一、水泥生產過程中計量與定量給料的應用要求與特點

　　水泥生產工藝具有多樣性，但不管采用何種生產工藝，都離不開物料的計量與定量給料。生產工藝越先進、單線規模越大，對計量與定量給料的要求就越高。

　　從各種主、輔原料和燃料等進廠，原、燃料處理，生料制備，熟料燒成，水泥制成一直到成品出廠，物料的計量與定量給料技術與裝備貫穿整個水泥生產過程。物料的計量與定量給料可以按多種方法分類，按照物料形態可以分為塊狀、顆粒狀和粉狀物料等。按照物料輸送工藝可以分為機械輸送、氣力輸送等。如果按照功用歸類，計量與定量給料大致可以分為管理用途和生產用途。管理用途的計量與定量給料包括商業用的原材料（包括燃料）進廠、水泥（或熟料）出廠等及以生產考核為目標的用料、產量等，它對生產過程沒有或較少產生影響。生產用途的計量與定量給料包括原料配料、生料定量喂料、煤粉定量喂煤等生產工藝環節，它直接影響生產過程，是生產流程中一個不可缺少的節點。本文以新型干法水泥生產工藝為對象，重點討論生產用途的計量與定量給料的關鍵技術和發展趨勢。

　　新型干法水泥生產工藝是目前國際上主流的水泥生產工藝，也是我國產業政策中取代落后工藝而鼓勵發展的水泥生產工藝。近二十年來，新型干法水泥生產工藝在我國發展迅速，技術越來越成熟、規模越來越大。隨著水泥工業技術進步，原先水泥生產中對計量與定量給料的應用要求和特點也在發生變化，如以前被普遍垢病的水泥廠高粉塵惡劣環境已經得到很大改善，但同時出現許多新的應用要求和特點。

　　1、新型干法生產采用的物料基本上為固體物料，有塊狀、顆粒狀和粉狀等不同的物料形態，而且有不同的物理特性，物料的比重、水分、流動性等差異較大。計量與定量給料裝置必須考慮被測物料不同的物理特性。這就一方面要求裝置有較強的適應性，另一方面針對不同特性的物料、不同的工藝特點要采用不同的技術和裝置。

　　2、水泥生產是典型的連續生產過程，規模越大，對生產的連續性要求越高。因此，對生產過程的關鍵設備要求更高的可靠性、穩定性和更低故障率。如大量大型電動設備的應用對計量與定量給料裝置電控系統造成威脅，電控系統須通過嚴格的EMC抗干擾性測試，以克服現場的干擾影響。

　　3、對水泥生產提出的越來越強烈的環境保護要求同樣適用于計量與定量給料裝置。計量與定量給料裝置的設計要考慮對揚塵的控制，特別是對流動性良好的粉狀物料要求密閉性好，甚至達到全密閉。

　　4、產用途計量的精度一般要低于商業用途的計量精度要求，但隨著生產現代化程度的提高、生產管理也越來越定量化、精細化，較高的計量精度成為企業新的追求。

　　5、產規模的大型化也對計量與定量給料提出了新的要求。不同物料在大流量時呈現出一些新的問題，這時，大型化就不是等量放大這么簡單了，大型化對計量和定量給料技術和裝備成為一個新的發展焦點。

　　6、足企業現代化管理要求。如具有良好的開放性，配備國際標準的通訊協議等。

　　二、定量給料與配料

　　水泥生產中的物料配料是定量給料設備最初應用目標之一，一般在原料進入磨機之前，主要包括生料配料和水泥配料，所以同時可以實現磨機負荷的控制。

　　近二十幾年來，水泥生產配料的定量給料裝置在各種形式的嘗試中變化和發展。斗式秤（簡易斗式秤、減量法斗式秤）、圓盤秤、懸臂秤（懸臂式恒速皮帶秤、雙懸臂秤）、螺旋絞刀秤、核子皮帶秤、調速皮帶定量給料秤（機）等各種形式的定量給料裝置在實踐中檢驗、發展。在新型干法水泥生產工藝不斷成熟的過程中，調速皮帶定量給料秤（機）在這場應用競賽中脫穎而出，以其系統精度高、運行穩定、占用空間小、使用維護簡便、物料適應性強等優點，成為水泥生產配料系統的理想選擇。特別對于新型干法工藝生料配料，調速皮帶定量給料秤（機）目前在國內幾乎是唯一的選擇。

