水泥生产计量与定量给料的关键技术与应用

　　一、水泥生产过程中计量与定量给料的应用要求与特点

　　水泥生产工艺具有多样性，但不管采用何种生产工艺，都离不开物料的计量与定量给料。生产工艺越先进、单线规模越大，对计量与定量给料的要求就越高。

　　从各种主、辅原料和燃料等进厂，原、燃料处理，生料制备，熟料烧成，水泥制成一直到成品出厂，物料的计量与定量给料技术与装备贯穿整个水泥生产过程。物料的计量与定量给料可以按多种方法分类，按照物料形态可以分为块状、颗粒状和粉状物料等。按照物料输送工艺可以分为机械输送、气力输送等。如果按照功用归类，计量与定量给料大致可以分为管理用途和生产用途。管理用途的计量与定量给料包括商业用的原材料（包括燃料）进厂、水泥（或熟料）出厂等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。生产用途的计量与定量给料包括原料配料、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缺少的节点。本文以新型干法水泥生产工艺为对象，重点讨论生产用途的计量与定量给料的关键技术和发展趋势。

　　新型干法水泥生产工艺是目前国际上主流的水泥生产工艺，也是我国产业政策中取代落后工艺而鼓励发展的水泥生产工艺。近二十年来，新型干法水泥生产工艺在我国发展迅速，技术越来越成熟、规模越来越大。随着水泥工业技术进步，原先水泥生产中对计量与定量给料的应用要求和特点也在发生变化，如以前被普遍垢病的水泥厂高粉尘恶劣环境已经得到很大改善，但同时出现许多新的应用要求和特点。

　　1、新型干法生产采用的物料基本上为固体物料，有块状、颗粒状和粉状等不同的物料形态，而且有不同的物理特性，物料的比重、水分、流动性等差异较大。计量与定量给料装置必须考虑被测物料不同的物理特性。这就一方面要求装置有较强的适应性，另一方面针对不同特性的物料、不同的工艺特点要采用不同的技术和装置。

　　2、水泥生产是典型的连续生产过程，规模越大，对生产的连续性要求越高。因此，对生产过程的关键设备要求更高的可靠性、稳定性和更低故障率。如大量大型电动设备的应用对计量与定量给料装置电控系统造成威胁，电控系统须通过严格的EMC抗干扰性测试，以克服现场的干扰影响。

　　3、对水泥生产提出的越来越强烈的环境保护要求同样适用于计量与定量给料装置。计量与定量给料装置的设计要考虑对扬尘的控制，特别是对流动性良好的粉状物料要求密闭性好，甚至达到全密闭。

　　4、产用途计量的精度一般要低于商业用途的计量精度要求，但随着生产现代化程度的提高、生产管理也越来越定量化、精细化，较高的计量精度成为企业新的追求。

　　5、产规模的大型化也对计量与定量给料提出了新的要求。不同物料在大流量时呈现出一些新的问题，这时，大型化就不是等量放大这么简单了，大型化对计量和定量给料技术和装备成为一个新的发展焦点。

　　6、足企业现代化管理要求。如具有良好的开放性，配备国际标准的通讯协议等。

　　二、定量给料与配料

　　水泥生产中的物料配料是定量给料设备最初应用目标之一，一般在原料进入磨机之前，主要包括生料配料和水泥配料，所以同时可以实现磨机负荷的控制。

　　近二十几年来，水泥生产配料的定量给料装置在各种形式的尝试中变化和发展。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、调速皮带定量给料秤（机）等各种形式的定量给料装置在实践中检验、发展。在新型干法水泥生产工艺不断成熟的过程中，调速皮带定量给料秤（机）在这场应用竞赛中脱颖而出，以其系统精度高、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。特别对于新型干法工艺生料配料，调速皮带定量给料秤（机）目前在国内几乎是唯一的选择。

　　但是，要用好调速皮带定量给料秤也需要分析各种因素和条件，进行合理的设计。如进料斗的选择、主滚筒直径及秤体长宽设计等等。对于流动性较差的粘黏性物料或大流量物料，有时要考虑设置链板给料机或圆盘给料机等预给料装置。对于流动性很好的粉体物料则经常采用电动流量阀、回转叶轮给料机或螺旋给料机等作为预给料装置。具体选用时应根据物料特性和生产工艺条件作出适当选择。

