通道式元素在线分析仪及应用方法与流程

1.本发明涉及一种对水泥生产过程中的固体散装物料元素含量进行在线检测及质量控制的通道式分析仪及应用方法。


背景技术：

2.水泥生产工艺中，各工艺环节元素含量是严格控制的技术指标，生料生产过程中原材料中的各元素含量变化过大，直接影响各原料的配比变化，影响水泥生料的质量稳定；生料中各元素的含量变化大，导致三率值合格率低，标准偏差大，将导致窑的操作困难以及产量降低，游离钙稳定性差，熟料质量下降。水泥中各元素含量变化过大，将影响水泥的强度、凝结时间以及易磨性。为提高水泥生产各环节产品质量，就需要对原材料、水泥生料、熟料、成品水泥等进行元素含量检测及质量控制，降低能耗，提高产品质量。
3.传统的元素含量测量方法是，专门的取样人员对各个工艺环节上的物料进行样品采集，将采集到的物料样品制备成测量所需要的分析样品，然后再通过化验室荧光分析或者手工化学分析的方式进行化验，最终获得物料元素含量，用作生产指导和生产考核。传统的化验方法，人员的劳动强度大、时间滞后，结果代表性不强，不能很好的指导现场生产。
4.中子活化分析技术是目前世界公认的效果最好的的大宗物料元素在线分析技术，应用此原理的跨皮带式元素在线分析仪投入市场已有20余年，中国、美国的几家专业公司的跨皮带式元素在线分析仪已在水泥、煤炭、冶金、矿山领域广泛应用。
5.水泥加工生产中物料的输运方式多样化，块状物料多采用皮带输运；粉状物料多采用空气斜槽、溜槽通道、斗式提升机等方式输运。对于皮带输运的物料可以采用跨皮带式元素在线分析仪进行检测，对于非皮带输运且需要进行元素含量控制的工艺环节，尚无有效的在线检测手段。
6.在水泥成品配料工艺环节，需要对熟料、石膏、粉煤灰、矿渣、石灰石等原料进行计量按比例搭配，其中so
3、
cao、mgo、cl含量是严格控制的质量指标。通常熟料、石膏、石灰石、粗粉煤灰通过皮带入磨，而细粉煤灰、矿渣粉直接通过溜槽加入水泥磨或直接与出磨水泥混合而不通过皮带。在此工艺中，需要对最终成品水泥进行元素检测及前端配比调整，基于此种工艺采用通道式分析仪安装于水泥磨后通道进行自动配料调整可以有效提升水泥产品质量，提升产品竞争力。
7.通常的一台在线检测设备只能实现单一物料检测，分析仪价格昂贵。在综合性水泥生产工厂，具有多条水泥生产线，需要对原材料、水泥生料、熟料、成品水泥等进行元素含量检测，采用一台分析仪实现多通道物料元素同时检测及控制，可节省投资成本。同时可提升中子源的利用效率，降低辐射对周围环境影响。
8.水泥生产过程中元素的实时检测及质量控制具有重要意义，目前尚无一种适应上述生产工艺条件下的通道式元素在线分析仪。


