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两种烟气分析仪在5000t/d熟料生产线上的应用

日期:2012年5月24日
 

随着国家对环保的日益重视,水泥工业排入大气中的废气污染物排放量已有了明确的规定,这就要求企业对排放烟气进行实时监控,避免对环境造成污染。不仅如此,在水泥生产的中间环节,特别是在存在燃烧反应的生产过程中,仅仅根据系统的温度、压力和风量等过程参数进行控制常常是不够的,必须同时分析气氛的化学成分,了解窑炉或反应器内的气氛配比,指导系统的合理操作,以达到稳定热工制度,节能降耗,提高生产率的目的[1-3]。本文以5000t/d新型干法水泥生产线为研究对象,重点介绍了两种烟气分析仪在现场的使用方法及注意事项,通过检测各个测点的烟气成分,以帮助了解系统的当前运行状况,为优化系统的操作提供参考依据。

1 系统流程图及目前基本状况

检测对象是5000t/d的生产线系统,该生产线采用双系列预热预分解系统和在线式分解炉,系统组成及气流走向如图1所示:


 

图1  系统气流走向示意图


 

从该企业的生产统计报表看,目前系统烧成热耗为800kcal/kg-cl左右,电耗65~66kwh/t-cl,与国内同规格先进生产线相比,热耗和能耗指标明显较高[4-5]。为了帮助了解目前整个系统的运行情况,找出能耗高的原因,选取以下几个测点进行烟气成分检测,包括:斜烟室、分解炉出口、预热器出口、原料磨入口、电收尘入口、电收尘出口等6个测点。

2.烟气成分的现场测试

2.1测试仪器

根据水泥工业现场的实际情况,测试选用两台烟气分析仪:一台是德国德图集团公司的Testo350M/XL型便携式气体分析仪,另一台是上海晶菱玻璃公司生产的1904型奥氏气体分析仪。

Testo350M/XL型便携式气体分析仪能够同时检测量O2CO2 CONONO2SO2等六种气体成分含量,仪器内置两种类型传感器,CO2传感器是红外线型,其它五种传感器是电化学型,检测量程分别为O2025%CO20100%CO050000ppmNO03000ppmNO20500ppmSO205000ppm。该仪器轻巧便捷,能同时检测多种烟气成分,检测精度高,检测迅速,能够在线实时检测测点烟气成分变化,也可以进行离线测量,因此,在条件允许的条件下,优先选择该烟气分析仪进行检测。仪器的缺点是对于成分波动较大尤其是瞬时值超出量程时,容易造成传感器“中毒”,影响检测进程。

奥氏气体分析仪测烟气成分是一种经典的烟气成分测试方法,其原理是化学吸收法。该仪器能够检测CO2(SO2)O2CO等气体含量,各自测量范围均为0100%该仪器简单直观、经久耐用、量程大但前期配制试剂繁琐,操作复杂,测量精度低,只能进行离线检测,当烟气中有SO2存在时,同CO2一起被吸收,难以单独测出各自的体积含量。当烟气成分超出便携式烟气分析仪检测量程时可选用奥氏气体分析仪,另外也可以作为备用仪器,在其它烟气仪不能正常工作时参与检测。

2.2现场测试方法

检测现场仪器及管路连接图如图2所示:


 

2 烟气检测方法图


 

Testo350M/XL型便携式气体分析仪可以采用在线式测量方法,如图2中“连接方法一”,该方法是将采样管直接插入烟道内,利用气体分析仪内置泵进行抽气,抽出的气体经硅胶管于空气中初步冷却后经过滤器除灰、干燥后进入烟气分析仪,然后经仪器内置过滤芯再次除灰、内置帕尔贴(Peltie)冷凝系统(使烟气迅速降温到4,达成真正的气水分离)再除水后,进入分析箱传感器系统进行检测,检测后剩余气体排出仪器外。在线测量结果是烟气成分的瞬时值,将一段时间连续采样的结果进行平均,得到改点该时段烟气成分的时均值。

