KilnLoq探头在水泥生产过程中的应用

简介
丹麦FLSmidth Airloq公司的Karsten Brink Floor在本文中强调了可靠的气体分析的重要性，并介绍了最近推出的KilnLoq探头。
气体分析在水泥生产过程中分两个不同的工段进行。最初是在窑进口端和预热器出口之间的工段进行的过程气体分析。第二项分析是亦称为“连续废气监测”（CEM）的烟道排气分析。到最近为止，对水泥行业而言，过程气分析是唯一能带来生产成本效益的气体分析。烟道排气监测作业经常仅是为满足本地有关当局法定要求而已。水泥行业的看法是，过程气体分析能给水泥生产过程提供联机信息，而排放气体分析仅是有限数量的气体组成的最终含量的记录。
在当今竞争越来越激烈的市场角逐中，水泥厂更需要可靠的气体分析。水泥作业线生产率的上升，主要是石油焦炭和废物等替代燃料的普及是激发这项需要的原因。这种情况导致了一些水泥生产商开始理解过程气分析与排放气体分析之间的关系。因此，现代水泥工业中的佼佼者都配备能执行以下任务的设备：
●窑进口端气体分析；
●煅烧炉气体分析；
●预热器排气分析；
●烟道气体分析；
●排放报告；
●以争CO2量来评估水泥生产作业；
●生产/排放评估与计算；
●气体分析作业的净成本收益；
必须对气体分析数据进行的汇报、记帐及评估使得作业更复杂。排放报告本身并非新任务，但一般而言全球各地的大部分报告现在要求更具体化；比如需要符合本地法规要求，要就其提供细节的气体组分的数量更多。按照WBCSD协约引进的净CO2量计算体制，是一种能计算来自所有水泥生产作业的温室气体的CO2排放总量的参照方法。此方法是可对各作业方法的变化及改进进行比较的工具，并能提供称作“年协作绿色／持续性报告”的数据。对许多投资者来说，这些因素是一座现代水泥厂的应具备的一些关键绩效指标。因此它对一个水泥生产商来讲有着重大的经济意义。其重要性从各大型跨国水泥生产商的网页上可见一斑。排放气体分析的结果并不一定容易通过过程模拟装置等过程专家培训站的使用来变换成有益的操作方法。所以，对烟道气分析的重要性减轻了，而且操作方法与排放值之间的相互作用也予以了校正及优化。

图1.用于过程分析的KilnLoq探头
过程条件
直到最近为止，水泥工业一般认为气体分析及其收效不大，尤其是高温窑进口端气体分析。原因是经常发生的设备可靠性问题。严竣的过程条件和变化多端的环境是一般困难的起因。常规式气体分析设备的复杂程度还为测控系统的人员带来棘手的操作及维修问题。维修人员和窑炉过程操作人员均认为不可靠的仪器会牵制设备运转时间，故此经常放弃使用气体分析设备。用户们不相信气体分析系统值得使用。由FLSmidth Airloq公司进行的一项调查表明，在全球范围内过半的在运转中的干法水泥窑没有一个操作正常的窑进口端气体分析系统。这种系统大部分仅是为满足窑炉供应商的要求安装而已。
分析系统故障
以下是高温窑进口端气体分析系统的典型故障原因：
●探头取样口被原材料堵塞
●探头内部取样管被原材料堵塞
●探头过滤器被原材料堵塞
●探头弯曲
●气体取样泵及调节设备被污染
●气体分析装置被污染
●缺乏主动性维修计划
●缺乏零备件
●缺乏培训以及对过程与气体分析作业之间的相互作用的理解


