近年來，水泥行業在追求可持續發展方面取得了顯著的進步，包括實現了極為苛刻的二氧化碳減排目標。在2000至2006年間，全球水泥生產量增加了54%，而絕對CO₂排放量僅溫和上升了42%^[1] 。許多創新策略對此均發揮了作用，毫無疑問，該行業將需要采用更智能的技術，以持續減輕其對環境的影響。2009年，水泥技術路線圖明確規定了熱電效率、熟料替代、替代的燃料以及碳收集與儲存，作為四個潛在可改善的領域。

　　水泥制造過程產生的許多CO₂與熟料的生產有關，這就是在成品水泥中需要熟料替代物的原因，使用諸如高爐礦渣、飛灰及火山灰等材料將具有潛在的優勢。然而，研磨熟料及任何相關的成分及替代物來生產成品水泥，需要相當多的電能。由于目前水泥生產各階段必須最小化能耗，工廠控制必須接受更嚴密的監督且需具有較強的自動化水平。更高效的研磨通過降低耗電量可實現直接的節約，同時支持成本效益以及成功采用熟料替代物。

　　在評估水泥業前景方面，水泥可持續性發展協會^[2]強調了必須采用工藝創新來實現提高資源及能源效率及長期的成本節約。對于研磨的精細控制，使用激光衍射技術進行顆粒粒度分析則支持此類創新。這里，我們針對顆粒精細度的監測，與傳統的 Blaine/比表面積測量方法相比較，對其優勢進行評估，檢驗顆粒粒度分析如何協助該行業實現環境、效率及經濟目標。成熟的在線顆粒測定技術正不斷應用于水泥生產過程中，提供靈活的商業解決方案。

圖1 水泥廠內用于在線顆粒粒度測量的典型裝置

　　放棄 Blaine測量法?

　　Blaine 測量法在水泥業中具有悠久的歷史，并且一直保留著水泥標準中規定的性能參數。然而，伴隨行業對于高度加工效率的追求，在推動更為有效的研磨方面，Blaine 測量法的局限性愈發明顯。對于許多水泥制造商而言，Blaine測量法正逐漸被邊緣化，它僅僅成為周期性質量控制檢查的工具，而并非研磨控制的主要信息來源，這一角色現已被激光衍射顆粒測定法所取代。作為一種很大程度上的人工技術，Blaine 的重現性較差，這一問題會由于缺乏足夠的操作及專業知識而變得更為嚴重。在某些公司，這影響降低了對數據的信任度，并因此促進了激光衍射法的應用，并將應用Blaine 分析的可能降至最低。

　　激光衍射顆粒粒度分析的應用可歸因于該技術的三個重要特點：全自動分析，具有針對實時過程監測的可靠解決方案以及所得數據更精確的關聯具體的水泥性能。研磨的優化及自動化依賴適合的信息流。從實際的觀點出發，通常為每小時報告的離線分析程序并不適用于精確的工廠監測。當使用激光衍射法進行顆粒測定時，測量速度可通過轉為在線系統大大提升。其分析頻率高達每秒提供四個完整的粒度分布，即使針對迅速變化過程中的工藝，也能進行全面監測。此外，轉為在線測量可省去原本分析所需的人工輸入。勞動力的節省，在考慮任何額外經濟收益及在實施自動化控制策略之前，可快速補償對該分析儀的資本投入。

　　除了以上實際的優點外，激光衍射法還具有一項技術優勢。當該行業使用粒度分布數據而非使用 Blaine測量或比表面積的單一數值平均測量法時，即可得出不同粒級之間的聯系以及一些水泥性能方面的情況。對此的了解可幫助制造商掌握研磨度，提供需要的強度，使特定的研磨能耗降至最低。長期以來，粒度分布數據同樣支持熟料替代物以最佳的粒度成功融合。

　　實行在線粒度分析

　　在線激光衍射粒度測量包含從樣品提取到得出結果的整個自動化分析程序。對于一些應用，自動化還可擴展至工廠控制；對于另一些應用，改善人工操作即可。完成一個在線項目必須包括：設計適合的過程界面；選擇適合的分析儀；安裝所有必要的設備；在現有的工廠控制平臺內整合分析儀。在很多工廠里，還需要開發合適的自動控制戰略。

　　首先來看過程界面，水泥廠往往以極高的噸位流量運行，這使得測量整個工藝流程變得不可行。這就是在線測量而非線內測量成為標準的原因。圖 1顯示了水泥廠用于在線顆粒粒度測量的典型裝置。該工藝界面的設計旨在選取具有代表性的樣品，進行約20 - 25 kg/hr的測量。這意味著待分析的材料量遠大于使用離線測量法分析的材料量，從而使測量結果具有更高的統計完整性。首先使用螺旋鉆從工藝流程中選取大量得樣品流，然后使用文氏噴管從這些樣品流再提取有代表性的樣品流。從生產線中提取的所有水泥均可在測量后重新利用。

