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(tǒng)生產(chǎn)過程中窯尾、預(yù)熱器系統(tǒng)頂部和煙囪出口部位排出的煙氣成分和濃度分析與生產(chǎn)控制和環(huán)保排放限值直接有關(guān)。上述部位設(shè)置的氣體分析儀對煙氣所進(jìn)行的測試任務(wù)主要為：

·優(yōu)化窯的操作，保持窯內(nèi)熱工制度穩(wěn)定。提高熟料質(zhì)量，減少能源消耗和費(fèi)用。

·控制煙氣中CO含量和溫度，防止產(chǎn)生電收塵、煤粉制備系統(tǒng)煤粉的爆炸事故。

·對燒成生料粉磨系統(tǒng)排放的煙氣成分和數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測，避免煙氣中NOX、SO2、TOC（有機(jī)碳）等對大氣有害的氣體超標(biāo)排放。

生產(chǎn)系統(tǒng)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(chǎn)起著關(guān)鍵的作用。燃料完全燃燒，燒成帶溫度穩(wěn)定，有利于熟料質(zhì)量穩(wěn)定。若燃燒不穩(wěn)定，煙氣呈現(xiàn)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(chǎn)生的SO2隨煙氣后逸在窯尾進(jìn)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(jié)在高溫的耐火磚表面，形成結(jié)皮、結(jié)圈，對煙氣和熱料流動產(chǎn)生阻力，影響窯氣流動，減少入窯空氣量，更易使燃料產(chǎn)生不完全燃燒，從而影響熟料質(zhì)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(jìn)行測定，只能在窯尾進(jìn)口部位對O2、CO、NOx的濃度進(jìn)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(wěn)定，燃燒所產(chǎn)生的煙氣中的O2和CO是動態(tài)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(nèi)燒成帶溫度大致為1 400℃時(shí)，生成NOX。當(dāng)燒成帶內(nèi)溫度增高時(shí)，燃燒產(chǎn)生的NOX數(shù)量增加，若溫度下降，則NOX生成量降低。也就是說，燒成帶內(nèi)熟料煅燒溫度的變化必然改變所產(chǎn)生的煙氣中NOX的濃度，二者之間有關(guān)聯(lián)。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(nèi)熟料和煙氣的溫度。

2 安全測量

窯和分解爐內(nèi)燃料燃燒時(shí)，因工況條件頻繁變化，所產(chǎn)生的CO含量是變化的。當(dāng)煙氣中CO峰值超過爆炸所需的數(shù)值時(shí)，電收塵和煤粉系統(tǒng)將會出現(xiàn)爆炸。通過測量，掌握煙氣中CO的含量，及時(shí)改變?nèi)紵鞯娜紵隣顩r，減少CO的排放量，或采取措施適當(dāng)向大氣排放，避免裝備產(chǎn)生燃爆事故。

3 排放測試

熟料煅燒過程中，需要進(jìn)行煙氣中有關(guān)成分及其濃度測試的有（見圖1）：

窯尾：NOXO2CO

圖1 水泥窯、磨系統(tǒng)主要煙氣測試位置

預(yù)熱器出口：COO2

煙囪出口：CONOXSO2TOCO2

4 窯氣取樣

窯氣取樣主要有三個(gè)部位，即窯尾進(jìn)料室、預(yù)熱器系統(tǒng)出口煙道、煙囪出口。最具挑戰(zhàn)的是窯尾進(jìn)料室窯氣取樣所在的工況，即煙氣峰值溫度高達(dá)1 300℃以上，粉塵濃度高達(dá)500g/m3。此外，入窯物料在進(jìn)料室內(nèi)耐火磚墻結(jié)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(wěn)定取樣。測量窯尾煙氣成分的關(guān)鍵是取樣裝置，往往取樣裝置使用一段時(shí)間就損壞，被迫停止作用。國外某公司通過長期實(shí)踐，開發(fā)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(tǒng)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(jié)構(gòu)相近。頂部懸梁一側(cè)焊在窯尾進(jìn)料室后墻上，另一側(cè)懸吊在頂梁上。窯氣取樣器、電動機(jī)、鏈傳動等均倒裝在雙懸梁結(jié)構(gòu)上，取樣器通過電機(jī)、鏈傳動可向前運(yùn)行伸入窯尾進(jìn)料室并伸入窯內(nèi)，也可向后退出。窯尾進(jìn)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(guān)閉，以避免高溫含塵煙氣外逸，造成環(huán)境污染和人體損傷。在不取樣時(shí)取樣器退出至進(jìn)料室外，防止高溫含塵煙氣以及煙室上側(cè)結(jié)皮結(jié)塊下落對取樣器造成熱、化學(xué)、機(jī)械損壞，還可對取樣器進(jìn)行檢查和維護(hù)。

圖3 窯氣取樣器伸入窯尾進(jìn)料室

取樣器抽取高溫含塵煙氣必需進(jìn)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(jìn)料室的結(jié)皮及煙氣含塵量差別較大。為此設(shè)計(jì)了兩種窯氣取樣器，一種為H型，可破碎結(jié)在耐火磚表面結(jié)皮的窯氣取樣器（圖4）。氣動活塞焊在過濾器頂部，當(dāng)取樣器進(jìn)入進(jìn)料煙室，機(jī)械破碎結(jié)皮硬殼，從而做到連續(xù)測量。另一種為60S型，用于不結(jié)塊的進(jìn)料室。60S型具有較強(qiáng)的除塵能力，減少了進(jìn)入取樣器的粉塵數(shù)量，可保持取樣正常運(yùn)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(gè)工業(yè)控制器和一個(gè)菜單驅(qū)動的觸摸屏組成。控制器處理取得的煙氣后，送至連續(xù)分析儀進(jìn)行測試，該控制器由菜單驅(qū)動，易于調(diào)試和安排清理，能按客戶需求進(jìn)行定期取樣。

當(dāng)取樣器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)還可遠(yuǎn)程診斷，有利于現(xiàn)場維護(hù)和維修。

4.3 冷卻單元

取樣器冷卻水系統(tǒng)使用閉路水循環(huán)，以達(dá)到安全和環(huán)保冷卻。模擬傳感器連續(xù)監(jiān)測水流溫度和水壓，以保持取樣器穩(wěn)定操作。

5 連續(xù)煙氣分析儀

系統(tǒng)配置技術(shù)先進(jìn)、廣泛用于各種工業(yè)生產(chǎn)所需的Optima煙氣分析儀，在水泥廠的高溫高塵煙氣中應(yīng)用證實(shí)可靠穩(wěn)定。該儀器是一個(gè)多成分分析系統(tǒng)，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(jiān)測特點(diǎn)，用戶易于掌握。

儀器能夠測量多達(dá)六個(gè)氣體組分，結(jié)構(gòu)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(shí)提供一個(gè)全面的自動校準(zhǔn)功能，使用經(jīng)過認(rèn)證的內(nèi)部校準(zhǔn)單元，保證測定精度。

6 推廣應(yīng)用情況

鑒于該儀器的優(yōu)良性能，幾年來，巴西最大的水泥企業(yè)Votorantim Cimentos為改善生產(chǎn)線的可靠性和能效，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)費(fèi)用，在10余臺回轉(zhuǎn)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(chǎn)人員的認(rèn)可。

本文有關(guān)儀器介紹詳見原文。

申毅陳友德編譯自

No.10/2016 International Cement Review