KilnLoq探頭在水泥生產過程中的應用

簡介
丹麥FLSmidth Airloq公司的Karsten Brink Floor在本文中強調了可靠的氣體分析的重要性，并介紹了最近推出的KilnLoq探頭。
氣體分析在水泥生產過程中分兩個不同的工段進行。最初是在窯進口端和預熱器出口之間的工段進行的過程氣體分析。第二項分析是亦稱為“連續廢氣監測”（CEM）的煙道排氣分析。到最近為止，對水泥行業而言，過程氣分析是唯一能帶來生產成本效益的氣體分析。煙道排氣監測作業經常僅是為滿足本地有關當局法定要求而已。水泥行業的看法是，過程氣體分析能給水泥生產過程提供聯機信息，而排放氣體分析僅是有限數量的氣體組成的最終含量的記錄。
在當今競爭越來越激烈的市場角逐中，水泥廠更需要可靠的氣體分析。水泥作業線生產率的上升，主要是石油焦炭和廢物等替代燃料的普及是激發這項需要的原因。這種情況導致了一些水泥生產商開始理解過程氣分析與排放氣體分析之間的關系。因此，現代水泥工業中的佼佼者都配備能執行以下任務的設備：
●窯進口端氣體分析；
●煅燒爐氣體分析；
●預熱器排氣分析；
●煙道氣體分析；
●排放報告；
●以爭CO2量來評估水泥生產作業；
●生產/排放評估與計算；
●氣體分析作業的凈成本收益；
必須對氣體分析數據進行的匯報、記帳及評估使得作業更復雜。排放報告本身并非新任務，但一般而言全球各地的大部分報告現在要求更具體化；比如需要符合本地法規要求，要就其提供細節的氣體組分的數量更多。按照WBCSD協約引進的凈CO2量計算體制，是一種能計算來自所有水泥生產作業的溫室氣體的CO2排放總量的參照方法。此方法是可對各作業方法的變化及改進進行比較的工具，并能提供稱作“年協作綠色／持續性報告”的數據。對許多投資者來說，這些因素是一座現代水泥廠的應具備的一些關鍵績效指標。因此它對一個水泥生產商來講有著重大的經濟意義。其重要性從各大型跨國水泥生產商的網頁上可見一斑。排放氣體分析的結果并不一定容易通過過程模擬裝置等過程專家培訓站的使用來變換成有益的操作方法。所以，對煙道氣分析的重要性減輕了，而且操作方法與排放值之間的相互作用也予以了校正及優化。

圖1.用于過程分析的KilnLoq探頭
過程條件
直到最近為止，水泥工業一般認為氣體分析及其收效不大，尤其是高溫窯進口端氣體分析。原因是經常發生的設備可靠性問題。嚴竣的過程條件和變化多端的環境是一般困難的起因。常規式氣體分析設備的復雜程度還為測控系統的人員帶來棘手的操作及維修問題。維修人員和窯爐過程操作人員均認為不可靠的儀器會牽制設備運轉時間，故此經常放棄使用氣體分析設備。用戶們不相信氣體分析系統值得使用。由FLSmidth Airloq公司進行的一項調查表明，在全球范圍內過半的在運轉中的干法水泥窯沒有一個操作正常的窯進口端氣體分析系統。這種系統大部分僅是為滿足窯爐供應商的要求安裝而已。
分析系統故障
以下是高溫窯進口端氣體分析系統的典型故障原因：
●探頭取樣口被原材料堵塞
●探頭內部取樣管被原材料堵塞
●探頭過濾器被原材料堵塞
●探頭彎曲
●氣體取樣泵及調節設備被污染
●氣體分析裝置被污染
●缺乏主動性維修計劃
●缺乏零備件
●缺乏培訓以及對過程與氣體分析作業之間的相互作用的理解