　　尽管在选用调速皮带定量给料秤时已经有了谨慎的考虑，但随着新型干法水泥生产线规模的增大，新的问题还是会出现，如超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精度；较大流量的粘土等粘湿性硅质原料或大块原料出仓时下料不畅，皮带无法把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，导致皮带上的负荷分布不均，从而引起较大的测量误差等等。原来直接应用普通的皮带定量给料机进行配料控制的方法已经难以满足要求。对此，国内大型新型干法水泥生产线的配料定量给料系统也在不断的改善、发、改造原料仓及下料斗的结构，改善原料下料不畅问题。

　　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。

　　采用双侧压力传感器的测压系统。

　　采用以上措施后，调速皮带定量给料机基本能满足2500t/d规模生产线的要求。
对于5000t/d及以上生产线生料配料中的石灰石和粘土的定量给料，国内多采用在料仓与皮带定量给料秤之间加一台板式喂料机，以解决直接使用皮带定量给料秤时出现的皮带打滑、仓压过大、皮带无法把粘湿性硅质原料或大块原料从仓中拉出等问题。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，但绝不是国内原有的链板秤。裙板式定量给料机（Apron Weigh Feeder)动态精度为1%，能够满足大型水泥生产线配料要求。国内尚未见使用和生产的报道。

　　三、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，概括起来由三个关键环节组成：稳流系统、给料装置和计量设备。这三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、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。同时称重仓还能用于下级窑尾生料定量喂料系统的标定。

　　2、 经过稳流处理的生料粉进入生料定量喂料系统的给料装置。在调速的叶轮给料机、螺旋给料机、水平旋转喂料机及电动流量控制阀等各种生料给料装置中，流量控制阀以其使用简单、投资省，流量控制范围大等优点而在大型新型干法生产线上得到广泛应用。但在实际使用中，电动流量控制阀也普遍存在一些缺点，如线性化差，在流量阀的不同开度，或不同的生料状态，相同的阀位变化量有不同的流量变化，控制呈非线性，导致系统喂料控制不稳定；在生料流态化较好时，流量阀难以控制生料粉的快速流动，容易形成冲料现象，制造精度较低的流量阀问题尤其明显。其他的给料装置在大型生产线中应用较少。

　　3、尾喂料的生料粉计量是典型的粉体物料计量。对于大规模生产线，无论是冲板或其他形式流量计，还是皮带定量给料机均能满足基本要求。用流量计组成的定量给料系统相对较简单，但存在两个系统型缺陷。

　　其一是生料给定的稳定性完全依赖于给料装置，流量计完全是被动的，它仅仅是对来料进行计量。如前所述，目前应用较广的电动流量控制阀对流态化的生料粉控制并非十分理想，在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。所以系统还需设置一些其他稳流措施。

　　其二是当发现通过流量计的生料流量偏离给定量时，生料实际已经离开窑尾生料定量喂料系统，这时调节给料装置完全是事后补偿。所以这是一个纯滞后控制系统，稳定性不理想。如果用流量控制阀作为唯一的给料调节装置，其非线性特性更是影响整个窑尾生料定量喂料系统的响应灵敏度和抗干扰能力。

　　皮带定量给料机的特点与流量计基本相反，皮带定量给料机应用相对较复杂，占用空间也大，但如果正确运用调速皮带定量给料机就可以较好的克服流量计系统的两个缺陷： 设计合理的皮带长度和速度可以缓解生料粉的涌动，中和生料的波动，从而保证生料喂料系统的稳定性。

　　调速皮带定量给料机本身就有给料调节功能，如果喂料定量给料设定值直接给调速皮带定量给料机，则系统能在流量检测的同时，及时调节皮带速度，改变给料量，从而消除流量计系统的纯滞后效应。同时根据皮带给料机的称重信号，调节流量控制阀以保持皮带上生料厚度。在此，流量控制阀就成为一个预给料装置，其非线性特性等不利因素对整个窑尾生料定量喂料系统的影响大为降低，控制系统的精度和动态响应等指标得以提高。但双回路控制相互有耦合，其设计、调试的技术要求较高，如果控制回路配合不当，可能造成系统振荡，甚至更不稳定。

