采用合成液體冷卻的回轉窯高溫氣體采樣系統

王強，緱冬青

采用合成液體冷卻的回轉窯高溫氣體采樣系統

Synthetic Liquid-cooled Rotary Killnn High Temperature Gas Sampling Systemm

王強，緱冬青

1 引言

目前，越來越多的水泥企業認識到，對水泥回轉窯窯尾煙室氣體的精確分析是保證高效率的水泥生產、自動窯爐控制和對環境的可靠保護所必不可少的。因為水泥回轉窯內的煅燒情況直接關系到水泥熟料的產量、質量、燃料的消耗和綜合成本。一方面，窯尾煙室氣體分析儀的合理使用，可以幫助中控操作人員實時了解窯內的煅燒狀況和燃煤的完全燃燒狀況，指導操作人員及時采取相應措施，優化水泥回轉窯的操作工藝，使水泥熟料的質量更加穩定；另一方面，窯尾煙室氣體分析系統還有利于中控操作人員對整個煅燒過程信息做出整體的了解和綜合判斷，從而指導下一步的具體操作，優化燃燒工藝，使能源消耗最小化。

但由于窯爐溫度高達1400℃，窯爐氣體的粉塵濃度高達2000g/m3，且含有強堿性、硫和氯化物等物質，因而常規氣體分析設備不太適用，且維護量大。比如，傳統的水冷采樣系統存在很多嚴重的缺陷:

（1）由于操作溫度低，而被測氣體中的很高酸堿濃度，將產生冷凝，腐蝕采樣系統。

（2）易沉積水垢使管道堵塞。

（3）高昂的維護成本和低的可靠性。

同時，由于1000℃高溫下，水泥熟料的粘性很大，很容易在探頭上形成殼狀物，造成額外的機械應力，損傷探頭。

2 FLK高溫氣體采樣系統的特點

較之傳統的水冷采樣系統，FLK高溫氣體采樣系統具有下列特點：

（1）FLK采樣探頭采用高沸點的有機合成液作為冷媒，準確地把樣品氣的溫度控制在200℃左右（可高達230℃），這個溫度超過了煙氣和酸氣的露點溫度（通常在160～170℃），因此該溫度下水氣和酸氣不會產生凝結，也就不造成腐蝕。

（2）FLK采樣系統采用一種特殊的合成液體作為冷卻導體，可有效避免水垢沉積，從而避免管路堵塞。

（3）FLK采樣系統可以定期自動伸縮探頭，并在探頭伸縮的同時用儀表風進行吹掃，可有效地減少沉積物的產生。

3 系統構成（見圖1）

（1）液冷式取樣探頭

取樣探頭能將溫度高達1400℃、腐蝕性強、粉塵含量高的氣體從回轉窯爐或分解爐內連續自動抽出，探頭由進氣室、帶致冷劑回流管的冷卻管、進氣管、固定法蘭等組成。取樣孔在側面，只有粉塵含量較低的氣體能夠進入探頭；冷卻管由特種合金鋼材制成，這種鋼材既耐高溫又抗大的垂直彎曲；致冷劑是一種專門研制的合成傳熱液，具有環保、沸點很高且吸熱能力強、無石灰質沉積物、不會腐蝕冷卻管等特點。

（2）探頭自動收縮單元

采用自動伸縮式采樣探頭，定期（可在1.0～72h區間內設定）將探頭自動快速地從窯中縮回，探頭伸縮時對粉塵沉積物進行自清理。探頭插入窯爐或從窯爐抽回約需90s。插入或抽回過程可用安裝在伸縮裝置上的開關手動控制，也可由中央控制室或PLC控制。同時，自動收縮單元配備了冗余式驅動裝置，在正常工作狀態，電動馬達負責探頭的自動伸縮。但在系統斷電的狀態下，氣動馬達負責將探頭從窯爐中抽取出，保護探頭及生產裝置。