图2.维修简单,不需进行任何拆卸,可从尾管的入口进行
故障原因可划分两种：与设备或与使用者有关。任何用于窑炉的气体分析设备必须能应付由腐蚀性高及矿物活性高的过程气产生的极端条件（包括温度、灰尘、原材料荷载、污染等条件）。用户们也有一定的责任：保护他们对分析设备的投资，并最大限度地利用分析结果以最低的排放量来有效地生产水泥。FLSmidth Airloq公司对使用一种计算工具来评估运营窑进口端气体分析的成本效益并突出长期运营这些装置的优势的工作拥有经验。一般而言，一套尖端的高温气体分析系统的投资回收期为200天以下。迄今仍没有气体分析装置供应商能成功开发出一种不需维修的系统。运转系数最佳的系统是一个既能解决设备问题，又能协助顾客履行有关义务的解决方案。该公司针对窑进口端气体分析问题的一般起因进行的研究表明，任何分析系统的最终运转系数，也即是指设备的成功，取决于设备的三种质量。
●有助于理解和维修的简单的分析设置设计和操作。如能简化气体分析装置，则可解决顾客面临的许多困难
●设备的牢固性是能应付瞬息即变的过程条件和解决对探头和气体样品不利的灰尘荷载的强有力因素
●对设备的运转系数有利的气体分析装置可靠性。此可靠性可能会是自发性，从而带来更高的设备可靠性。
　
最新的技术
一旦确定了上述三个设备要求后，FLSmidth Airloq公司开始研制一种适用于窑进口端的新型探头。该设计考虑了实用性以及在全球各地操作气体分析设备的人员的平均能力。选择了空气炮或空气泡设计，这是因为其结构简单、牢固、可靠。如窑进口端气体分析装置能使用空气炮，则可满足上述三个设备需求。
　
结构简单
一支空气炮是由一个空气接收器、一个气阀和一条管组成。空气炮的作用是清除在窑内和预热器系统内积累的灰尘和物料。空气炮的效率甚高。新型探头名为KilnLoq，其结构类似空气炮，象“一条管”。为了确保其单管式结构能收集分析所需的气体样品，在管内截面设置了一个同轴过滤器，从而可沿着一条管抽取气样。此种独特的设计在等待专利发给见（图3）。

图3.使用了无阻障空气炮的KilnLoq探头结构图
鉴于窑进口端气体分析的性质，KilnLoq探头的管长达2.5m，比一支空气炮的管更长。由于钢的机械性能有限，不适宜用于窑进口端的工作条件，因此需要使用一个冷却装置。对所有可行的冷却介质进行的研究表明，因为使用和装填简单而且处理最安全，水是虽佳的介质。为了防止产生一个冷环境并防止在探头内产生冷凝，其中心取样管用电力加热到180℃。因为拥有一个全流量开关冷却系统和一个由pt 100（铂电阻）传感器控制的电加热气样管，所以此种设计被鉴定为达到预期的简单水平。

图4.可进行动力清洗的KilnLoq探头结构图
牢固度
空气炮的管身或管嘴是以能够应付高温及腐蚀性环境的特殊合金制造。为了确保拥有可靠的机械基础，KilnLoq探头也使用了同样的制材；其牢固度比其前身强八倍。比如与使用180℃油进行冷却的完全相同的探头系统相比，其牢固度高20％。对探头进行清洗可排除任何积累的物料，从而确保气体取样顺利无阻。只要单管式系统内的压力不降低，这种直长的单体管设计不会发生堵塞。
　
可靠性
水泥过程经验与能够提高运转系数的新的主动性措施的混合应用达到了可靠指标，从而确保窑进口端气体分析系统更可靠。在发生任何操作困难时，可使用一个抽取设备将探头移到一个安全的位置。该系统拥有主动性和检测出在探头周围或内部产生的物料积累的功能，并能自动排除这些积累物料。由于其单管式结构，因此可在一分钟之内对管的一端到气体取样进口端的整个长度进行全长检查（不须 进行任何拆卸作业）。这项工作对大部分探头装置来说须费时好几个小时。
　
总结
使用了设计简单、牢固及可靠的KilnLoq探头操作简易，犹如操作空气炮。此型装置将运转系数提高到窑进口端过程气体分析从未达到的水平。由于过程气体分析的运转系数高（>95％）并能提供可靠稳定的数据，因此可使窑炉操作取得全面的收益。除此之外，还有减排放、提高熟料质量的优势。KilnLoq探头得出的结果高达10-15kcal/kg探头的崭新技术使其成为在竞争激烈的市场角逐中任何一家水泥厂的必备工具。