圖2.維修簡單,不需進行任何拆卸,可從尾管的入口進行
故障原因可劃分兩種：與設備或與使用者有關。任何用于窯爐的氣體分析設備必須能應付由腐蝕性高及礦物活性高的過程氣產生的極端條件（包括溫度、灰塵、原材料荷載、污染等條件）。用戶們也有一定的責任：保護他們對分析設備的投資，并最大限度地利用分析結果以最低的排放量來有效地生產水泥。FLSmidth Airloq公司對使用一種計算工具來評估運營窯進口端氣體分析的成本效益并突出長期運營這些裝置的優勢的工作擁有經驗。一般而言，一套尖端的高溫氣體分析系統的投資回收期為200天以下。迄今仍沒有氣體分析裝置供應商能成功開發出一種不需維修的系統。運轉系數最佳的系統是一個既能解決設備問題，又能協助顧客履行有關義務的解決方案。該公司針對窯進口端氣體分析問題的一般起因進行的研究表明，任何分析系統的最終運轉系數，也即是指設備的成功，取決于設備的三種質量。
●有助于理解和維修的簡單的分析設置設計和操作。如能簡化氣體分析裝置，則可解決顧客面臨的許多困難
●設備的牢固性是能應付瞬息即變的過程條件和解決對探頭和氣體樣品不利的灰塵荷載的強有力因素
●對設備的運轉系數有利的氣體分析裝置可靠性。此可靠性可能會是自發性，從而帶來更高的設備可靠性。
　
最新的技術
一旦確定了上述三個設備要求后，FLSmidth Airloq公司開始研制一種適用于窯進口端的新型探頭。該設計考慮了實用性以及在全球各地操作氣體分析設備的人員的平均能力。選擇了空氣炮或空氣泡設計，這是因為其結構簡單、牢固、可靠。如窯進口端氣體分析裝置能使用空氣炮，則可滿足上述三個設備需求。
　
結構簡單
一支空氣炮是由一個空氣接收器、一個氣閥和一條管組成。空氣炮的作用是清除在窯內和預熱器系統內積累的灰塵和物料。空氣炮的效率甚高。新型探頭名為KilnLoq，其結構類似空氣炮，象“一條管”。為了確保其單管式結構能收集分析所需的氣體樣品，在管內截面設置了一個同軸過濾器，從而可沿著一條管抽取氣樣。此種獨特的設計在等待專利發給見（圖3）。

圖3.使用了無阻障空氣炮的KilnLoq探頭結構圖
鑒于窯進口端氣體分析的性質，KilnLoq探頭的管長達2.5m，比一支空氣炮的管更長。由于鋼的機械性能有限，不適宜用于窯進口端的工作條件，因此需要使用一個冷卻裝置。對所有可行的冷卻介質進行的研究表明，因為使用和裝填簡單而且處理最安全，水是雖佳的介質。為了防止產生一個冷環境并防止在探頭內產生冷凝，其中心取樣管用電力加熱到180℃。因為擁有一個全流量開關冷卻系統和一個由pt 100（鉑電阻）傳感器控制的電加熱氣樣管，所以此種設計被鑒定為達到預期的簡單水平。

圖4.可進行動力清洗的KilnLoq探頭結構圖
牢固度
空氣炮的管身或管嘴是以能夠應付高溫及腐蝕性環境的特殊合金制造。為了確保擁有可靠的機械基礎，KilnLoq探頭也使用了同樣的制材；其牢固度比其前身強八倍。比如與使用180℃油進行冷卻的完全相同的探頭系統相比，其牢固度高20％。對探頭進行清洗可排除任何積累的物料，從而確保氣體取樣順利無阻。只要單管式系統內的壓力不降低，這種直長的單體管設計不會發生堵塞。
　
可靠性
水泥過程經驗與能夠提高運轉系數的新的主動性措施的混合應用達到了可靠指標，從而確保窯進口端氣體分析系統更可靠。在發生任何操作困難時，可使用一個抽取設備將探頭移到一個安全的位置。該系統擁有主動性和檢測出在探頭周圍或內部產生的物料積累的功能，并能自動排除這些積累物料。由于其單管式結構，因此可在一分鐘之內對管的一端到氣體取樣進口端的整個長度進行全長檢查（不須 進行任何拆卸作業）。這項工作對大部分探頭裝置來說須費時好幾個小時。
　
總結
使用了設計簡單、牢固及可靠的KilnLoq探頭操作簡易，猶如操作空氣炮。此型裝置將運轉系數提高到窯進口端過程氣體分析從未達到的水平。由于過程氣體分析的運轉系數高（>95％）并能提供可靠穩定的數據，因此可使窯爐操作取得全面的收益。除此之外，還有減排放、提高熟料質量的優勢。KilnLoq探頭得出的結果高達10-15kcal/kg探頭的嶄新技術使其成為在競爭激烈的市場角逐中任何一家水泥廠的必備工具。