（3）除塵過濾器

除塵過濾器凈化抽取的氣體粉塵混合物。采用電加熱設計和免維護型燒結金屬過濾器，過濾室內集成的加熱元件在裝過熱保險絲的溫度自動調節器的控制下，將過濾器內部溫度調節到探頭的工作溫度，這就有效地防止了過濾孔被污泥和渣殼堵塞。

系統采用PLC可編程控制器，根據窯爐條件調節清洗過濾器粉塵沉積物的周期。周期1壓縮空氣將過濾空的粉塵顆粒吹掉，周期2把全部粉塵吹回窯爐。與此同時，進氣管、進氣室及其進氣孔的粉塵也得到了清除。無手動清洗的免維護工作周期通常大于3個月。

（4）壓縮空氣閥組合——吹掃單元

壓縮空氣閥組合與PLC一起執行系統的吹洗程序。一旦抽氣管或除塵過濾器堵塞，送氣泵產生負壓，被測氣體管線中的低限壓力開關就產生信號，啟動壓縮空氣吹洗程序。如果發生堵塞，可調節負壓開關，以使清洗過程的啟動適合于堵塞程度。

（5）熱交換器組件

系統的冷卻功能是由環保型合成傳熱液來實現的，冷卻回路的致冷劑采用無壓密封，不會有損耗。熱交換器是由鋼制管板和螺旋加肋管構成的氣液冷卻器，通過軸流風機，將空氣吹入換熱器中，進行傳熱液與空氣的熱交換。風機將通過安裝在傳熱液管線中的溫度開關來控制，以期達到最佳的致冷效果。即使環境溫度很高或冷卻器表面有粉塵污垢，冷卻器的致冷能力也能滿足需求。因此，冷卻器可在室內，也可在室外使用。同時熱交換單元還配備了多功能的監控設備。

（6）PLC和監控單元

小型PLC執行所有的控制和監控工作，控制單元的主要功能有：

·檢查氣體取樣系統的工作狀況及其安全性；

·監控除塵過濾器和熱交換器的溫度；

·達到工作溫度或一個清洗周期后，啟動氣樣分析，并顯示其工作狀態。

如果系統需要進行徹底的清洗，PLC將先后啟動兩個清洗程序。清洗的重復周期可用時間來設定，也可根據積塵程度或狀態信號（如系統啟動、正常運行等）來啟動清洗程序。一個清洗周期后，PLC檢查流程是否為負壓，如果為負壓，則啟動新的清洗周期，否則就啟動分析過程。如果自動清洗無法進行，PLC就發出手動清洗的請求。

為了盡可能保證系統安全運行，PLC不斷監測系統的運行和報警信息，如果發生下列故障，就自動控制探頭從窯爐抽回：

·熱交換器和除塵過濾器斷電；

·致冷劑回路有故障，如致冷劑不流動或泄漏；

·風扇不轉。

PLC還會將已觸發的報警信號送中央控制系統，操作人員可按時間順序查看這些信息。報警信息有：

·保護馬達的斷路器跳閘；

·探頭插入或抽回的時間監測；

·致冷劑液位太低；

·致冷劑溫度過高；

·取樣系統堵塞。

PLC除了具有以上控制和監測功能外，還能啟動分析設備的自動校準。通過數據總線，PLC可接到中央控制系統。

（7）分析單元

分析單元由電伴熱式的樣氣輸送管纜、樣氣預處理單元、標準氣和分析儀表等組成，其中預處理單元和分析儀表安裝在一個機柜內，系統流程圖參見圖2。

樣氣預處理單元的功能是完成樣氣的凈化、除塵、除濕，并將符合分析儀器要求的超凈、恒溫、流量穩定的樣氣，源源不斷送入分析儀器，從而確保分析儀器的分析準確性和長期可靠性。主要包括：

·采樣泵：樣品氣通過采樣泵抽取進入樣品預處理系統，處理后進入分析儀進行測量。

·過濾系統：樣氣進入樣品預處理系統后，還要經過另外兩級的過濾。前級過濾將對樣品進行二級過濾，實現對樣品的凈化；精細過濾是樣品氣進入分析儀之前的最后一次過濾，精密過濾器的過濾精度可達到2μm左右，是保證分析儀正常運行的關鍵部件之一。