　　分析儀測量得出材料的粒度分布并將數據傳遞至電腦中。由此，操作員可按其需求調整測得并觀察結果數據。合適的軟件可簡化在更為復雜的控制系統內的整合，例如：使多元過程控制變得更容易，這是測量中的理想目標。

　　實時粒度測量一個優點立竿見影的是能夠持續監測研磨線路的性能，并能立即觀察到任何工藝變化造成的影響，從而提升人工控制的有效性。操作員只要在操作上稍加改變，即可看到是否已經產生所需效果，而不用坐等實驗室的反饋。

　　當其用于操作全自動化控制時，實時粒度測量的優點可以使價值最大化。在該技術利用方面的領先公司正在使用精密的多元設備控制包，選取一個或兩個粒度參數與其他數據配合使用。這可能包含進料速率、分類速度、研磨速度、貫穿整個線路的空氣流量，以及所有用于持續推進研磨設備至最佳運行點的數據。最終的結果是確保以最低的可變成本生產出始終符合產品質量目標的高質量產品。此類策略可提供大量的收益：降低研磨機能耗最高可達20%^[3] ；增加產出量；提高產品質量一致性。

　　適合的技術

　　以上這些優點證明了采用在線測量法的種種必要性，但此類項目的實用性還需要考慮到許多問題：是否有可用的可靠技術？人工操作、簡單的閉環控制、操作復雜的多元控制等不同情況下如何利用數據？工廠內完成項目所需的專業技能及時間情況如何？專家支持在哪些方面最有用？

　　過去的十年間，激光衍射技術取得了顯著的進步。高度可靠的分析系統已經使用了多年，一些分析儀已經在水泥業全天24小時不間斷地運行了很長時間。其中變化最大的應屬我們對于工藝中如何設計和整合系統的理解取得的巨大進步。

　　在在線顆粒粒度測量技術發展的早期，企業通常會選擇購買設計完整的統包解決方案，在此方案中提供整個工作系統的所有風險均由儀器供應商承擔。雖然這種方式具有潛在成本，但在該技術發展的初期階段，這種方式可有助于對技術的再次保證。隨著在線測量技術的不斷成熟，更多的企業期望轉向更符合其自身要求的在線測量打包方案。有完整設計的解決方案依然是一個受歡迎的選擇，但有另一種投資方式，可僅購買檢測設備并由企業內部執行所有其他的作業項目。

　　例如，一種低產量的水泥設施，可能只能生產幾個等級的產品并且完全在人工控制下運行。水泥廠決定投資實時測量，以解放操作員進行更高價值的工作，同時提供更高的產品質量，但是卻沒有比簡單環路等級更高的自動化方案是基于顆粒粒度信息來調整分級機速度。這樣，最佳的解決方案可能是購買帶有基礎自動化技術包的檢測設備，并利用現有知識及出版文獻中提供的資料設計一些硬件。這種方法會壓低前期投資，而這也可能是該項目合理性的關鍵。

　　相比之下，高產量水泥廠的要求包括，提供多等級產品、期望通過數個研磨線路（可能包括用于生產替代材料的研磨線路）實現最先進的多傳感器控制。這樣，就出現了投資更全面的分析儀技術包的案例。此類項目需要精密的自動化軟件及序列，要求專家應用支持，以補充提供任何工廠內部所需的設計資源。成功實施該技術的潛在收益足以證明投資該技術的價值，尤其是當該技術初次實施時。在較大的企業，隨著經驗的積累，在多個現場不斷應用該技術項目的更多部分由工廠內部實施。這進一步強調了這一案例，確保最初項目有效執行并為后來更多的應用做了很好的榜樣。

　　總結

　　開發對環境產生較少影響的水泥制造工藝，需要使用能不斷提高效率的真正智能的技術。一個值得關注的領域是熟料或替代物質的研磨，在該領域中，實現粒度智能控制的設備做出了重要的貢獻。

　　激光衍射分析為粒度優化及研磨效率的提高提供所需信息。最近幾年，激光衍射這種被證明可靠的工業技術已經成為成熟的在線顆粒測定工具，為用戶在具體實施方面提供更多選擇。如今，在線粒度測量技術已被視為綜合性研磨優化的基礎，該技術已將包括全面設計的解決方案與簡單的傳感器有機結合。無論企業的目標是僅僅提高人工操作效率還是實現最先進的多元統計工藝控制，相關適合的在線測量技術現在已充分商業化，并且隨時可為提高成品研磨的能源效率以及為整個水泥產業實現減能目標發揮作用。

　　參考文獻：

　　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.