技术实现要素：

9.本发明根据水泥生产工艺特点、质量控制要求、现有检测手段及控制方式的缺陷，提供一种应用范围广、分析速度快、测量精度高、质量控制效果显著的通道式元素在线分析仪及应用方法。
10.解决上述技术问题所采用的技术方案是: 结合现场生产工艺采用通道式元素在线分析仪进行元素检测及质量控制。
11.分析仪特征是：一种用于元素在线检测的通道式分析仪，对于生产中大宗物料的在线元素检测，采用中子活化分析技术是最有效的；分析仪具有符合及中子活化技术检测要求的一个或多个测量通道，可实现对多物料的同时检测；为避免通道间γ射线的相互干扰，多通道间设计有低截面重金属屏蔽体；多个物料测量通道共用中子激发源；中子源具有朝向多个测量通道一致的中子场；探测器通过屏蔽、准直设计只接受来自本测量通道的射线；分析仪通道内壁或通道腔内可以植入特殊的材料，利用特殊材料与中子产生的特定能量信号对通道内中子场进行校正；分析仪配备的密度、水分检测单元。
12.应用方法特征是：分析仪可直接安装于现场生产物料输运通道上或者对原有通道进行适当改造后的通道上；分析仪也可以结合取样、回料装置进行安装。可以是所取得的物料样品进入分析仪通道，也可以是取样装置连同所取得的物料一同进入分析仪通道；物料流经分析仪测量通道进行元素检测，分析仪每分钟一次检测结果，并将数据实时上传至质量控制系统，系统自动进行质量控制调整；分析后的物料经过卸料阀排出测量通道，回到生产线上；取样及卸料由plc进行自动控制；具备一套留样取样装置，用于动态测量过程中样品的化验室化验，进行仪器标定校准。
13.所述的通道式元素在线分析仪中，分析仪测量原理采用中子活化分析技术；分析仪测量通道横截面可以是圆形、方形或者任意形状通道，通道长度方向可以是竖直的、任意角度倾斜的或者弯曲的；分析仪具有符合生产工艺中一中或多种物料同时检测要求及中子活化技术检测要求的一个或多个测量通道；为避免通道间物料特征γ射线的相互干扰，通道布局进行合理设计，同时通道间设计有低截面重金属屏蔽体；多个物料测量通道共用同一中子激发源，提高中子源的利用效率；通过中子源与测量通道结构布局设计，使中子源具有朝向多个测量通道一致的中子场，使各通道具有一致的检测能力；探测器屏蔽体通过屏蔽、准直设计只接受来自本测量通道的射线；分析仪通道内壁或通道腔内可以植入特殊的材料，利用特殊材料与中子产生的特定能量信号对通道内受影响的中子场进行校正；物料密度、水分变化均会造成测量数据的偏差或波动，密度计、水分检测单元位于测量通道的上部，分析仪配备的密度计为γ射线密度计，密度计用于对检测数据的舍弃判断及修正；配备的水分检测单元，用于物料水分检测及数据修正。
14.在具体应用方法中，分析仪主要检测物料为固体散装物料；分析仪可直接安装于现场生产物料输运通道上或者对原有通道进行适当改造后的通道上；分析仪也可以结合取样、回料装置进行测量。可以是所取得的物料样品进入分析仪通道，也可以是取样装置连同所取得的物料一同进入分析仪通道；物料经通道进入分析仪，进料通道上应安装1个或多个料位开关，可以为阻旋式料位开关、电容式料位开关、膜片式料位开关等，plc控制程序根据
料位情况对卸料阀进行自动控制，物料到达下料位时，程序自动降低卸料阀电机频率，减小卸料量，当物料到达上料位时，提高卸料阀电机频率，增大卸料量，从而对测量通道内物料量进行控制，保证连续测量的要求；卸料阀可以是分格轮下料阀、螺旋出料器、闸板阀中的一种，卸料阀具有与进料量匹配的卸料能力，由plc进行自动控制， 小时卸料量≤小时进料量；配备一套连续留样取样装置，用于样品的化验室化验，对分析仪进行动态标定及后期应用过程中的定期校准；分析仪配套元素分析程序、质量控制程序，结合取样器使用时配套取样、卸料控制程序，并与现场dcs进行数据交互。
15.在具体应用方法中，当分析仪安装在取样后的物料输运通道时，一套或多套取样器直接在生产工艺中取样，取样器具有满足物料工艺特点的连续取样能力，满足中子活化大宗物料分析技术特点，每小时取样量3000kg-50000kg ，保证分析物料的代表性； 取样器可以是竖直溜槽伸缩式取样器、螺旋取样器、空气斜槽取样器、皮带取样器中的一种，取样器每小时采集的物料量根据测量要求及现场生产量而选型；取样器工作通过plc自动程序控制，取样量根据生产产量进行自动调整，生产产量可以通过读取现场给料机、皮带秤、提升机电流、流量计等数据获取，取样量与生产产量成正比关系，由已知的生产产量自动计算取样量控制取样频次。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是扩展了水泥元素在线分析技术应用工艺点，通过适当改造可对溜槽管道、空气斜槽、皮带等输运的物料元素均可实现在线检测。同时多通道设计可以对水泥生产中多个工艺点、多种物料、多条生产线实现同时检测。使水泥生产实现元素在线检测以及质量自动控制，稳定产品质量。
附图说明
17.图1是本发明实例提供的一种通道式元素在线分析仪的结构示意图；图1中：1.测量装置，2.信号处理柜、3.主机、4.探测器、5.中子源、6.测量通道、7.密度计、8.探测器屏蔽体、9.防护体、10.源室、11.通道屏蔽体、12.水分仪。
18.图2是本发明实例提供的一种通道式元素在线分析仪水泥生产现场应用方法示意图；图2中：21.斗式提升机、22.提升机溜槽、23.取样器、24.取样通道、25.料位开关、26.通道式元素分析仪、27.分格轮卸料阀、28.留样取样器、29.回料通道。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.如图1所示，本发明实施例提供一种通道式元素在线分析仪，其结构为以中子源为中心，左右对称的双通道设计。组成包括：测量装置（1）、信号处理柜（2）、主机（3）、探测器（4）、中子源（5）、测量通道（6）、密度计（7）、探测器屏蔽体（8）、防护体（9）、源室（10）、通道屏蔽体（11）、水分仪（12）。
