采用合成液体冷却的回转窑高温气体采样系统

王强，缑冬青

采用合成液体冷却的回转窑高温气体采样系统

Synthetic Liquid-cooled Rotary Killnn High Temperature Gas Sampling Systemm

王强，缑冬青

1 引言

目前，越来越多的水泥企业认识到，对水泥回转窑窑尾烟室气体的精确分析是保证高效率的水泥生产、自动窑炉控制和对环境的可靠保护所必不可少的。因为水泥回转窑内的煅烧情况直接关系到水泥熟料的产量、质量、燃料的消耗和综合成本。一方面，窑尾烟室气体分析仪的合理使用，可以帮助中控操作人员实时了解窑内的煅烧状况和燃煤的完全燃烧状况，指导操作人员及时采取相应措施，优化水泥回转窑的操作工艺，使水泥熟料的质量更加稳定；另一方面，窑尾烟室气体分析系统还有利于中控操作人员对整个煅烧过程信息做出整体的了解和综合判断，从而指导下一步的具体操作，优化燃烧工艺，使能源消耗最小化。

但由于窑炉温度高达1400℃，窑炉气体的粉尘浓度高达2000g/m3，且含有强碱性、硫和氯化物等物质，因而常规气体分析设备不太适用，且维护量大。比如，传统的水冷采样系统存在很多严重的缺陷:

（1）由于操作温度低，而被测气体中的很高酸碱浓度，将产生冷凝，腐蚀采样系统。

（2）易沉积水垢使管道堵塞。

（3）高昂的维护成本和低的可靠性。

同时，由于1000℃高温下，水泥熟料的粘性很大，很容易在探头上形成壳状物，造成额外的机械应力，损伤探头。

2 FLK高温气体采样系统的特点

较之传统的水冷采样系统，FLK高温气体采样系统具有下列特点：

（1）FLK采样探头采用高沸点的有机合成液作为冷媒，准确地把样品气的温度控制在200℃左右（可高达230℃），这个温度超过了烟气和酸气的露点温度（通常在160～170℃），因此该温度下水气和酸气不会产生凝结，也就不造成腐蚀。

（2）FLK采样系统采用一种特殊的合成液体作为冷却导体，可有效避免水垢沉积，从而避免管路堵塞。

（3）FLK采样系统可以定期自动伸缩探头，并在探头伸缩的同时用仪表风进行吹扫，可有效地减少沉积物的产生。

3 系统构成（见图1）

（1）液冷式取样探头

取样探头能将温度高达1400℃、腐蚀性强、粉尘含量高的气体从回转窑炉或分解炉内连续自动抽出，探头由进气室、带致冷剂回流管的冷却管、进气管、固定法兰等组成。取样孔在侧面，只有粉尘含量较低的气体能够进入探头；冷却管由特种合金钢材制成，这种钢材既耐高温又抗大的垂直弯曲；致冷剂是一种专门研制的合成传热液，具有环保、沸点很高且吸热能力强、无石灰质沉积物、不会腐蚀冷却管等特点。

（2）探头自动收缩单元

采用自动伸缩式采样探头，定期（可在1.0～72h区间内设定）将探头自动快速地从窑中缩回，探头伸缩时对粉尘沉积物进行自清理。探头插入窑炉或从窑炉抽回约需90s。插入或抽回过程可用安装在伸缩装置上的开关手动控制，也可由中央控制室或PLC控制。同时，自动收缩单元配备了冗余式驱动装置，在正常工作状态，电动马达负责探头的自动伸缩。但在系统断电的状态下，气动马达负责将探头从窑炉中抽取出，保护探头及生产装置。

（3）除尘过滤器

除尘过滤器净化抽取的气体粉尘混合物。采用电加热设计和免维护型烧结金属过滤器，过滤室内集成的加热元件在装过热保险丝的温度自动调节器的控制下，将过滤器内部温度调节到探头的工作温度，这就有效地防止了过滤孔被污泥和渣壳堵塞。

系统采用PLC可编程控制器，根据窑炉条件调节清洗过滤器粉尘沉积物的周期。周期1压缩空气将过滤空的粉尘颗粒吹掉，周期2把全部粉尘吹回窑炉。与此同时，进气管、进气室及其进气孔的粉尘也得到了清除。无手动清洗的免维护工作周期通常大于3个月。

（4）压缩空气阀组合——吹扫单元

压缩空气阀组合与PLC一起执行系统的吹洗程序。一旦抽气管或除尘过滤器堵塞，送气泵产生负压，被测气体管线中的低限压力开关就产生信号，启动压缩空气吹洗程序。如果发生堵塞，可调节负压开关，以使清洗过程的启动适合于堵塞程度。

（5）热交换器组件

系统的冷却功能是由环保型合成传热液来实现的，冷却回路的致冷剂采用无压密封，不会有损耗。热交换器是由钢制管板和螺旋加肋管构成的气液冷却器，通过轴流风机，将空气吹入换热器中，进行传热液与空气的热交换。风机将通过安装在传热液管线中的温度开关来控制，以期达到最佳的致冷效果。即使环境温度很高或冷却器表面有粉尘污垢，冷却器的致冷能力也能满足需求。因此，冷却器可在室内，也可在室外使用。同时热交换单元还配备了多功能的监控设备。

（6）PLC和监控单元

小型PLC执行所有的控制和监控工作，控制单元的主要功能有：

·检查气体取样系统的工作状况及其安全性；

·监控除尘过滤器和热交换器的温度；

·达到工作温度或一个清洗周期后，启动气样分析，并显示其工作状态。

如果系统需要进行彻底的清洗，PLC将先后启动两个清洗程序。清洗的重复周期可用时间来设定，也可根据积尘程度或状态信号（如系统启动、正常运行等）来启动清洗程序。一个清洗周期后，PLC检查流程是否为负压，如果为负压，则启动新的清洗周期，否则就启动分析过程。如果自动清洗无法进行，PLC就发出手动清洗的请求。