当烟气成分波动较大且瞬时值超出仪器检测量程,或者由于测点空间位置等原因无法进行在线检测,可以选用离线检测的方法,即先将烟气先取入球胆,再对球胆中烟气的成分进行离线测量。取气方法见图2中“连接方法二”:采用双连球手动抽气,烟道内的烟气经采样管进入过滤器,然后经双连球进入玻璃三通,玻璃三通一端连接球胆,一端连接大气,先将接大气端用止水夹封闭,将气体取入球胆内,反复揉搓球胆,使内部气体充分混合,然后打开止水夹,将球胆内大气排入大气,重复三次,直到球胆内残余空气被清洗干净,再进行烟气采样,当球胆充足后,用夹子夹紧密封,迅速进行成分检测。

离线分析有两种方法,一种是将球胆接在便携式气体分析仪探头上,直接进行检测,如图2中“连接方法三”;另一种方法是采用奥氏气体分析仪进行检测,如图2“连接方法四”,即将球胆接在仪器进气端,气体经过滤器后进入仪器进行检测。采用球胆取气的离线式测量方法检测的是取样时段的气体成分时均值。不同测点选用的检测方法。


 

 

1 各个测点选用的检测方法

测点编号

测点位置

检测方法

现场情况

1

斜烟室

连接方法三、四

粉尘大、CO浓度高、需测NOXSO2含量。

2

分解炉出口

连接方法二、三

CO浓度波动大、瞬时值高、需测NOXSO2含量。

3

预热器出口

连接方法二、三

CO浓度波动大、瞬时值高、需测NOXSO2含量。

4

原料磨入口

连接方法一

各成分含量稳定,最高瞬时值未超仪器量程。

5

电收尘入口

连接方法一

各成分含量稳定,最高瞬时值未超仪器量程。

6

电收尘出口

连接方法一

各成分含量稳定,最高瞬时值未超仪器量程。


 

3.3检测注意事项:

检测过程中需要注意: 1)测量或取气的过程中,所有管道连接处及测点开孔处应保证绝对密封,严防漏入外界空气;2)采样管插入点应尽量避开大股、大块料,防止堵塞或损坏采样管;3)应避开死角,选取气流通畅处进行采样,保证烟气的代表性;4)采用球胆取气时,应注意用烟气将球胆充分洗涤以保证烟气质量,用奥氏气体分析仪检测时应用待测烟气充分清洗仪器管路,应及时将球胆内所采烟气进行检测,防止发生变化。5)过滤器内的过滤芯应及时更换,以保证有效除尘;6)两种烟气分析仪应严格按照仪器操作规程仔细操作,以保证仪器使用安全和数据的可靠性;7)便携式烟气仪在测完一个测点烟气后,要用新鲜空气清洗充分清洗,直至仪器显示空气的气体成分时再才能进行下一个测点的测量。

3 测试结果及分析

各测点烟气成分检测结果列于表2,由于原料磨、电收尘环节只关心系统漏风情况,因此只列出氧含量数据,以做判断参考。


 

各测点位置烟气成分

测点

编号

测点位置

烟气成分及含量

空气过剩

系数α*

O2

(%)

CO

(%)

CO2

(%)

NOx

(ppm)

SO2

(ppm)

1

斜烟室

0.13

5.3

8.96

15

4645

0.85

2

分解炉出口

0.41

1.07

32.30

205

415

1.00

3

预热器出口

1.24

1.01

32.75

261

540

1.05

4

原料磨入口

3.97

 

 

 

 

 

5

电收尘入口

9.02

 

 

 

 

 

6

电收尘出口

9.79

 

 

 

 

 

其中:空气过剩系数采用近似公式:α*=进行计算


 

从测定结果来看:烟室O2含量只有0.13%CO含量高达5.3%,空气过剩系数仅为0.85,说明窑内通风情况很不好,窑头喷煤存在很强的不完全燃烧,煤粉的热量没有完全释放,造成了燃料的浪费,也使得熟料热耗的增加。一般认为,烟室中的NOx含量反映了回转窑内烧成带的热力状况,NOx含量越高说明烧成带温度越高,反之含量越低,说明烧成带温度越低。本次测量中烟室中NOx浓度为15ppm,含量不高,这与窑内氧气不足,还原气氛较严重也有很大关系。回转窑内的NOx一方面是由燃料中氮元素转化而来,另一方面N2分子在高温下氧化而形成,CO浓度很高,有利于促进还原反应

