水泥窑烟气测量、分析和控制

水泥窑烟气测量、分析和控制

水泥熟料煅烧和生料粉磨系统生产过程中窑尾、预热器系统顶部和烟囱出口部位排出的烟气成分和浓度分析与生产控制和环保排放限值直接有关。上述部位设置的气体分析仪对烟气所进行的测试任务主要为：

·优化窑的操作，保持窑内热工制度稳定。提高熟料质量，减少能源消耗和费用。

·控制烟气中CO含量和温度，防止产生电收尘、煤粉制备系统煤粉的爆炸事故。

·对烧成生料粉磨系统排放的烟气成分和数量进行监测，避免烟气中NOX、SO2、TOC（有机碳）等对大气有害的气体超标排放。

生产系统烟气排放和测试位置见图1。

1 工艺过程测量

水泥熟料煅烧过程中，烧成带部位的燃料完全燃烧对生产起着关键的作用。燃料完全燃烧，烧成带温度稳定，有利于熟料质量稳定。若燃烧不稳定，烟气呈现还原气氛，易使CO浓度过高，造成电收尘爆炸事故。还原气氛还易造成热料中的硫酸盐分解，产生的SO2随烟气后逸在窑尾进口部位与碱性氧化物作用，生成熔融温度低的硫酸盐和入窑热料一起粘结在高温的耐火砖表面，形成结皮、结圈，对烟气和热料流动产生阻力，影响窑气流动，减少入窑空气量，更易使燃料产生不完全燃烧，从而影响熟料质量。此过程中，烧成带正处于高温部位，无法对窑料温度和烟气成分及其浓度进行测定，只能在窑尾进口部位对O2、CO、NOx的浓度进行测量，以反映烧成带的燃料燃烧状况。

熟料煅烧过程中，燃料因工艺状况变化和其性能不稳定，燃烧所产生的烟气中的O2和CO是动态变化的，烟气中所测得的O2和CO含量反映出燃料是否完全燃烧的状况。

窑内烧成带温度大致为1 400℃时，生成NOX。当烧成带内温度增高时，燃烧产生的NOX数量增加，若温度下降，则NOX生成量降低。也就是说，烧成带内熟料煅烧温度的变化必然改变所产生的烟气中NOX的浓度，二者之间有关联。在窑尾测试烟气中NOX浓度，也就反映出烧成带的温度。只要做好窑尾烟气中NOX含量的检测，就可确定烧成带内熟料和烟气的温度。

2 安全测量

窑和分解炉内燃料燃烧时，因工况条件频繁变化，所产生的CO含量是变化的。当烟气中CO峰值超过爆炸所需的数值时，电收尘和煤粉系统将会出现爆炸。通过测量，掌握烟气中CO的含量，及时改变燃烧器的燃烧状况，减少CO的排放量，或采取措施适当向大气排放，避免装备产生燃爆事故。

3 排放测试

熟料煅烧过程中，需要进行烟气中有关成分及其浓度测试的有（见图1）：

窑尾：NOXO2CO

图1 水泥窑、磨系统主要烟气测试位置

预热器出口：COO2

烟囱出口：CONOXSO2TOCO2

4 窑气取样

窑气取样主要有三个部位，即窑尾进料室、预热器系统出口烟道、烟囱出口。最具挑战的是窑尾进料室窑气取样所在的工况，即烟气峰值温度高达1 300℃以上，粉尘浓度高达500g/m3。此外，入窑物料在进料室内耐火砖墙结皮，以及顶部掉下的大块热料均会对取样器带来损坏。

长期以来，窑尾烟气取样因受上述工况影响，很难做到长期稳定取样。测量窑尾烟气成分的关键是取样装置，往往取样装置使用一段时间就损坏，被迫停止作用。国外某公司通过长期实践，开发了SCK窑尾烟气取样分析装置。

SCK窑气取样装置由窑气取样器牵引装置、控制单元和冷却单元三部分组成（图2）。

图2 SCK窑气取样系统装置

4.1 窑气取样器牵引装置（图2上）

窑气取样器牵引装置与窑头燃烧器结构相近。顶部悬梁一侧焊在窑尾进料室后墙上，另一侧悬吊在顶梁上。窑气取样器、电动机、链传动等均倒装在双悬梁结构上，取样器通过电机、链传动可向前运行伸入窑尾进料室并伸入窑内，也可向后退出。窑尾进料室背面有一阀板，取样前开启，取样器伸入（图3），取样后退出，阀板关闭，以避免高温含尘烟气外逸，造成环境污染和人体损伤。在不取样时取样器退出至进料室外，防止高温含尘烟气以及烟室上侧结皮结块下落对取样器造成热、化学、机械损坏，还可对取样器进行检查和维护。

图3 窑气取样器伸入窑尾进料室

取样器抽取高温含尘烟气必需进行水冷却，以避免取样器因温度过高受热损坏。

由于各窑的工况不一，窑尾进料室的结皮及烟气含尘量差别较大。为此设计了两种窑气取样器，一种为H型，可破碎结在耐火砖表面结皮的窑气取样器（图4）。气动活塞焊在过滤器顶部，当取样器进入进料烟室，机械破碎结皮硬壳，从而做到连续测量。另一种为60S型，用于不结块的进料室。60S型具有较强的除尘能力，减少了进入取样器的粉尘数量，可保持取样正常运行。

图4 水冷却窑气取样器

4.2 SCK控制单元

SCK控制单元由一个工业控制器和一个菜单驱动的触摸屏组成。控制器处理取得的烟气后，送至连续分析仪进行测试，该控制器由菜单驱动，易于调试和安排清理，能按客户需求进行定期取样。

当取样器出现故障，系统还可远程诊断，有利于现场维护和维修。

4.3 冷却单元

取样器冷却水系统使用闭路水循环，以达到安全和环保冷却。模拟传感器连续监测水流温度和水压，以保持取样器稳定操作。

5 连续烟气分析仪

系统配置技术先进、广泛用于各种工业生产所需的Optima烟气分析仪，在水泥厂的高温高尘烟气中应用证实可靠稳定。该仪器是一个多成分分析系统，由不同的分析器模块组合，且具高度的灵敏性，还具有集成控制和全过程监测特点，用户易于掌握。

仪器能够测量多达六个气体组分，结构紧凑，精度较高，模块组合减少安装工作和操作。

为了提供可靠的性能和易于操作，同时提供一个全面的自动校准功能，使用经过认证的内部校准单元，保证测定精度。

6 推广应用情况

鉴于该仪器的优良性能，几年来，巴西最大的水泥企业Votorantim Cimentos为改善生产线的可靠性和能效，提高产品质量，降低生产费用，在10余台回转窑上安装了SCK水泥烟气分析仪，取得了成功，提高了市场竞争力，上述仪器得到公司、工厂和生产人员的认可。

本文有关仪器介绍详见原文。

申毅陈友德编译自

No.10/2016 International Cement Review