多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)的應(yīng)用

劉光年

(1.合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司， 安徽 合肥 230051； 2.合肥固泰自動(dòng)化有限公司， 安徽 合肥 230051)

0 前言

在現(xiàn)代規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對(duì)各種原材料及輔料進(jìn)行過程計(jì)量與控制，特別是粉體物料的過程計(jì)量和控制尤為需要。但是粉體物料的過程計(jì)量與控制的發(fā)展相對(duì)較慢，系列化程度和覆蓋面較之氣體、液體和散粒狀、塊狀的固體物料的控制要緩慢得多。粉體物料的過程計(jì)量和控制不能單純地僅就物料的計(jì)量和控制方面去考慮，而是需要針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的工藝過程，如粉體物料的輸送、過程儲(chǔ)存、外部環(huán)境等各種因素，進(jìn)行綜合考慮，以實(shí)現(xiàn)粉體物料過程計(jì)量與控制的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

雖然微量粉體計(jì)量秤在規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)中有著很廣泛的應(yīng)用，但是目前國內(nèi)外能夠?qū)ξ⒘糠垠w進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定計(jì)量的產(chǎn)品很少，且使用效果很不理想[1]。傳統(tǒng)的螺旋絞刀式給料因粘結(jié)堵卡及計(jì)量不準(zhǔn)確已基本被棄用；純粹的失重秤小流量喂料因其安裝工藝的限制、昂貴的成本及易受外力擾動(dòng)的不穩(wěn)定性，也不能很好地滿足使用要求。如何保證微量粉體在計(jì)量過程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速的響應(yīng)并保證長(zhǎng)期計(jì)量精度，是微量粉體計(jì)量行業(yè)所必須解決的問題?；诖耍疚奶岢隽艘环N技術(shù)成熟可靠、喂料穩(wěn)定準(zhǔn)確、通用性強(qiáng)的微量粉體定量喂料裝置，即多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)，其能夠有效解決量程為100～600 kg/h的各種微量粉體的過程計(jì)量與控制所存在的問題，填補(bǔ)了規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)中微量粉體過程計(jì)量與控制的部分空白，并在城市垃圾焚燒處理發(fā)電廠和冶金行業(yè)得到了很好的推廣應(yīng)用[2]。

1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用分析

規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要對(duì)微量粉體進(jìn)行過程計(jì)量與控制，目前國內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品很少，大多是由常規(guī)臺(tái)時(shí)粉體計(jì)量與控制產(chǎn)品進(jìn)行縮小變種而臨時(shí)制作的，實(shí)際應(yīng)用效果很差。

1.1 微量粉體倉式失重秤

微量粉體倉式失重秤，是利用測(cè)量稱重倉的失重速率作為反饋來控制倉出料口流量，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量比較準(zhǔn)確，能完成微量粉體計(jì)量的各個(gè)量程范圍；缺點(diǎn)是物料換倉時(shí)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)調(diào)節(jié)死區(qū)。粉體微量失重秤一般由稱重小倉測(cè)量出實(shí)際粉體物料量，被測(cè)量的粉體物料通過置于倉體下方的出口，由可調(diào)節(jié)的閥門或其他可調(diào)節(jié)裝置卸出，出口流量的大小由調(diào)節(jié)閥門通過實(shí)際測(cè)量倉重減少的速率來控制。這樣基本可以保證這一倉粉體物料的精確。但高精度粉體微量失重秤系統(tǒng)，大多用于實(shí)驗(yàn)室中或試驗(yàn)線上[3]。

1.2 微型螺旋定量給料機(jī)

微型螺旋定量給料機(jī)就是將螺旋定量給料機(jī)小型化，簡(jiǎn)單地說就是將螺旋秤的管徑或螺距縮小以滿足微量粉體的喂料流量。這種方式大致可以滿足數(shù)十至數(shù)百公斤臺(tái)時(shí)量程的喂料量，其缺點(diǎn)是喂料的穩(wěn)定性、計(jì)量精度和適應(yīng)性較差。對(duì)流動(dòng)性較強(qiáng)的粉體物料，很難控制其沖料現(xiàn)象的發(fā)生；而對(duì)于如消石灰類具有吸附空氣中濕氣類的粉體物料，易在螺旋管中形成板結(jié)現(xiàn)象甚至導(dǎo)致設(shè)備無法工作。

1.3 小型化的轉(zhuǎn)子秤

小型化的轉(zhuǎn)子秤，又稱為轉(zhuǎn)子式流量計(jì)。臺(tái)時(shí)喂料量在數(shù)噸以上的常用量程規(guī)模的粉體轉(zhuǎn)子給料機(jī)在國內(nèi)外可以找到很多產(chǎn)品。利用其原理將設(shè)備小型化或微型化，以滿足微量粉體過程計(jì)量和控制的要求。

