粉體在線激光粒度分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

  1、引言

  在水泥、硅膠等產(chǎn)品生產(chǎn)中，粒徑作為其中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)上粉體的粒度測(cè)試采用人工采制樣或機(jī)械采制樣，加人工實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)的方法，這種方法有很多的的缺點(diǎn)：1、取制樣誤差大，以局部代表整體過(guò)程，存在代表性問題；2、不在線，不實(shí)時(shí)，分析數(shù)據(jù)嚴(yán)重滯后；3、分析數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程指導(dǎo)意義不大，只能是一種補(bǔ)救措施。

  激光粒度測(cè)試儀器以其快速、準(zhǔn)確、重復(fù)、方便等特點(diǎn)越來(lái)越多地被用于生產(chǎn)控制，隨著生產(chǎn)控制的進(jìn)一步要求，離線測(cè)試已經(jīng)不能夠滿足要求，為了能夠得到連續(xù)的粒度測(cè)試結(jié)果，在線粒度測(cè)試系統(tǒng)漸漸成為成為了各大廠家關(guān)注的焦點(diǎn)。

  目前，國(guó)際上英國(guó)馬爾文、德國(guó)新帕泰克、中國(guó)微納顆粒等激光粒度儀廠家都推出了粉體在線激光粒度分析儀，本文就針對(duì)微納儀器的粉體在線激光粒度分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入的探討。

  2、系統(tǒng)構(gòu)成

  粉體在線激光粒度分析系統(tǒng)是可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的粉體粒度分析系統(tǒng)，各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)客戶應(yīng)用要求量身定制，本系統(tǒng)主要有以下幾部分構(gòu)成：主機(jī)系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)、樣品分散系統(tǒng)、密封樣品窗口系統(tǒng)、回料系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)控制柜系統(tǒng)、遠(yuǎn)程傳輸與顯示系統(tǒng)。本系統(tǒng)的主要功能是可以對(duì)流動(dòng)的顆粒粒度分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供準(zhǔn)確的控制信號(hào)。

  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。取樣器把粉體樣品從生產(chǎn)線管道中取出，通過(guò)卸料器傳給喂料器，喂料器均勻地把樣品送入樣品分散泵中,分散好的粉體樣品通過(guò)防堵反吹閥進(jìn)入儀器主機(jī)，在保護(hù)氣的作用下通過(guò)樣品窗口，回料泵把測(cè)試過(guò)的粉體樣品送回到生產(chǎn)線管道中。測(cè)試過(guò)程中主機(jī)把測(cè)試到的粉體散射光譜實(shí)時(shí)地傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)控制柜，由安裝到現(xiàn)場(chǎng)控制柜PC平板中的在線粒度分析軟件通過(guò)反演運(yùn)算得到粉體樣品的粒度分布，現(xiàn)場(chǎng)控制柜把得到的粒度分布數(shù)據(jù)一方面通過(guò)遠(yuǎn)程通訊傳給中控PC，工作人員可根據(jù)粒度分布數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)線及時(shí)作出調(diào)整，也可直接傳輸給生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，直接調(diào)整生產(chǎn)線上的設(shè)備使其運(yùn)轉(zhuǎn)到最佳位置?，F(xiàn)場(chǎng)控制柜中的PLC系統(tǒng)是整套系統(tǒng)的控制中心，能控制系統(tǒng)上每一個(gè)部件的開關(guān)，并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警。

  圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

  3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  3.1 在線取樣系統(tǒng)

  從管道中取出具有代表性的樣品是實(shí)現(xiàn)粉體粒度在線測(cè)試的第一步，根據(jù)不同的粉體生產(chǎn)工藝，本設(shè)計(jì)提供兩種取樣系統(tǒng)：負(fù)壓取樣和螺旋取樣，負(fù)壓取樣主要應(yīng)用于飛灰式取樣，如火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣飛灰取樣，螺旋取樣主要應(yīng)用于粉料的取樣，如水泥在空氣斜槽中傳輸過(guò)程中的取樣。

  負(fù)壓取樣器由取樣管和噴射泵組成，取樣管插入工藝管道，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的取樣孔從氣固兩相流中取出具有代表性的樣品。噴射泵與取樣管相連，可以形成0.04MPa的負(fù)壓，將取樣管中的樣品吸出送到主機(jī)進(jìn)行測(cè)試，噴射泵采用陶瓷內(nèi)芯，具有良好的耐磨特性。粉體在管道中傳輸過(guò)程中大小顆粒會(huì)產(chǎn)生分層現(xiàn)象，因此應(yīng)采取多點(diǎn)取樣，本負(fù)壓取樣系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)式取樣，取樣器在運(yùn)動(dòng)控制箱的控制下從位置1到位置2作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中連續(xù)取樣，保證了取出的樣品具有代表性。