21.本实例中分析仪采用双通道设计，透射式测量方式，中子源（5）位于两个测量通道（6）的中间，两个测量通道（6）共用同一中子源（5）。每个测量通道配备一台用于接受特征γ射线的探测器（4）,探测器外部具有探测器屏蔽体（8）用于屏蔽来自其他通道物料产生的特征γ射线，并对本测量通道的特征γ射线进行准直。通过中子源（5）位置及测量通道（6）布局设计，使中子源（5）具有朝向两个测量通道一致的中子场，使两个通道具有一致的测量效果。为减少两个测量通道（6）之间特征γ射线的相互干扰，采用高原子序数、低截面通道屏蔽体（11）对两个通道的间的0mev-10mevγ射线进行屏蔽。为消除两个测量通道（6）之间物料量或物料种类变化造成的通道内中子场变化，测量通道（6）内壁或通道腔内可以植入特殊的材料，利用特殊材料与中子产生的特定能量信号对通道内受影响的中子场进行校正。
22.中子源（5）采用自发裂变的cf-252同位素中子源，可持续稳定的输出中子，中子经源室（10）后，进入测量通道（6）与通道内物料各原子核发生热中子俘获反应，物料中元素原子核俘获中子后放出的特征γ射线被探测器（4）接收，探测器（4）将模拟信号传输给信号处理单元（2），信号处理单元（2）将模拟信号转化为数字能谱信号，上传到主机（3）解析，主机（3）安装有检测软件，通过能谱分析方法，每分钟得出物料中的元素种类及含量。密度计（7）与水分仪（12）实时数据用于对检测元素含量进行修正。各元素含量反馈给质量控制软件，控制软件实时进行配比计算及自动调整各原料给料机流量，实现产品质量的稳定控制。
23.源室（10）由石墨及高原子序数金属复合材料组成，石墨用于对快中子进行能量转化，高原子序数金属用于阻挡中子源自身γ射线。
24.测量通道（6）采用含碳为主的的聚四氟乙烯，可减少通道材料本身与中子反应产生的γ本底干扰；聚四氟乙烯摩擦系数极低，保证通道的耐磨性及物料通过性；工作温度可达250℃，适应高温物料的检测。
25.防护体（9）用于对中子和γ射线进行屏蔽，保证装置周围的剂量达到允许水平，防护体由含硼聚乙烯及高原子序数的金属组成。
26.探测器屏蔽体（8）采用高原子序数、低截面金属材料用于屏蔽其他通道γ射线进入探测器（4），使探测器（4）接收到的来自自身测量通道（6）物料的特征γ射线更纯净。
27.信号处理柜（2）内含有支持探测器工作的相关单元模块，包括高压电源、温控器、低压电源、数字多道、通讯模块。信号处理柜与探测器通过专用混装电缆连接，信号处理柜与主机通过光纤连接。信号处理柜（2）安装于距离分析仪20米内，主机（3）安装于控制室。
28.密度计（7）、水分仪（12）位于测量通道（6）上部，其测量数据用于对分析仪元素测量数据进行修正，密度计（7）也可用于测量通道（6）内的料位判断，当通道内物料过少时对元素测量数据作舍弃判断。
29.如图2所示，本发明实例提供的通道式元素在线分析仪水泥生产现场应用方法示意图，本实例示意图分析仪安装于水泥磨后工艺点，对单个测量通道分析仪应用方法进行说明，多通道应用按此方法分别接入生产线。
30.图中，斗式提升机（21）、提升机溜槽（22）、取样器（23）、取样通道（24）、料位开关（25）、通道式元素分析仪（26）、分格轮卸料阀（27）、留样取样器（28）、回料通道（29）。
31.本应用方法实例针对水泥成品检测及配料应用，水泥粉磨后经斗式提升机（21）提升至水泥库顶，在物料出提升机溜槽（22）处安装取样器（23）。取样后的物料经取样通道（24）进入分析仪（26）测量通道，在取样通道（24）上安装有两个料位开关（25），测量后的物
料经由分格轮卸料阀（27）排出分析仪，经回料通道（29）返回到生产工艺中，留样取样器（28）用于对分格轮卸料阀（27）排出的物料进行取样。
32.取样器（23）采用竖直溜槽伸缩式取样器，其采样通过电磁阀控制气缸工作完成，电磁阀的开关由plc程序根据取样量要求以及生产产量进行自动控制，小时取样量是单次取样量与取样频率的乘积。生产产量可读取自生产工艺中给料机流量或提升机（21）电流信号，建立取样频率与产量的线性关系式。
33.分格轮卸料阀（27）安装于卸料口，用于对卸料量进行控制，分格轮卸料阀（27）腔体体积与密度的乘积为旋转一周的卸料量，转速由变频器进行控制，小时卸料量是单转卸料量与分格轮转速的乘积。根据分析仪（26）检测要求，物料需要始终充满通道，需要卸料量始终≤取样量，在取样量被计算确认后，建立分格轮卸料阀（27）转速与取样量的关系式。由plc进行自动控制。
34.在料流不稳定等特殊情况下，需要用料位开关（25）对实际物料量进行监测，本实例中采用两个机械阻旋式料位开关（25）， plc控制程序根据料位情况对卸料阀进行自动控制，物料到达下料位时，程序自动降低卸料阀电机频率，减小卸料量，当物料到达上料位时，提高卸料阀电机频率，增大卸料量，从而对测量通道内物料量进行控制，保证连续测量的要求。
35.取样器（23）、分格轮卸料阀（27）的给定信号、反馈信号，料位开关（25）的开关量信号均接入plc控制系统，实现整个检测料流的自动控制。
36.留样取样器（28）用于对分格轮卸料阀（27）排出的物料进行取样，用于化验室化验，可以定期通过取样化验数据对分析仪（26）进行校准。