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。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(yōu)化窯的操作，保持窯內(nèi)熱工制度穩(wěn)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(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)量進行監(jiān)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(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)起著關鍵的作用。燃料完全燃燒，燒成帶溫度穩(wěn)定，有利于熟料質量穩(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(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(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，生成NOX。當燒成帶內(nèi)溫度增高時，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，因工況條件頻繁變化，所產(chǎn)生的CO含量是變化的。當煙氣中CO峰值超過爆炸所需的數(shù)值時，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，及時改變?nèi)紵鞯娜紵隣顩r，減少CO的排放量，或采取措施適當向大氣排放，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(tǒng)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(tǒng)出口煙道、煙囪出口。最具挑戰(zhàn)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(nèi)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(wěn)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(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(nèi)，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(huán)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(xù)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(shù)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(yè)控制器和一個菜單驅動的觸摸屏組成?？刂破魈幚砣〉玫臒煔夂螅椭吝B續(xù)分析儀進行測試，該控制器由菜單驅動，易于調(diào)試和安排清理，能按客戶需求進行定期取樣。

當取樣器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)還可遠程診斷，有利于現(xiàn)場維護和維修。

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)配置技術先進、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用證實可靠穩(wěn)定。該儀器是一個多成分分析系統(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，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(jīng)過認證的內(nèi)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(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)品質量，降低生產(chǎn)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(chǎn)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