水泥窯煙氣測量、分析和控制

水泥窯煙氣測量、分析和控制

水泥熟料煅燒和生料粉磨系統生產過程中窯尾、預熱器系統頂部和煙囪出口部位排出的煙氣成分和濃度分析與生產控制和環保排放限值直接有關。上述部位設置的氣體分析儀對煙氣所進行的測試任務主要為：

·優化窯的操作，保持窯內熱工制度穩定。提高熟料質量，減少能源消耗和費用。

·控制煙氣中CO含量和溫度，防止產生電收塵、煤粉制備系統煤粉的爆炸事故。

·對燒成生料粉磨系統排放的煙氣成分和數量進行監測，避免煙氣中NOX、SO2、TOC（有機碳）等對大氣有害的氣體超標排放。

生產系統煙氣排放和測試位置見圖1。

1 工藝過程測量

水泥熟料煅燒過程中，燒成帶部位的燃料完全燃燒對生產起著關鍵的作用。燃料完全燃燒，燒成帶溫度穩定，有利于熟料質量穩定。若燃燒不穩定，煙氣呈現還原氣氛，易使CO濃度過高，造成電收塵爆炸事故。還原氣氛還易造成熱料中的硫酸鹽分解，產生的SO2隨煙氣后逸在窯尾進口部位與堿性氧化物作用，生成熔融溫度低的硫酸鹽和入窯熱料一起粘結在高溫的耐火磚表面，形成結皮、結圈，對煙氣和熱料流動產生阻力，影響窯氣流動，減少入窯空氣量，更易使燃料產生不完全燃燒，從而影響熟料質量。此過程中，燒成帶正處于高溫部位，無法對窯料溫度和煙氣成分及其濃度進行測定，只能在窯尾進口部位對O2、CO、NOx的濃度進行測量，以反映燒成帶的燃料燃燒狀況。

熟料煅燒過程中，燃料因工藝狀況變化和其性能不穩定，燃燒所產生的煙氣中的O2和CO是動態變化的，煙氣中所測得的O2和CO含量反映出燃料是否完全燃燒的狀況。

窯內燒成帶溫度大致為1 400℃時，生成NOX。當燒成帶內溫度增高時，燃燒產生的NOX數量增加，若溫度下降，則NOX生成量降低。也就是說，燒成帶內熟料煅燒溫度的變化必然改變所產生的煙氣中NOX的濃度，二者之間有關聯。在窯尾測試煙氣中NOX濃度，也就反映出燒成帶的溫度。只要做好窯尾煙氣中NOX含量的檢測，就可確定燒成帶內熟料和煙氣的溫度。

2 安全測量

窯和分解爐內燃料燃燒時，因工況條件頻繁變化，所產生的CO含量是變化的。當煙氣中CO峰值超過爆炸所需的數值時，電收塵和煤粉系統將會出現爆炸。通過測量，掌握煙氣中CO的含量，及時改變燃燒器的燃燒狀況，減少CO的排放量，或采取措施適當向大氣排放，避免裝備產生燃爆事故。

3 排放測試

熟料煅燒過程中，需要進行煙氣中有關成分及其濃度測試的有（見圖1）：

窯尾：NOXO2CO

圖1 水泥窯、磨系統主要煙氣測試位置

預熱器出口：COO2

煙囪出口：CONOXSO2TOCO2

4 窯氣取樣

窯氣取樣主要有三個部位，即窯尾進料室、預熱器系統出口煙道、煙囪出口。最具挑戰的是窯尾進料室窯氣取樣所在的工況，即煙氣峰值溫度高達1 300℃以上，粉塵濃度高達500g/m3。此外，入窯物料在進料室內耐火磚墻結皮，以及頂部掉下的大塊熱料均會對取樣器帶來損壞。

長期以來，窯尾煙氣取樣因受上述工況影響，很難做到長期穩定取樣。測量窯尾煙氣成分的關鍵是取樣裝置，往往取樣裝置使用一段時間就損壞，被迫停止作用。國外某公司通過長期實踐，開發了SCK窯尾煙氣取樣分析裝置。

SCK窯氣取樣裝置由窯氣取樣器牽引裝置、控制單元和冷卻單元三部分組成（圖2）。

圖2 SCK窯氣取樣系統裝置

4.1 窯氣取樣器牽引裝置（圖2上）

窯氣取樣器牽引裝置與窯頭燃燒器結構相近。頂部懸梁一側焊在窯尾進料室后墻上，另一側懸吊在頂梁上。窯氣取樣器、電動機、鏈傳動等均倒裝在雙懸梁結構上，取樣器通過電機、鏈傳動可向前運行伸入窯尾進料室并伸入窯內，也可向后退出。窯尾進料室背面有一閥板，取樣前開啟，取樣器伸入（圖3），取樣后退出，閥板關閉，以避免高溫含塵煙氣外逸，造成環境污染和人體損傷。在不取樣時取樣器退出至進料室外，防止高溫含塵煙氣以及煙室上側結皮結塊下落對取樣器造成熱、化學、機械損壞，還可對取樣器進行檢查和維護。

圖3 窯氣取樣器伸入窯尾進料室

取樣器抽取高溫含塵煙氣必需進行水冷卻，以避免取樣器因溫度過高受熱損壞。

由于各窯的工況不一，窯尾進料室的結皮及煙氣含塵量差別較大。為此設計了兩種窯氣取樣器，一種為H型，可破碎結在耐火磚表面結皮的窯氣取樣器（圖4）。氣動活塞焊在過濾器頂部，當取樣器進入進料煙室，機械破碎結皮硬殼，從而做到連續測量。另一種為60S型，用于不結塊的進料室。60S型具有較強的除塵能力，減少了進入取樣器的粉塵數量，可保持取樣正常運行。

圖4 水冷卻窯氣取樣器

4.2 SCK控制單元

SCK控制單元由一個工業控制器和一個菜單驅動的觸摸屏組成。控制器處理取得的煙氣后，送至連續分析儀進行測試，該控制器由菜單驅動，易于調試和安排清理，能按客戶需求進行定期取樣。

當取樣器出現故障，系統還可遠程診斷，有利于現場維護和維修。

4.3 冷卻單元

取樣器冷卻水系統使用閉路水循環，以達到安全和環保冷卻。模擬傳感器連續監測水流溫度和水壓，以保持取樣器穩定操作。

5 連續煙氣分析儀

系統配置技術先進、廣泛用于各種工業生產所需的Optima煙氣分析儀，在水泥廠的高溫高塵煙氣中應用證實可靠穩定。該儀器是一個多成分分析系統，由不同的分析器模塊組合，且具高度的靈敏性，還具有集成控制和全過程監測特點，用戶易于掌握。

儀器能夠測量多達六個氣體組分，結構緊湊，精度較高，模塊組合減少安裝工作和操作。

為了提供可靠的性能和易于操作，同時提供一個全面的自動校準功能，使用經過認證的內部校準單元，保證測定精度。

6 推廣應用情況

鑒于該儀器的優良性能，幾年來，巴西最大的水泥企業Votorantim Cimentos為改善生產線的可靠性和能效，提高產品質量，降低生產費用，在10余臺回轉窯上安裝了SCK水泥煙氣分析儀，取得了成功，提高了市場競爭力，上述儀器得到公司、工廠和生產人員的認可。

本文有關儀器介紹詳見原文。

申毅陳友德編譯自

No.10/2016 International Cement Review