1.3.1 環(huán)狀天平類轉(zhuǎn)子秤

環(huán)狀天平類轉(zhuǎn)子秤的計(jì)重是利用杠桿原理，測(cè)量動(dòng)態(tài)過程中轉(zhuǎn)子內(nèi)粉體物料的重量，并根據(jù)測(cè)量的轉(zhuǎn)子的角速度來確定粉體喂料的流量。通過控制轉(zhuǎn)子的角速度可以控制轉(zhuǎn)子實(shí)際的輸出流量。小型化環(huán)狀天平類轉(zhuǎn)子秤作為微量粉體計(jì)量與控制設(shè)備，從理論上說是完全可行的，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，特別是粉體量程和容重都很小且粉體帶有附著性時(shí)，被測(cè)粉體物料的實(shí)際測(cè)量精度和卸料都需進(jìn)行結(jié)構(gòu)性改動(dòng)，否則易出現(xiàn)測(cè)量精度下降以及出現(xiàn)卸料不完全等現(xiàn)象；而這些結(jié)構(gòu)性的改動(dòng)則會(huì)帶來較大的成本，使得設(shè)備整體應(yīng)用效率下降[4]。

1.3.2 科里奧利轉(zhuǎn)子給料機(jī)

利用科里奧利原理測(cè)量的轉(zhuǎn)子給料機(jī)，是產(chǎn)生一個(gè)角速度非常穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，將粉體物料由旋轉(zhuǎn)場(chǎng)中心受料，并沿著約束的系列導(dǎo)槽將粉體物料沿徑向較均勻地滑動(dòng)到轉(zhuǎn)子的邊緣部，測(cè)量出粉體物料在邊緣部位所受的切向力，通過標(biāo)度變換和計(jì)算可以得到粉體物料的質(zhì)量；同時(shí)測(cè)量出穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的角速度，兩者積分后可以計(jì)算出粉體物料的輸出流量。小型化的科里奧利轉(zhuǎn)子式流量計(jì)進(jìn)行微量粉體計(jì)量與控制時(shí)，從理論上來說比較困難。因?yàn)楸粶y(cè)微量粉體在導(dǎo)槽中的運(yùn)動(dòng)難以同常規(guī)量程下數(shù)量較多的粉體相比，它們的徑向運(yùn)動(dòng)變得難以保證相對(duì)勻速，同時(shí)由于被測(cè)粉體的切向力很小，這就對(duì)測(cè)量用傳感器精度和安裝提出了更高的要求。即便如此，由于微量粉體徑向運(yùn)動(dòng)的不確定性也難以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，同環(huán)狀天平類轉(zhuǎn)子秤一樣，在遇到粉體帶有附著性時(shí)，粉體物料的卸料變得比較困難。

1.4 小型化的沖板(滑槽)類流量計(jì)

臺(tái)時(shí)喂料量在數(shù)百噸常規(guī)量程的粉體計(jì)量，采用沖板(滑槽)類流量計(jì)，是一種比較常見的方法。沖板類流量計(jì)的測(cè)量原理是利用導(dǎo)槽約束粉體料流，通過對(duì)粉體料流在測(cè)量板的沖量進(jìn)行測(cè)量，然后利用標(biāo)度變換和計(jì)算，得出實(shí)際粉體的流量。對(duì)于連續(xù)穩(wěn)定且流量較大的粉體粒子束來說，采用沖板類流量計(jì)對(duì)粉體物料進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通過校正環(huán)節(jié)可以得到一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的流量測(cè)量值。然而對(duì)于微量粉體采用小型化的沖板類流量計(jì)來說，首先難以解決的一個(gè)問題就是如何保證微量粉體料流在測(cè)量板上連續(xù)穩(wěn)定，其次由于微量粉體在測(cè)量板上的沖量值是非常微小的，因此對(duì)測(cè)量傳感器的靈敏度有著非常高的要求[5-7]。

1.5 微波測(cè)量的管道流量計(jì)

借鑒于液體和氣體流量計(jì)采用管道測(cè)量的方式，德國SWR公司研制了稀相微波固體流量計(jì)Solidflow，其在粉體的測(cè)量上有其較為獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，利用傳感器和金屬管道之間電磁場(chǎng)的耦合產(chǎn)生一個(gè)測(cè)量場(chǎng)，然后利用測(cè)量場(chǎng)被固體顆粒反射回來的微波能量的頻率和振幅來確定單位時(shí)間內(nèi)通過管道的粉體顆粒的多少。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，但是價(jià)格定位較高，實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合并不多見。

