便携式烟气分析仪在水泥工业中的应用

便携式烟气分析仪在水泥工业中的应用

随着国家环保的日益重视，水泥行业对污染排放有了明确规定，要求公司实时监控排放中的气体排放，避免污染环境。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。本文以5000t/d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,以帮助了解当前系统的运行状况,为优化系统的操作提供参考依据。1热耗及能耗指标检测对象是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见图1。从该企业的生产统计报表看,目前系统烧成热耗为3344kJ/kg左右,电耗65~66kWh/t,与国内同规格先进生产线相比,热耗和能耗指标明显偏高。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:烟室、分解炉出口、C1出口、生料磨入口、电除尘器入口和出口6个测点。2现场测试香烟和气体成分2.1烟气成分检测根据现场的实际情况,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O2、CO2、CO、NO、NO2和SO26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,其他5种传感器是电化学型,检测量程分别为NO:0~3000ppm、NO2:0~500ppm、SO2:0~5000ppm、O2:0~25%、CO2:0~100%、CO:0~50000ppm。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)、O2和CO等气体含量,测量范围均为0~100%。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,在其他烟气仪不能正常工作时参与检测。2.2烟气成分检测现场检测仪器及管路连接图如图2所示。Testo350M/XL型便携式气体分析仪在线检测(见图2)时,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在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。在除水后,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,得到该点该时段烟气成分的平均值。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中离线检测: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,将球胆内气体排入大气,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中离线检测Ⅰ;另一种方法是采用奥氏气体分析仪进行检测,如图2中离线检测Ⅱ,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平均值。表1为不同测点选用的检测方法。2.3烟气采样及检测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,要用新鲜空气充分清洗,直至仪器显示空气的气体成分时才能再进行下一个测点的测量。3原料组成及排放特性各测点烟气成分检测结果见表2,由于生料磨和电除尘器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。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,烟室的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,另一方面由N2分子在高温下氧化而形成。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。分解炉出口CO浓度达到1%以上,依然较高,O2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N2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含量较烟室大幅减少,主要是由于分解炉内碳酸钙分解生成的大量活性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O2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。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,C1出口空气过剩系数应控制在1.10~1.18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、煤质和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。NOx和SO2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C1出口至生料磨入口,系统O2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。电除尘器入口即为生料磨出口,从烟气分析结果可见,生料磨处,系统O2含量从3.97%提高到9.02%,说明生料磨本体漏风非常严重。电除尘器进出口O2含量变化不大,说明该环节密封性较好。对于系统的各漏风环节,应仔细寻找漏风点,尤其是增湿塔、生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,尽量减少漏风,以降低系统的电耗。4水泥生产线烟