磨度，提供需要的强度，使特定的研磨能耗降至最低。长期以来，粒度分布数据同样支持熟料替代物以最佳的粒度成功融合。

　　实行在线粒度分析

　　在线激光衍射粒度测量包含从样品提取到得出结果的整个自动化分析程序。对于一些应用，自动化还可扩展至工厂控制；对于另一些应用，改善人工操作即可。完成一个在线项目必须包括：设计适合的过程界面；选择适合的分析仪；安装所有必要的设备；在现有的工厂控制平台内整合分析仪。在很多工厂里，还需要开发合适的自动控制战略。

　　首先来看过程界面，水泥厂往往以极高的吨位流量运行，这使得测量整个工艺流程变得不可行。这就是在线测量而非线内测量成为标准的原因。图 1显示了水泥厂用于在线颗粒粒度测量的典型装置。该工艺界面的设计旨在选取具有代表性的样品，进行约20 - 25 kg/hr的测量。这意味着待分析的材料量远大于使用离线测量法分析的材料量，从而使测量结果具有更高的统计完整性。首先使用螺旋钻从工艺流程中选取大量得样品流，然后使用文氏喷管从这些样品流再提取有代表性的样品流。从生产线中提取的所有水泥均可在测量后重新利用。

　　分析仪测量得出材料的粒度分布并将数据传递至电脑中。由此，操作员可按其需求调整测得并观察结果数据。合适的软件可简化在更为复杂的控制系统内的整合，例如：使多元过程控制变得更容易，这是测量中的理想目标。

　　实时粒度测量一个优点立竿见影的是能够持续监测研磨线路的性能，并能立即观察到任何工艺变化造成的影响，从而提升人工控制的有效性。操作员只要在操作上稍加改变，即可看到是否已经产生所需效果，而不用坐等实验室的反馈。

　　当其用于操作全自动化控制时，实时粒度测量的优点可以使价值最大化。在该技术利用方面的领先公司正在使用精密的多元设备控制包，选取一个或两个粒度参数与其他数据配合使用。这可能包含进料速率、分类速度、研磨速度、贯穿整个线路的空气流量，以及所有用于持续推进研磨设备至最佳运行点的数据。最终的结果是确保以最低的可变成本生产出始终符合产品质量目标的高质量产品。此类策略可提供大量的收益：降低研磨机能耗最高可达20%^[3] ；增加产出量；提高产品质量一致性。

　　适合的技术

　　以上这些优点证明了采用在线测量法的种种必要性，但此类项目的实用性还需要考虑到许多问题：是否有可用的可靠技术？人工操作、简单的闭环控制、操作复杂的多元控制等不同情况下如何利用数据？工厂内完成项目所需的专业技能及时间情况如何？专家支持在哪些方面最有用？

　　过去的十年间，激光衍射技术取得了显着的进步。高度可靠的分析系统已经使用了多年，一些分析仪已经在水泥业全天24小时不间断地运行了很长时间。其中变化最大的应属我们对于工艺中如何设计和整合系统的理解取得的巨大进步。

　　在在线颗粒粒度测量技术发展的早期，企业通常会选择购买设计完整的统包解决方案，在此方案中提供整个工作系统的所有风险均由仪器供应商承担。虽然这种方式具有潜在成本，但在该技术发展的初期阶段，这种方式可有助于对技术的再次保证。随着在线测量技术的不断成熟，更多的企业期望转向更符合其自身要求的在线测量打包方案。有完整设计的解决方案依然是一个受欢迎的选择，但有另一种投资方式，可仅购买检测设备并由企业内部执行所有其他的作业项目。

　　例如，一种低产量的水泥设施，可能只能生产几个等级的产品并且完全在人工控制下运行。水泥厂决定投资实时测量，以解放操作员进行更高价值的工作，同时提供更高的产品质量，但是却没有比简单环路等级更高的自动化方案是基于颗粒粒度信息来调整分级机速度。这样，最佳的解决方案可能是购买带有基础自动化技术包的检测设备，并利用现有知识及出版文献中提供的资料设计一些硬件。这种方法会压低前期投资，而这也可能是该项目合理性的关键。

　　相比之下，高产量水泥厂的要求包括，提供多等级产品、期望通过数个研磨线路（可能包括用于生产替代材料的研磨线路）实现最先进的多传感器控制。这样，就出现了投资更全面的分析仪技术包的案例。此类项目需要精密的自动化软件及序列，要求专家应用支持，以补充提供任何工厂内部所需的设计资源。成功实施该技术的潜在收益足以证明投资该技术的价值，尤其是当该技术初次实施时。在较大的企业，随着经验的积累，在多个现场不断应用该技术项目的更多部分由工厂内部实施。这进一步强调了这一案例，确保最初项目有效执行并为后来更多的应用做了很好的榜样。

　　总结

　　开发对环境产生较少影响的水泥制造工艺，需要使用能不断提高效率的真正智能的技术。一个值得关注的领域是熟料或替代物质的研磨，在该领域中，实现粒度智能控制的设备做出了重要的贡献。

　　激光衍射分析为粒度优化及研磨效率的提高提供所需信息。最近几年，激光衍射这种被证明可靠的工业技术已经成为成熟的在线颗粒测定工具，为用户在具体实施方面提供更多选择。如今，在线粒度测量技术已被视为综合性研磨优化的基础，该技术已将包括全面设计的解决方案与简单的传感器有机结合。无论企业的目标是仅仅提高人工操作效率还是实现最先进的多元统计工艺控制，相关适合的在线测量技术现在已充分商业化，并且随时可为提高成品研磨的能源效率以及为整个水泥产业实现减能目标发挥作用。

　　参考文献：

　　1.Cement Technology Roadmap: Carbon emissions reduction up to 2050 (2009).

　　2.The cement sustainability initiative. Our agenda for action. July 2002.

　　3.D.Levonioan et al. Reducing costs. Worldcement.com July 2009.