　　但是，要用好調速皮帶定量給料秤也需要分析各種因素和條件，進行合理的設計。如進料斗的選擇、主滾筒直徑及秤體長寬設計等等。對于流動性較差的粘黏性物料或大流量物料，有時要考慮設置鏈板給料機或圓盤給料機等預給料裝置。對于流動性很好的粉體物料則經常采用電動流量閥、回轉葉輪給料機或螺旋給料機等作為預給料裝置。具體選用時應根據物料特性和生產工藝條件作出適當選擇。

　　盡管在選用調速皮帶定量給料秤時已經有了謹慎的考慮，但隨著新型干法水泥生產線規模的增大，新的問題還是會出現，如超大流量的石灰石會導致皮帶嚴重磨損、打滑，倉壓過大還會影響皮帶定量給料機的精度；較大流量的粘土等粘濕性硅質原料或大塊原料出倉時下料不暢，皮帶無法把其從倉中直接拉出來；大流量定量給料機要配用較寬的皮帶，導致皮帶上的負荷分布不均，從而引起較大的測量誤差等等。原來直接應用普通的皮帶定量給料機進行配料控制的方法已經難以滿足要求。對此，國內大型新型干法水泥生產線的配料定量給料系統也在不斷的改善、發、改造原料倉及下料斗的結構，改善原料下料不暢問題。

　　改變定量給料秤主滾筒設計：加大滾筒直徑，提高皮帶與滾筒的接觸面，從而提高摩擦力。為進一步防止皮帶打滑，對主滾筒進行包膠處理。

　　采用雙側壓力傳感器的測壓系統。

　　采用以上措施后，調速皮帶定量給料機基本能滿足2500t/d規模生產線的要求。
對于5000t/d及以上生產線生料配料中的石灰石和粘土的定量給料，國內多采用在料倉與皮帶定量給料秤之間加一臺板式喂料機，以解決直接使用皮帶定量給料秤時出現的皮帶打滑、倉壓過大、皮帶無法把粘濕性硅質原料或大塊原料從倉中拉出等問題。實際使用效果普遍不太理想。

　　國外設計較多直接采用裙板式定量給料機，這是板式喂料機和皮帶定量給料機的結合，但絕不是國內原有的鏈板秤。裙板式定量給料機（Apron Weigh Feeder)動態精度為1%，能夠滿足大型水泥生產線配料要求。國內尚未見使用和生產的報道。

　　三、窯尾生料定量喂料系統

　　在新型干法生產工藝中，穩定、準確的生料粉喂入，是保證燒成系統工況穩定、優質高產和節能降耗的最主要因素之一，也是窯尾生料定量喂料系統追求的目標。經過多年的實踐和探索，目前窯尾生料定量喂料系統已經形成了一些較為成熟的設計和應用，概括起來由三個關鍵環節組成：穩流系統、給料裝置和計量設備。這三個部分是一個系統組合，任何一個環節的設計不合理或匹配不當，都可能破壞生料粉穩定、準確喂入燒成系統的目標，從而影響燒成系統的穩定運行。

　　1、均化庫通過充氣達到均化生料的效果，所以帶氣生料粉的流動性較強，而且均化庫的庫容大、庫壓高，所以出庫的生料粉流量不易準確控制。為此，生料粉在實現定量給料前，首先要進行穩流處理。在均化庫卸料到定量給料裝置之間，一般設有穩流的中間倉，或帶回流的供料裝置。目前最常見的工藝方案是采用稱重中間倉，通過適當控制均化庫的卸料，使稱重倉內的生料保持在一定的料位范圍，這是一個相對獨立的系統。無論采用何種形式的生料計量和定量給料設備，保持中間稱重倉內一定量的生料，對于穩定生料計量和定量給料系統都具有舉足輕重的作用。同時稱重倉還能用于下級窯尾生料定量喂料系統的標定。