的进行,另一方面回转窑内气流流速较慢,也给还原反应提供了充足的反应时间。这些都有利于产生的NO被还原,造成NOX含量减少[6]。烟室中SO2含量高达4645ppm,这主要来自于燃料中的硫和原料中硫酸盐的分解。

分解炉CO浓度达到1%以上,依然较高,氧含量为0.41%,空气过剩系数为1.00,说明理论所需空气量和实际供应的空气量相等,实际上,分解炉实际需要空气量往往要略高于理论空气量,以利于燃料的充分燃烧,分解炉出口的NOx含量为205ppm,分解炉温度相对回转窑而言较低,不利于氮气发生氧化反应,因此分解炉内的NOX主要来自煤粉燃烧而产生。由于CO浓度较回转窑中降低,还原NOX的能力变差,导致NOX含量有所上升。分解炉SO2含量较烟室大幅较少,主要是由于分解炉的碳酸钙分解生成了大量活性CaO,这些CaO能够快速吸收SO2气体,使其浓度降低。

从预热器出口烟气成分可见,C1出口的氧含量偏低,CO含量偏高,空气过剩系数仅为1.05,说明系统拉风不足,即煤粉燃烧所供给氧含量不足,导致窑和炉的煤粉不完全燃烧现象比较严重,化学不完全燃烧热损失增加。假设单位熟料废气量不变,若CO含量从1.01%将至0.2%,熟料热耗可以降低34kcal/kg-cl,即熟料热耗可以降低至766 kcal/kg-cl左右。所以从C1出口的气体成分看,煤粉的不完全燃烧是造成系统热耗偏高的主要原因。一般而言,预热器出口空气过剩系数应控制在1.1~1.18之间。当然,除了通风不足之外,煤粉的不完全燃烧还与煤粉的细度、水分含量、煤质、燃烧器、燃烧器风煤的匹配等因素有关,建议企业逐项进一步排查,分析原因并进行操作参数优化。NOXSO2含量有所升高,可能是由于部分煤粉在预热器中燃烧的缘故。

从预热器出口至原料磨入口,系统氧含量提高了2倍,计算可得漏风系数为16.03%,说明增湿塔环节存在明显的漏风现象。电收尘入口即为原料磨出口,从烟气分析结果可见,原料磨处,系统氧含量从3.97%提高到9.02%漏风系数为42.15%,这说明原料磨本体漏风非常严重。电收尘进出口氧含量变化不大,说明该环节比较密封。对于系统各的漏风环节,应仔细寻找漏风点,尤其是增湿塔、原料磨的回转下料器及进出风管道等处的漏风,加强堵漏措施,尽量较少漏风,以降低系统的电耗。

4 结论

Testo350M/XL型便携式气体分析仪和奥氏气体分析仪两种仪器相配合,可以很好的用来监测水泥生产线中各环节测点烟气成分情况,为系统诊断提供必要的信息参考,本文中涉及的5000t/d水泥熟料生产线从监测数据上分析,可以发现回转窑内通风状态不佳,煤粉燃烧不完全,还原气氛严重,在预热器之后的几个环节中,增湿塔环节和原料磨环节系统漏风较为严重,需要在后续的检修环节中予以注意。

参考文献

[1]王辉龙:水泥窑尾气成分分析与SGAC101型烟气分析系统,水泥,1988,(1):27-30

[2]彭毅,孙欣林:水泥厂主要有害气体及其防治,水泥工程,2008,(5):6-10

[3]冯海军:testo350烟气分析仪在水泥生产中的应用,水泥, 2005,(6):70

[4]张冠军:5000t/d烧成系统热工标定与工艺分析,水泥, 2008(5):53-55

[5]高长明:努力创新早日实现我国水泥熟料生产对电能的零消耗,水泥工程,2009,(2):16-17

[6]陈传敏,赵长遂,庞克亮等:O2/CO2气氛下燃煤过程中NOX排放特性实验研究,东南大学学报,2005,(5):738-741


 

 

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