  粉體運(yùn)輸一般采用氣體輸送，管道中存在一定的正壓力或負(fù)壓了，螺旋取樣器只有在常壓下才能正常工作，因此在本設(shè)計(jì)中加入了旋轉(zhuǎn)卸料閥，能夠?qū)崿F(xiàn)空氣密封，保證螺旋取樣器的正常工作，取出的樣品進(jìn)入到分散泵中分散后經(jīng)防堵反吹閥門進(jìn)入主機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

  3.2 密封樣品窗口

  保持主機(jī)鏡頭，探頭的潔凈是保證在線儀器的連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)中采用全密封式樣品窗設(shè)計(jì)，一次保護(hù)氣對(duì)密封玻璃起到氣幕保護(hù)和吹掃的作用，二次保護(hù)氣保證密封窗口內(nèi)的氣體壓力平衡，避免樣品從噴射管中噴出時(shí)出現(xiàn)返料現(xiàn)象。

  3.3 測(cè)試系統(tǒng)

  測(cè)試系統(tǒng)主要由主機(jī)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。

  主機(jī)系統(tǒng)包括光路部分、電路部分、機(jī)械密封部分，光路部分采用反傅立葉變換光路，全量程采用米氏散射理論。電路部分掃描速度1000次/秒, 每秒可顯示2個(gè)完整粒度分布（用戶可調(diào)）。

  儀器符合ISO13320標(biāo)準(zhǔn)，所有接口（采樣管，閥門，管道）及主機(jī)各個(gè)部位均采用夾套式接頭方便現(xiàn)場(chǎng)檢修。

  軟件系統(tǒng)專門為在線粒度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制，軟件具有形象化的良好的人機(jī)界面，操作方便，運(yùn)行可靠，安全性良好，為用戶自行定制輸出數(shù)據(jù)項(xiàng)目提供方便。

  3.4 遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)

  在線激光粒度分析系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，在線控制系統(tǒng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的自動(dòng)控制及報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)PC為在線粒度測(cè)試軟件的運(yùn)行平臺(tái)，生產(chǎn)控制系統(tǒng)為粉體生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)，中控PC用于數(shù)據(jù)的顯示及遠(yuǎn)程生產(chǎn)線控制。

  在線控制系統(tǒng)控制器采用PLC，能夠穩(wěn)定地控制各器件的依次啟動(dòng)和依次關(guān)閉，并能夠接收粒度分布數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，能夠與生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行接口，用于生產(chǎn)設(shè)備控制，提供完善的報(bào)警裝置。如果在線設(shè)備出現(xiàn)問題則自動(dòng)報(bào)警，并自動(dòng)采取保護(hù)措施。

  現(xiàn)場(chǎng)PC采用一體式工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理、并實(shí)時(shí)顯示在線顆粒的粒度分布，與中控室終端采用光纖通訊，能夠保證在遠(yuǎn)距離和電磁干擾的情況下穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)。

  圖2  通訊結(jié)構(gòu)圖

  4、系統(tǒng)應(yīng)用

  4.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝

  圖3  現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

  如圖3所示是微納公司為南京某水泥生產(chǎn)線定制的礦渣微粉在線粒度測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)。本項(xiàng)目目的是為了在線24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)梅寶公司成品的粒度分布數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)線提供調(diào)整依據(jù)。本項(xiàng)目分為以下幾個(gè)系統(tǒng)：

  1、在線取樣系統(tǒng)

  2、在線分散系統(tǒng)

  3、在線主機(jī)

  4、在線回料系統(tǒng)

  5、在線空氣凈化系統(tǒng)

  6、在線氣體分配系統(tǒng)

  7、PLC控制系統(tǒng)

  8、工業(yè)PC測(cè)試系統(tǒng)（含在線粒度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專用軟件）

  9、遠(yuǎn)程傳輸與顯示系統(tǒng)

  4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

  圖7 粒度分布圖

  圖8 粒度數(shù)據(jù)監(jiān)控圖

  5、結(jié)論

  針對(duì)在線粒度測(cè)試方面的技術(shù)難點(diǎn)，本文結(jié)合微納儀器在線粒度分析儀器進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，初步研究結(jié)果表明在線取樣技術(shù)，封閉樣品窗技術(shù)，遠(yuǎn)程通訊技術(shù)均滿足了粉體粒度在線測(cè)試的需求。