　　2、 經過穩流處理的生料粉進入生料定量喂料系統的給料裝置。在調速的葉輪給料機、螺旋給料機、水平旋轉喂料機及電動流量控制閥等各種生料給料裝置中，流量控制閥以其使用簡單、投資省，流量控制范圍大等優點而在大型新型干法生產線上得到廣泛應用。但在實際使用中，電動流量控制閥也普遍存在一些缺點，如線性化差，在流量閥的不同開度，或不同的生料狀態，相同的閥位變化量有不同的流量變化，控制呈非線性，導致系統喂料控制不穩定；在生料流態化較好時，流量閥難以控制生料粉的快速流動，容易形成沖料現象，制造精度較低的流量閥問題尤其明顯。其他的給料裝置在大型生產線中應用較少。

　　3、尾喂料的生料粉計量是典型的粉體物料計量。對于大規模生產線，無論是沖板或其他形式流量計，還是皮帶定量給料機均能滿足基本要求。用流量計組成的定量給料系統相對較簡單，但存在兩個系統型缺陷。

　　其一是生料給定的穩定性完全依賴于給料裝置，流量計完全是被動的，它僅僅是對來料進行計量。如前所述，目前應用較廣的電動流量控制閥對流態化的生料粉控制并非十分理想，在中間稱重倉料位或流態化充氣發生變化時，流量閥難以控制生料粉的快速流動。所以系統還需設置一些其他穩流措施。

　　其二是當發現通過流量計的生料流量偏離給定量時，生料實際已經離開窯尾生料定量喂料系統，這時調節給料裝置完全是事后補償。所以這是一個純滯后控制系統，穩定性不理想。如果用流量控制閥作為唯一的給料調節裝置，其非線性特性更是影響整個窯尾生料定量喂料系統的響應靈敏度和抗干擾能力。

　　皮帶定量給料機的特點與流量計基本相反，皮帶定量給料機應用相對較復雜，占用空間也大，但如果正確運用調速皮帶定量給料機就可以較好的克服流量計系統的兩個缺陷： 設計合理的皮帶長度和速度可以緩解生料粉的涌動，中和生料的波動，從而保證生料喂料系統的穩定性。

　　調速皮帶定量給料機本身就有給料調節功能，如果喂料定量給料設定值直接給調速皮帶定量給料機，則系統能在流量檢測的同時，及時調節皮帶速度，改變給料量，從而消除流量計系統的純滯后效應。同時根據皮帶給料機的稱重信號，調節流量控制閥以保持皮帶上生料厚度。在此，流量控制閥就成為一個預給料裝置，其非線性特性等不利因素對整個窯尾生料定量喂料系統的影響大為降低，控制系統的精度和動態響應等指標得以提高。但雙回路控制相互有耦合，其設計、調試的技術要求較高，如果控制回路配合不當，可能造成系統振蕩，甚至更不穩定。

　　需要注意的是，基于其技術形式的特點，調速皮帶定量給料機的密閉性較差，不論是采用料封閉還是秤封閉，相比流量計，它客觀存在著生料外溢的可能性，所以在設計時必須充分考慮。

　　四、成系統的煤粉定量喂煤控制系統

　　與窯尾生料定量喂料一樣，穩定、準確的煤粉定量喂煤也是保證新型干法燒成系統工況穩定、優質高產和節能降耗的最主要因素之一，相比之下，燒成系統的煤粉定量喂煤有兩個主要不同點，一是煤粉的比重更輕，流態化更好，也更容易受氣流的影響；二是煤粉通過氣力輸送進入燒成系統的窯頭和分解爐，正壓氣體對煤粉定量喂煤系統的作用和影響十分巨大，成為影響系統穩定運行的主要因素。因此，煤粉定量喂煤就有四個關鍵環節：穩流系統、給料裝置，計量設備和輸送鎖風裝置。四個環節缺一不可而且又相互作用，特別是氣力輸送的正壓氣流對喂煤和計量有較大影響，如果鎖風失效，煤粉定量喂煤系統就不可能穩定，為此往往形成一個復雜的鎖風系統。這四個部分是一個系統組合，穩流系統相對獨立，其余三個部分根據其不同的功能組合，可以分為以下三種主要類型：