綜上所述，僅將各種常規(guī)量程的粉體過程計(jì)量和控制裝置小型化來進(jìn)行微量粉體的過程計(jì)量和控制，有著各式各樣缺陷。因此，某研究院研制了一款技術(shù)成熟可靠、喂料穩(wěn)定準(zhǔn)確、通用性強(qiáng)的多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)。

2 多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)的概述

多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)采用微型轉(zhuǎn)子式恒重粉體定量喂料方案，在采用主流控制系統(tǒng)中的懸掛稱重、定控穩(wěn)流、密封技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，在氣力輸送條件下實(shí)現(xiàn)小流量粉體物料的計(jì)量與定量喂料。

2.1 控制系統(tǒng)的組成

多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化的控制系統(tǒng)，主要由機(jī)械、電控兩部分組成，如圖1所示。根據(jù)微量粉體定量喂料的特點(diǎn)，整個(gè)設(shè)備裝置由活化預(yù)給料裝置、微型轉(zhuǎn)子定量喂料裝置和風(fēng)力抽吸輸送裝置等三個(gè)主要環(huán)節(jié)組成。這三個(gè)環(huán)節(jié)保證了物料的活化、定量均勻喂料以及連續(xù)穩(wěn)定輸送能正常進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)微量粉體物料的定量喂料。

圖1 多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)的組成

根據(jù)垃圾焚燒工藝多采用一廠多條生產(chǎn)線的工藝模式，設(shè)計(jì)中采用了“一機(jī)多喂”的多通道系統(tǒng)構(gòu)成，活化預(yù)給料裝置設(shè)計(jì)為一套共用，微型轉(zhuǎn)子定量喂料裝置設(shè)計(jì)為多路，既避免了單機(jī)單喂情況下料倉長(zhǎng)時(shí)間不用造成的物料滯留吸潮結(jié)塊現(xiàn)象，又減少了空間占用、降低了工藝線的倉儲(chǔ)成本?；罨A(yù)給料裝置主要由可控進(jìn)料組件、稱重倉、稱重傳感器、活化喂料機(jī)、支撐框架、隔斷活化倉、負(fù)壓抽吸型微型轉(zhuǎn)子喂料設(shè)備、葉輪氣力輔助噴吹清掃裝置、風(fēng)力抽吸泵、出料噴吹助力裝置、傳動(dòng)裝置、進(jìn)出料接口、驅(qū)動(dòng)軸、輔助框架等組成，如圖2所示。

1-進(jìn)料軟連接；2-活化預(yù)給料稱重倉；3-稱重傳感器；4-隔斷活化倉；5-微型轉(zhuǎn)子喂料機(jī)；6-傳動(dòng)裝置；7-輔助框架圖2 活化預(yù)給料裝置的結(jié)構(gòu)組成

2.2 控制系統(tǒng)的工作原理

多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)的基本原理是利用進(jìn)料裝置進(jìn)行間隔進(jìn)料，控制稱重倉內(nèi)的料壓穩(wěn)定在合適范圍，轉(zhuǎn)動(dòng)喂料機(jī)使稱重倉內(nèi)的粉體物料保持恒定的活化自流性進(jìn)行預(yù)給料，通過調(diào)整微型轉(zhuǎn)子喂料設(shè)備的轉(zhuǎn)速來決定喂料量的大小，實(shí)現(xiàn)連續(xù)定量喂料的目的。

粉體物料經(jīng)進(jìn)料裝置平穩(wěn)進(jìn)入稱重喂料倉，通過活化喂料機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)保持穩(wěn)定的預(yù)給料，根據(jù)需要填充到微型轉(zhuǎn)子喂料設(shè)備的扇區(qū)中，變頻調(diào)速電機(jī)通過減速箱和主軸將動(dòng)力傳至微型轉(zhuǎn)子喂料設(shè)備，帶動(dòng)微型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著微型轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，充有粉體的轉(zhuǎn)子分格扇區(qū)轉(zhuǎn)到出料口處時(shí)，落入風(fēng)力抽吸泵，在輸送空氣的帶動(dòng)下快速地到達(dá)下級(jí)工藝設(shè)備。同時(shí)，根據(jù)采集到的活化稱重倉失重信號(hào)，對(duì)喂料進(jìn)行階段性在線校正。輔助清掃裝置也同步啟動(dòng)工作，對(duì)出料分格扇區(qū)的物料進(jìn)行助力，以保證出料的完全性。微型轉(zhuǎn)子喂料設(shè)備高精度加工的轉(zhuǎn)子和密封板形成封閉空間，采用環(huán)形氣隙以風(fēng)鎖風(fēng)技術(shù)，而非普通的毛氈密封，阻尼小、磨損小，不需要更換毛氈，既解決了喂料過程中的返風(fēng)難題，又極大地減少了設(shè)備后期運(yùn)行過程中的維護(hù)工作量。