为了尽可能保证系统安全运行，PLC不断监测系统的运行和报警信息，如果发生下列故障，就自动控制探头从窑炉抽回：

·热交换器和除尘过滤器断电；

·致冷剂回路有故障，如致冷剂不流动或泄漏；

·风扇不转。

PLC还会将已触发的报警信号送中央控制系统，操作人员可按时间顺序查看这些信息。报警信息有：

·保护马达的断路器跳闸；

·探头插入或抽回的时间监测；

·致冷剂液位太低；

·致冷剂温度过高；

·取样系统堵塞。

PLC除了具有以上控制和监测功能外，还能启动分析设备的自动校准。通过数据总线，PLC可接到中央控制系统。

（7）分析单元

分析单元由电伴热式的样气输送管缆、样气预处理单元、标准气和分析仪表等组成，其中预处理单元和分析仪表安装在一个机柜内，系统流程图参见图2。

样气预处理单元的功能是完成样气的净化、除尘、除湿，并将符合分析仪器要求的超净、恒温、流量稳定的样气，源源不断送入分析仪器，从而确保分析仪器的分析准确性和长期可靠性。主要包括：

·采样泵：样品气通过采样泵抽取进入样品预处理系统，处理后进入分析仪进行测量。

·过滤系统：样气进入样品预处理系统后，还要经过另外两级的过滤。前级过滤将对样品进行二级过滤，实现对样品的净化；精细过滤是样品气进入分析仪之前的最后一次过滤，精密过滤器的过滤精度可达到2μm左右，是保证分析仪正常运行的关键部件之一。

·冷却除湿：采用冷却除湿器除去样品气中的水分，冷凝液由蠕动泵排除，从而保证分析仪的正常运行。

·流量调节：保证仪器的进样流量大于2L/min，并调整好快速回流与进样流量的比例。

分析仪采用西门子的ULTRA⁃MAT23多组分红外气体分析器。它具有自动标定、智能化操作等特点。它特有的单通道设计，通过红外吸收原理测量CO、CO2、NO、SO2、CH4等气体组分。它可同时测量多达3个的红外气体组分，同时还可另加氧含量测量。用空气自动校准，该特点可以极大地降低标气的使用费用，每年只需1～2次使用标气校准，平时使用空气就可以完成校准，这个功能已经过TUV认证。

4 系统完成的功能

窑尾烟室气体分析仪是通过在线连续提取、处理和分析窑尾烟室中的O2、CO和NO的百分含量或PPM含量，来实时监测水泥回转窑内的煅烧状况，主要完成以下功能：

（1）稳定和提高产品的质量；（2）优化燃烧过程，节约能源；（3）及早发现异常情况避免停工检修；

（4）通过对燃烧过程的监测，减少排放物对环境的影响，严格遵守法律法规。

如果窑内煅烧温度过高或热工振荡过大，不仅会大量消耗燃煤，甚至还会损害窑衬；如果煅烧温度过低，会造成熟料的夹生料，严重影响水泥熟料的质量。

测量组分主要有以下4种：

CO：0%～3%，O2:0%～10%，参见煅烧过程能量效率曲线图3。

氧气和一氧化碳值的变化反映燃烧不足或燃料浪费，实时调节窑头的喷煤量和送风量，以便使燃煤完全燃烧，获得最大限度的热效率，节省能源消耗。

NO：0～2000ppm，参见煅烧过程NOx含量与温度曲线图4。

氧化氮值的变化反映烧成带的热力状况，用于监控窑内温度。熟料质量主要取决于烧成带状况稳定于否。烧成带的温度至关重要，连续、快速指示温度趋势（并非准确值），从而及时修正以免窑温失控，合理调节窑头喷煤量的大小，以防止窑内热工异常。

SO2：0%～1%，检测硫化物，实现对排放量的控制。

5 项目运行

至今，已有近200套FLK系统成功地应用于全球各地的水泥窑尾烟室和分解炉出口，尤其在较寒冷的地区，比水冷却采样系统更显其优势。通过对水泥窑尾气体成分准确的实时监测，为优化燃烧工艺、提高水泥熟料的质量提供了准确的依据。作为实现节能环保的必要监测手段，FLK系统必将在国内外的水泥市场上大显身手。

国内的成功案例包括拉法基在云南、四川等地的多条水泥生产线、中联水泥、华润水泥、陕西秦岭水泥、山西金圆水泥、唐山燕东水泥等；国外的成功案例有巴西、南非、俄罗斯、白俄罗斯等，涵盖拉丁美洲、非洲、西亚、东南亚、东欧等多个国家和地区。

以唐山燕东水泥5000t/d的熟料生产线为例，自2010年初投产以来，FLK高温气体采样系统已经连续运行两年，工作正常，状态稳定，效果良好。平常的维护只有每日或每周定期的巡视，观察设备运行参数是否一切正常，不需要进行任何大修。FLK采样探头的使用周期一般为5年，如果维护得当，使用寿命还会更长。在云南拉法基最早的FLK系统已正常运行近5年，从来没有出现过大的故障。实践证明了FLK高温气体取样系统的先进性和可靠性。

[1]马保国.新型干法水泥生产工艺[M].化学工业出版社,1996(5).

[2]西门子工业自动化有限公司[M].气体分析仪操作手册,2006(5).

[3]王君伟.水泥生产问答[G].化学工业出版社,2010(8).

TQ172.622.29

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吕 光