　　1、給料裝置，計量設備和輸送鎖風裝置三個環節分別處理、組合成定量喂煤控制系統。其中給料裝置大多采用調速的葉輪給料機、螺旋給料機和水平旋轉喂料機等；煤粉計量常用沖板流量計、科里奧利流量計等；鎖風裝置采用螺旋泵、分格輪（水平或垂直）等形式。這種形式組成的系統各部分功能明確，但是各個環節相互影響，特別是有些形式的給料裝置和流量計對正壓氣流十分敏感。為消除氣流影響，整個系統組成比較復雜，特別是鎖風和排氣結構；最主要的問題是：這種結構形式定量喂煤系統的給料調節為單回路純滯后控制，即在流量計發現喂煤量偏離給定值時再調整給料裝置，已經無法及時糾偏，只能事后補償，所以實際喂煤控制精度難以提高。目前應用的典型代表就是科里奧利流量計組成的系統。

　　2、給料裝置，計量設備合成一個環節。煤粉計量過程中可以同時調節喂煤量，如采用調速的雙管螺旋絞刀秤、環狀天平轉子秤等。這種結構形式使給料和計量同步實施，解決了給料調節滯后、實際控制精度低的問題。但是，對于氣力輸送過程中的正壓氣流對給料和計量的影響，仍然需要單獨考慮復雜的鎖風環節。為了提高實際控制精度，往往設置預給料裝置，與定量給料秤組成雙閉環控制系統。目前應用的典型代表就是環狀天平轉子秤組成的系統。

　　3、給料裝置，計量設備和輸送鎖風裝置三個環節一體化。把喂煤、計量和鎖風輸送三個環節集成在一臺裝置上，可以大大減少系統的復雜程度和相互之間的影響，提高控制精度。但對于一體化的煤粉定量喂煤系統本身的技術要求較高，風、煤平衡，鎖風精度及耐磨材料等技術難度大大增加。目前只有菲斯特公司的轉子秤較好地實現了三環節一體化集成功能。

　　以上三種類型只是一種歸類形式，使用效果更主要決定選用設備的適用性，三種類型的煤粉定量喂煤系統目前都有廣泛應用。但是，水泥生產線規模越大，煤粉輸送量越大，正壓氣流對喂煤和計量環節的影響就越大，集成系統的效果可能更好。目前國內4000t/d以下生產線，國產化的環狀天平秤和科理奧利流量計組成的定量喂煤系統已經占據了領先地位，但在4000t/d以上生產線，喂煤、計量和鎖風輸送一體化的菲斯特轉子秤還占據明顯優勢。

　　五、節能減排、資源綜合利用中的計量與定料給料

　　水泥工業是能源、資源消耗性行業，是我國節能減排的重點行業。同時水泥生產工藝在節能減排、資源綜合利用方面有其獨特的優勢，這就給計量與定料給料提出了新的要求，同時也是新的發展機遇。
節能減排、資源綜合利用中可利用資源的情況比較復雜，種類多、不同物料的物理特性差異大。即便同一類物料也會在一些物理特征上呈現很大的差別，如水分、細度、流動性等，這給計量與定料給料提出了一些新的難題。以下是綜合利用資源的簡單分類和特點：

　　1、低品位資源的綜合利用，如低熱值煤、煤矸石、低品位礦石等。它們的物理特性與正常品位資源的基本一致，可以直接利用、或稍加修改就可利用現有計量與定量給料的單機與系統技術。

