炭黑尾气锅炉氧化锆分析仪改进方案探讨法

周家兵，李伟，李慎永

(山东耐斯特炭黑有限公司，山东 东营 257506)

炭黑生产所使用的原料油系列中煤焦油、炭黑油、乙烯焦油等均含有硫离子，原料油在炭黑反应喉管段裂解反应时生成硫化氢和二氧化硫进入炭黑烟气中，当这些含有硫离子气体被送至尾气锅炉燃烧时会被氧化成三氧化硫，三氧化硫会与炭黑尾气中的炭黑粉尘、空气中的固态物质、炭黑烟气中的其它金属及非金属离子凝结成固态物质，对氧化锆分析仪导流管造成堵塞。同时炭黑尾气中含有较高的水蒸气（体积比40%），混合气体物质流过导流管在氧化锆的锆头附近冷却形成明水，明水与固态物质混合同氧化锆头接触，导致氧化锆电动势对地，致氧化锆测量失败。

通过对双组份氧化锆分析仪结构研究，以及对炭黑尾气锅炉工艺流程、介质内部流动动态等多方面分析，提出双组份氧化锆分析仪改造与安装优化方案，提高双组份氧化锆分析仪使用寿命及测量稳定性。该方案起草与设计完成后与厂家工程师密切沟通稍作修改定稿，厂家按照最后主题思路进行完善设计制造，约一个月后发货我方，我们择机上线安装调试投运，截止目前改造后产品在线安装运行约一年，经过一年的使用验证，效果良好，达到了预期效果，实现了双组份氧化锆分析仪测量精度要求以及可靠性保证。经过本次改造后该仪表系统运行使我公司75 t锅炉安全可靠性得到提高，提升了锅炉燃烧效率，降低了氮氧化物的产生量，降低了脱硝工艺的运行成本，达到锅炉运行最大效益。

1 改造方案

1.1 改造前的现状

炭黑尾气含有可燃烧的H2，CH4、CO等物质，约占总体积含量的20%左右（干基），热值在600～650 kcal/Nm3，被输送到尾气锅炉燃烧，产生蒸汽发电或直接外供热能。燃烧后成产物为CO2、H2O等无害气体，尾气经过脱硫脱硝处理后经大气监测达标送入大气排放。

尾气锅炉通常采用双锅筒横置式“Π”型设置，自然循环水管锅炉系统，膜式水冷壁。尾部竖井与锅炉炉膛之间布置上下锅筒和对流管束。锅炉蒸发量主要根据炭黑尾气量大小以及尾气热值确定，出口蒸汽压力根据各实际要求选择。控制系统采用DCS控制系统实现连锁与自动控制，工艺流程如图1所示。

图1 尾气锅炉工艺流程图

上锅筒安装不少于2只弹簧式安全阀，过热器出口集箱上安装1只弹簧安全阀，上锅筒安装双色液位计，石英管液位计，两只电接点液位计，两套双室平衡式水位计监视汽包液位，检测控制锅炉给水流量以及控制阀、减温水流量以及控制阀、尾气流量、空气流量监测与控制阀，以及必要的安保控制系统等；在过热器、炉膛、集气集箱、省煤器进出口、空气预热器进出口等均安装温度测点。

在燃烧过程中，为了提供合适的燃烧空气量满足充分燃烧、达到最佳的燃烧效率，公司选用三套氧化锆分析仪在线监测锅炉燃烧后的氧含量，控制燃烧效果，其中两套分布在2+2烧嘴后部（俗称高温区400℃），检测燃烧后氧含量；一套用在烟气经过空冷后部（俗称低温区）检测混合气体氧含量，判断燃烧混合后烟气含氧量，判断燃烧状况以及炉膛空气预热器运行状况。另采购一套（氧含量+CO）双组份分析仪安装在引风机进口处，此处压力为真空状态，监测锅炉出口烟气氧含量以及CO含量，起到检测锅炉运行情况以及真空状态后部泄漏情况，实现节能、低氮、安全燃烧作用。DCS流程PID截图如图2所示。

图2 DCS流程PID截图

1.2 改造前存在的问题

在75 t锅炉上，共采用3台氧化锆分析仪，1台双组份分析仪，3台氧化锆分析仪产自深圳市朗弘科技有限公司，双组份分析仪为苏州兰炼富士仪表有限公司产品。

深圳朗弘两台氧化锆分析仪安装在锅炉上级省煤器进口处，运行温度为400 ℃左右，水平安装，运行良好；第三台安装在引风机出口管道上，运行温度150 ℃，垂直安装，运行良好。

兰炼富士双组份氧化锆分析仪安装位置在引风机进口，水平安装，运行温度为170 ℃。

双组份氧化锆分析仪在系统投产后运行约2个月左右出现示值与朗弘分析仪显示值明显差异，随着时间的延长，双组份氧化锆分析仪不再正常显示数值并提示报警。下线后发现整根导流管从传感器到导流管被分三段：保温段、炉砖段、介质接触段（图3）。