2.3 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1)設(shè)備以模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，組態(tài)靈活?？筛鶕?jù)需要搭配成為“一拖一” “一拖二” “一拖三” “一拖四”等多種通道模式。

2)可有效節(jié)省倉儲(chǔ)，特別適合“一廠多線” “一機(jī)多點(diǎn)”等模式。

3)各個(gè)定量喂料設(shè)備可獨(dú)立工作互不干擾。

4)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線標(biāo)定，有較高的定量喂料精度。

5)獨(dú)特的氣力輸送設(shè)計(jì)使設(shè)備具有良好的鎖風(fēng)性能。

3 多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)在垃圾焚燒發(fā)電生產(chǎn)中的應(yīng)用

目前，多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)已經(jīng)在城市垃圾焚燒處理發(fā)電廠得到廣泛應(yīng)用，且應(yīng)用效果良好，得到了用戶的肯定，高精度、高穩(wěn)定喂料為企業(yè)節(jié)省了能源，給社會(huì)帶來效益。

3.1 垃圾焚燒尾氣處理

垃圾焚燒排出的污染氣體是制約其行業(yè)發(fā)展最大的不利因素，為此需要改善排出氣體的品質(zhì)，以減少對(duì)周圍空氣環(huán)境的污染，這是垃圾焚燒處理廠的一項(xiàng)不可推卸的責(zé)任。目前的尾氣處理工藝是通過活性炭等添加劑來改善尾氣的品質(zhì)和周圍的環(huán)境，因此添加量的穩(wěn)定是尾氣能否長(zhǎng)期可靠達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)。尾氣凈化達(dá)標(biāo)處理是垃圾焚燒處理廠得以推廣和實(shí)施的前提。

3.2 生活垃圾焚燒設(shè)施中大氣污染物排放限值

在多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，用戶主要考察其計(jì)量穩(wěn)定性。如垃圾焚燒發(fā)電尾氣處理中添加劑的定量喂料，生產(chǎn)工藝要求除定量喂料穩(wěn)定外，用戶還需要注意爐尾廢氣成分的在線檢測(cè)，特別是二噁英和硫化物的含量，其指標(biāo)是否長(zhǎng)期優(yōu)于國家環(huán)保排放要求。自2016年7月1日起，現(xiàn)有生活垃圾焚燒設(shè)施執(zhí)行表1規(guī)定的大氣污染物排放限值[8]。

表1 現(xiàn)有生活垃圾焚燒設(shè)施大氣污染物排放極限值

3.3 應(yīng)用效果

多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)裝置應(yīng)用在某再生能源公司的垃圾焚燒發(fā)電生產(chǎn)線上(圖3)，用于爐尾廢氣處理系統(tǒng)添加劑(消石灰和活性炭混合物)的定量喂料，即通過活性炭等添加劑來改善尾氣的品質(zhì)。某再生能源公司監(jiān)測(cè)了2019年9月某日的污染物排放指標(biāo)，包括爐尾廢氣成分在線檢測(cè)數(shù)據(jù)、二噁英含量、常規(guī)因子，見表2。與表1的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，可以看出，某再生能源公司的垃圾焚燒發(fā)電生產(chǎn)線上污染物排放指標(biāo)明顯優(yōu)于國家環(huán)保排放要求。

圖3 多通道微量粉體定量喂料裝置在垃圾焚燒發(fā)電生產(chǎn)線上的應(yīng)用

表2 某再生能源公司的垃圾焚燒發(fā)電生產(chǎn)線上的某日污染物排放指標(biāo)

4 結(jié)束語

多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)投入使用以來，受到廣大用戶的一致好評(píng)。在垃圾焚燒發(fā)電尾氣處理添加劑的定量喂料應(yīng)用中，效果良好、料量穩(wěn)定、料流連續(xù)、計(jì)量準(zhǔn)確。系統(tǒng)特有的活化預(yù)給料裝置、微型轉(zhuǎn)子定量喂料裝置和風(fēng)力抽吸輸送裝置的完美結(jié)合，徹底解決了小流量粉體喂料的粘結(jié)、滯留、堵卡、計(jì)量不準(zhǔn)確等難題，滿足了生產(chǎn)的要求。系統(tǒng)獨(dú)特的“一機(jī)多喂”的多通道工藝設(shè)計(jì)，更為用戶極大地降低了投入成本。自多通道微量粉體定量喂料控制系統(tǒng)裝置研發(fā)成功，并在市場(chǎng)廣泛投運(yùn)后，極大地推動(dòng)了相關(guān)行業(yè)微量粉體定量喂料技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。