　　2、與現有物料的物理特征基本相似的廢料的綜合利用，如鋼渣、硫酸渣、鍋爐爐渣等工業爐渣。經過簡單處理后，它們與水泥工業常用物料有相似的物理特性，計量與定量給料易于實現。

　　3、自身有較復雜物理特征的物料的綜合利用，如粉煤灰、干電石渣粉等。

　　粉煤灰是目前水泥企業綜合利用較普遍的資源，它的成分具有火山灰質特性，在生料配料中常作為硅質原料或鋁質校正原料使用，以替代日益緊張的粘土資源；也廣泛用作混合材料加入水泥粉磨系統，因其具有較大的活性而受到用戶歡迎。粉煤灰具有比重低、流動性大、磨損性強等特點，但具體參數差距較大，如水份、細度等各廠都不同，所以同樣的計量與定量給料系統在不同的廠可能會產生完成不同的結果。總體而言，粉煤灰的物理特性接近煤粉，但流動性比煤粉更好，粉煤灰的計量與定量給料系統組成與煤粉相類似，考慮到經濟性，對大多數粉煤灰應用的計量與定量給料系統比煤粉簡單。目前給料裝置應用最多的是螺旋給料機；計量設備采用轉子秤較多，更經濟的方式是采用計量絞刀，皮帶定量給料機存在粉塵污染問題，而沖板流量計并不適合用于粉煤灰。

　　1、前尚未廣泛采用的廢物綜合利用，如工業廢物、生活垃圾等。工業廢物種類繁多，只能視具體情況設計相應的計量與定量給料系統。生活垃圾在其他的垃圾處理場所，如垃圾發電廠等，其計量與定量給料大多采用皮帶定量給料機，但實際使用中還是有不少問題，如污染問題等。目前國內尚未見水泥生產線處理生活垃圾的信息，因此相關問題有待在實際需要時解決。

　　六、量與定量給料技術發展

　　計量與定量給料系統是典型的機電一體化技術和產品，它廣泛涉及物理、流體動力、材料、機械、電子、計算機、自動控制等技術和學科。因此，它不但隨著工藝技術的提高而提高，而且隨著相關學科技術的發展而發展。

　　a)期望新的物料計量技術
　　目前的物料計量技術主要還是基于稱重或測力等傳統的方式，測量方法直觀但受干擾因素多，特別是對氣力輸送的粉狀物料，如煤粉系統，現有的計量與定量給料系統比10年前有很大提高，但是系統太復雜，且穩定性、適應性較差。能否通過其他更直接的方法測量氣固兩相的流量，已成為許多科研機構研究的內容。

　　b)快速發展的IT技術與應用
　　計量與定量給料系統充分利用IT技術，特別是計算機網絡技術，可以更好的提高計量與定量給料系統的可靠性、可維護性和投運率。如Profibus或其他國際標準的現場總線、無線網絡傳輸等應用。

　　遠程監控技術應用可以為更精細的企業管理提供先進平臺，從而提高生產和設備管理的水平。

　　c)先進控制技術應用
　　目前的計量與定量給料系統中，無論是單回路還是雙回路控制，都僅僅采用基本的PID控制方法，雖然相對簡單、易操作，但是對于非線性、純滯后等復雜耦合、時變的過程僅采用常規的PID控制已不能滿足要求。研究、采用先進、成熟的控制技術也是計量與定量給料技術發展的一個方向。如自適應控制、魯棒控制、優化控制等都是為解決復雜過程的一些控制技術。

　　七、結束語

　　隨著水泥工業的不斷發展，企業對生產過程中的物料計量與定量給料要求越來越高。要解決技術與應用的“供需”矛盾，我們要從兩方面著手，一是要全面、系統性地考慮物料計量與定量給料的問題，它不僅僅是機械、計量與自動化專業的技術問題，同時也是工藝、材料等其他專業的技術問題。二是要積極探索應用新技術、新工藝、新材料，有創新才能有發展，才能滿足現代水泥生產的迫切需要，才能走出國門、走向世界。