图3 氧化锆分析仪探头下线状况

通过分析认为存在以下异常：

（1）整个导流管外壁有结晶，与介质接触导流管末端最严重，结晶堵塞部分导流管进口；

（2）导流管内部有结晶附着，但不严重；

（3）拆卸后氧化锆探头有明显的积水，见图3。

1.2.1 原因分析

炭黑生产原料油中含微量有机或无机硫，在燃烧及裂解过程中部分生成硫化氢或二氧化硫进入炭黑尾气，尾气被输送至锅炉燃烧后，硫化氢及二氧化硫被氧化成了三氧化硫，二氧化硫、三氧化硫遇水及金属离子产生亚硫酸与硫酸及其盐。亚硫酸、硫酸对设备、管道造成腐蚀，部分硫酸盐或亚硫酸盐蒸汽通过导流管凝结成固体附着在传感器上，同时导流管导流烟气将水蒸气带入氧化锆探头处并遇冷冷凝出明水（氧化锆探头位置在炉膛外部，运行温度在60 ℃左右，如果温度低于60 ℃电加热辅助加热），由于酸性液体导电率高，对氧化锆探头测量信号对地造成短路，致使测量产生误差，直至无法测量。

1.3 改善措施

（1）提升双组份分析仪探头部位运行温度，减少结晶物附着，延长导流管的长度，将导流管长度从0.8 m延长到1.5 m，在炉膛燃烧后的废气经过换热器、省煤器、空气预热器等换热后，大部分密度重的物质顺着锅炉炉壁流动，特别是杂质会在炉壁聚集。延长导流管后能避开炉壁附近杂质聚集区，同时能够摄取较高温度的烟气，提高进入导流管后部仪表探头测量部位运行温度，降低凝结水产生的几率；同时延长导流管的长度的第二个目的如下：锅炉内部烟气流速越往中间位置流速越高，压头越高，则烟气进入导流管的速度大，进入仪表探头部位烟气量大，流速越高，温度也高，克服了冷凝有明水的弊病。

（2）加大导流管直径：从目前的DN50调整为DN75，增大烟气在测量管中流量与流速，克服低流速废气产生冷凝水凝结几率，降低或解决蒸汽不冷凝的问题。

（3） 修改安装方式：调整安装角度，原先安装规范要求水平或者垂直安装，由于锅炉安装位置只能水平安装，存在冷凝水后不能及时排出造成冷凝水集聚，改造后新安装方法是倾斜安装且与炉壁成30°的夹角，如果存在冷凝水则因为重力原因自行流淌排出，解决冷凝水聚集问题。

（4） 在导流管进口处增设过滤网：在导流管进口加过滤网，过滤明显的固体物质不进入导流管。

改进后的安装图，见图4。

图4 改进后的氧化锆安装图

1.4 改造的效果

整个改造思路均结合生产工艺以及工艺介质运行特点进行，非常有行业特点，厂家在选型时往往是采用通用原则进行设计与选型，没有对具体运行环境做深入有针对性的设计，经过近一年的运行目前该仪表运行稳定，与深圳朗弘氧化锆分析仪参数有对比性，仪表运行良好，达到了预期的效果。

2 结论

分析此次出现异常的原因，我们认为有如下几点：

（1）仪表厂家在仪表制造选型时未完全根据提供的技术规范书要求，也未结合使用单位的工况条件以至于仪表无法长时间正常工作。

（2）仪表厂家不熟悉炭黑生产工艺的特点，不了解炭黑尾气锅炉的工况及炭黑尾气的特性。

（3）仪表生产厂家未考虑利用使用方介质运行温度，仅通过电加热器实现探头运行温度。

通用改进的措施与建议：

（1）加长、加粗导流管，有效地将炉膛内高温烟气导入导流管，减少水蒸气的凝聚，也减少了固体凝结物聚集。

（2）导流管口处增设过滤网，防止固体异物及凝结物进入导流管。

（3）导流管设计时让被测气体流经测量探头后一段距离（10 cm）可直接取消，越短越好，无需加工与进气管一样长（本案未做改进）。

（4）倾斜安装让存在的明水自流流出。

（5）有针对性对于介质抗腐蚀性选型。

本文是经验介绍，也是抛砖引玉，我们通过以上的改进措施，极大地改进了原双组份分析仪设计方案，修正该仪表在炭黑行业尾气锅炉中应用，也为同行业提供经验分享，通过与厂家紧密协作，发挥各自专业优势，生产出符合不同使用条件下的仪表，提升仪表的使用寿命以及测量准确性。

3 经济效益和社会效益

（1）通过对我公司双组份氧化锆分析仪的设计改进，提高了仪表测量准确性，保证该测点在该位置正常测量，确保锅炉各参数正常运行。

（2）通过改进能够帮助仪表生产企业在将来的产品选型以及设计制造上提供合作思路，甲乙方合作打造经典产品。

（3）解决炭黑行业尾气锅炉氧化锆（双组份）分析仪选型与制作的思路，促进行业进步。

（4）正确的测量数据能够指导生产工艺人员正确生产，达到在保证氮氧化物合格前提下最优化生产运行，节约能源以及二次脱销流程产生的费用，提升工厂的经济效益。

（5）优化燃烧，降低氮氧化物产生，维护大气质量，为绿色环保做出贡献。