　　需要注意的是，基于其技术形式的特点，调速皮带定量给料机的密闭性较差，不论是采用料封闭还是秤封闭，相比流量计，它客观存在着生料外溢的可能性，所以在设计时必须充分考虑。

　　四、成系统的煤粉定量喂煤控制系统

　　与窑尾生料定量喂料一样，稳定、准确的煤粉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最主要因素之一，相比之下，烧成系统的煤粉定量喂煤有两个主要不同点，一是煤粉的比重更轻，流态化更好，也更容易受气流的影响；二是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。因此，煤粉定量喂煤就有四个关键环节：稳流系统、给料装置，计量设备和输送锁风装置。四个环节缺一不可而且又相互作用，特别是气力输送的正压气流对喂煤和计量有较大影响，如果锁风失效，煤粉定量喂煤系统就不可能稳定，为此往往形成一个复杂的锁风系统。这四个部分是一个系统组合，稳流系统相对独立，其余三个部分根据其不同的功能组合，可以分为以下三种主要类型：

　　1、给料装置，计量设备和输送锁风装置三个环节分别处理、组合成定量喂煤控制系统。其中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）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，整个系统组成比较复杂，特别是锁风和排气结构；最主要的问题是：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，所以实际喂煤控制精度难以提高。目前应用的典型代表就是科里奥利流量计组成的系统。

　　2、给料装置，计量设备合成一个环节。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、实际控制精度低的问题。但是，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。为了提高实际控制精度，往往设置预给料装置，与定量给料秤组成双闭环控制系统。目前应用的典型代表就是环状天平转子秤组成的系统。

　　3、给料装置，计量设备和输送锁风装置三个环节一体化。把喂煤、计量和锁风输送三个环节集成在一台装置上，可以大大减少系统的复杂程度和相互之间的影响，提高控制精度。但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，锁风精度及耐磨材料等技术难度大大增加。目前只有菲斯特公司的转子秤较好地实现了三环节一体化集成功能。

　　以上三种类型只是一种归类形式，使用效果更主要决定选用设备的适用性，三种类型的煤粉定量喂煤系统目前都有广泛应用。但是，水泥生产线规模越大，煤粉输送量越大，正压气流对喂煤和计量环节的影响就越大，集成系统的效果可能更好。目前国内4000t/d以下生产线，国产化的环状天平秤和科理奥利流量计组成的定量喂煤系统已经占据了领先地位，但在4000t/d以上生产线，喂煤、计量和锁风输送一体化的菲斯特转子秤还占据明显优势。

　　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，这就给计量与定料给料提出了新的要求，同时也是新的发展机遇。
节能减排、资源综合利用中可利用资源的情况比较复杂，种类多、不同物料的物理特性差异大。即便同一类物料也会在一些物理特征上呈现很大的差别，如水分、细度、流动性等，这给计量与定料给料提出了一些新的难题。以下是综合利用资源的简单分类和特点：

　　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的基本一致，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、与现有物料的物理特征基本相似的废料的综合利用，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、自身有较复杂物理特征的物料的综合利用，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，以替代日益紧张的粘土资源；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，如水份、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成不同的结果。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。目前给料装置应用最多的是螺旋给料机；计量设备采用转子秤较多，更经济的方式是采用计量绞刀，皮带定量给料机存在粉尘污染问题，而冲板流量计并不适合用于粉煤灰。

　　1、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。目前国内尚未见水泥生产线处理生活垃圾的信息，因此相关问题有待在实际需要时解决。

　　六、量与定量给料技术发展

　　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。因此，它不但随着工艺技术的提高而提高，而且随着相关学科技术的发展而发展。

　　a)期望新的物料计量技术
　　目前的物料计量技术主要还是基于称重或测力等传统的方式，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研究的内容。

　　b)快速发展的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，可以更好的提高计量与定量给料系统的可靠性、可维护性和投运率。如Profibus或其他国际标准的现场总线、无线网络传输等应用。

　　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。

　　c)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

　　随着水泥工业的不断发展，企业对生产过程中的物料计量与定量给料要求越来越高。要解决技术与应用的“供需”矛盾，我们要从两方面着手，一是要全面、系统性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。二是要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，才能走出国门、走向世界。