·冷卻除濕：采用冷卻除濕器除去樣品氣中的水分，冷凝液由蠕動泵排除，從而保證分析儀的正常運行。

·流量調節：保證儀器的進樣流量大于2L/min，并調整好快速回流與進樣流量的比例。

分析儀采用西門子的ULTRA?MAT23多組分紅外氣體分析器。它具有自動標定、智能化操作等特點。它特有的單通道設計，通過紅外吸收原理測量CO、CO2、NO、SO2、CH4等氣體組分。它可同時測量多達3個的紅外氣體組分，同時還可另加氧含量測量。用空氣自動校準，該特點可以極大地降低標氣的使用費用，每年只需1～2次使用標氣校準，平時使用空氣就可以完成校準，這個功能已經過TUV認證。

4 系統完成的功能

窯尾煙室氣體分析儀是通過在線連續提取、處理和分析窯尾煙室中的O2、CO和NO的百分含量或PPM含量，來實時監測水泥回轉窯內的煅燒狀況，主要完成以下功能：

（1）穩定和提高產品的質量；（2）優化燃燒過程，節約能源；（3）及早發現異常情況避免停工檢修；

（4）通過對燃燒過程的監測，減少排放物對環境的影響，嚴格遵守法律法規。

如果窯內煅燒溫度過高或熱工振蕩過大，不僅會大量消耗燃煤，甚至還會損害窯襯；如果煅燒溫度過低，會造成熟料的夾生料，嚴重影響水泥熟料的質量。

測量組分主要有以下4種：

CO：0%～3%，O2:0%～10%，參見煅燒過程能量效率曲線圖3。

氧氣和一氧化碳值的變化反映燃燒不足或燃料浪費，實時調節窯頭的噴煤量和送風量，以便使燃煤完全燃燒，獲得最大限度的熱效率，節省能源消耗。

NO：0～2000ppm，參見煅燒過程NOx含量與溫度曲線圖4。

氧化氮值的變化反映燒成帶的熱力狀況，用于監控窯內溫度。熟料質量主要取決于燒成帶狀況穩定于否。燒成帶的溫度至關重要，連續、快速指示溫度趨勢（并非準確值），從而及時修正以免窯溫失控，合理調節窯頭噴煤量的大小，以防止窯內熱工異常。

SO2：0%～1%，檢測硫化物，實現對排放量的控制。

5 項目運行

至今，已有近200套FLK系統成功地應用于全球各地的水泥窯尾煙室和分解爐出口，尤其在較寒冷的地區，比水冷卻采樣系統更顯其優勢。通過對水泥窯尾氣體成分準確的實時監測，為優化燃燒工藝、提高水泥熟料的質量提供了準確的依據。作為實現節能環保的必要監測手段，FLK系統必將在國內外的水泥市場上大顯身手。

國內的成功案例包括拉法基在云南、四川等地的多條水泥生產線、中聯水泥、華潤水泥、陜西秦嶺水泥、山西金圓水泥、唐山燕東水泥等；國外的成功案例有巴西、南非、俄羅斯、白俄羅斯等，涵蓋拉丁美洲、非洲、西亞、東南亞、東歐等多個國家和地區。

以唐山燕東水泥5000t/d的熟料生產線為例，自2010年初投產以來，FLK高溫氣體采樣系統已經連續運行兩年，工作正常，狀態穩定，效果良好。平常的維護只有每日或每周定期的巡視，觀察設備運行參數是否一切正常，不需要進行任何大修。FLK采樣探頭的使用周期一般為5年，如果維護得當，使用壽命還會更長。在云南拉法基最早的FLK系統已正常運行近5年，從來沒有出現過大的故障。實踐證明了FLK高溫氣體取樣系統的先進性和可靠性。

[1]馬保國.新型干法水泥生產工藝[M].化學工業出版社,1996(5).

[2]西門子工業自動化有限公司[M].氣體分析儀操作手冊,2006(5).

[3]王君偉.水泥生產問答[G].化學工業出版社,2010(8).

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呂 光