高温高粉尘状态下气体分析解决方案（以水泥熟料制成系统烟室气体分析仪为例）

一、前言

高温水泥回转窑作为新型的水泥熟料煅烧工艺装备规模越来越大，其中分解炉、回转窑与冷却机是水泥熟料煅烧的重要组成部分。合理的控制二次风和三次风可以获得更好的煅烧结果，优化控制炉煤与窑煤、炉风与窑风是熟料煅烧的基础。对于回转窑尾部煅烧废气成分的实时监测可以为水泥熟料煅烧过程提供有效的控制依据。

二、现场情况

水泥熟料的煅烧过程是在回转窑内部完成的，煅烧温度高达1700℃左右，回转窑的规模一般在直径3-7米，长度40米-100米，燃烧器位于窑头（出料端），热风在高温风机的吸引下抽向窑尾（入料端）。为了能够使得物料快速分解和化合，生料制备过程中将物料按照比例磨成粉状。粉状物料在熟料制成的化学反应中主要处于悬浮或翻动状态，因此，回转窑煅烧过程中产生的废气夹杂着大量生料粉和少许腐蚀性气体。就回转窑窑尾烟室探测点而言，其内部运行情况如下：

温度：约1000℃-1300℃

生料灰浓度：约2000g/Nm³

气氛约：N2约78%，CO₂约18%，O₂约3%，NOX约0.1%，SO₂含量跟煤的特性有关

物料冲击大，有大块物料坠落

有腐蚀性气体（CL_-）

三、技术难点及解决方法

根据水泥回转窑的烟气分析装置特点，与普通的气体分析仪系统存在的主要差别就是取样环境不一样。烟室高温气体分析装置的取样需要解决以下问题：

1、耐高温：1300℃的直接灼烧，取样探针需要在1300℃的气氛中长期稳定使用。

2、耐腐蚀：烟室取样处气氛中主要的腐蚀性来自于CL-，SO₂气体和NO_X。

3、高强度：物料的冲刷结合高温氧化对探针的强度和耐氧化性能要求很高，容易氧化剥落和受压变形。

4、探入深度：取样探针需要探入回转窑内部，由于窑尾密封采用动态硬连接，窑尾处负压在200KPa左右，因此密封处的外部空气吸入会导致窑内气氛出窑后O₂浓度变化较大，对其它气氛的浓度影响较小。因此，为了确保氧浓度的准确性，取样探针需要探入回转窑内部。

5、耐粉尘：由于窑内气氛中的粉尘含量在2000g/Nm³左右，因此，探针的取样口很容易被堵塞，根据现有产品的探针使用情况，基本上在2分钟之内会被堵死。

6、结皮：取样探头在使用较长时间后，探头表面会被物料包裹形成较为坚硬的结皮，当取样探头需要退出炉膛时，会被结皮阻挡，卡死，进而会导致事故发生。

7、系统断电的恶性事故会导致取样探针损毁。系统遇到突然断电时，探针需要能够退出炉膛实现自我保护。

8、烟室正压带来的损毁，烟室正压时，窑内火焰和高温料粉会从探针与取样孔的缝隙喷出，烧毁系统设备。

综上所述，烟室高温气体分析仪需要克服这些难点才能够从窑内取出合格的检测样气。针对上述问题，解决方法对应如下：

1、采用耐高温冷却液强制循环冷却，外部换热器采用变频风扇，确保冷却液稳定在设定温度±2℃以内。探针采用耐高温材质不锈钢，即便干烧也不会在短时间变形或损毁。

2、耐腐蚀技术采用高温取样法，取样探针的冷却温度高于100℃，防止探针内部样气结露产生腐蚀性离子，另外，探针内部样气通道采用防腐不锈钢结合聚四氟乙烯管路与阀门，样气进入分析仪机柜时首先经过冷凝去除样气中的水份和腐蚀性离子，在经过一道吸附过滤器进入抽气泵，最后接入分析仪，确保分析仪使用寿命。

3、为了防止分解炉结皮坠落砸伤探针，系统采取两个办法，一是从材质和厚度两个方面入手加强探针的物理强度，避免大部分落料的侵害，二是在安装时选择的安装位置和安装角度尽量避开落料。

4、取样探针的探入深度达到3米以上，确保取样点位于回转窑窑口内部，确保取样的真实性。

5、对于高粉尘浓度环境的取样，采用三重方法。一是机械清堵（专利技术），二是探针内部直接过滤，三是定时反吹。说明：机械清堵不影响取样，反吹时停止取样。

6、取样探针表面结皮的处理采用三种方法，一是材料表面喷涂耐高温耐磨材料，降低结皮附着力；二是采用定时旋转的方法使得探针表面结皮自动脱落：三是在探针退出时采用进退结合，直线运动与轴向运动相结合的方式，确保探针退出炉膛。

7、当系统断电时，循环泵的失电会导致冷却系统停止，报警信号联动会启动传动气动马达，在储气罐储存气的驱动下，将探针退出炉膛。

8、回转窑不正常时，偶有正压现象发生，为防止高温火焰和窑灰从探针四周喷出，在取样口加装密封装置和遮挡装置，尽量减少高温物质喷出，即便喷出高温物质也被引导至无害的区域，不至于损坏设备。

以上所述8项解决措施，目前（除气动马达项）已经得到实用检验，从运行情况来看，效果良好。

四、系统介绍

1. 技术规格

DR-GACOYS1型烟室高温气体分析仪系统正常使用中需要供应电力和压缩空气。主要电力设备包括循环水泵（连续运行）、冷却风扇（间歇运行），检测仪表及电子元器件。压缩空气用于取样探针的反吹，清堵气缸、摆动气缸以及气动马达的运行。气动马达是在系统出现故障或人工操作推进或退出检测位时运行，每次推进或退出全程用气量约600L。系统正常运行时技术规格如下：

压缩空气：＞0.5MPa

消 耗 量：1.5Nm³/h

供电：380VAC

综合耗电量：最大3KW，最小1KW，平均能耗为2.0±0.2KWh

2. 系统说明

DR-GACOYS1型烟室高温气体分析仪系统由取样系统，冷却系统，就地控制柜，样气预处理与分析系统组成。取样系统由取样探头，传动机构，反吹装置，取样泵以及传动控制箱组成。冷却系统由换热器，水泵，水箱，传感器箱及电气控制箱组成。样气处理与分析系统由过滤器，传感器，冷凝器，自动标定装置，检测仪表及机柜组成。

1)  取样系统

取样系统是采用真空泵将烟室内部气体取出送入样气预处理与分析系统的系统装置。回转窑烟室具有粉尘浓度高，温度高，易结皮的特点。为了保障取样探头能够实现稳定的取样，取样系统具有自动退出的传动机构和自动清堵、压缩空气反吹功能。

取样探头

取样探头是样气抽取探入炉内的装置，采用中空两层耐高温合金材料制成，两层之间的腔体采用循环冷却液冷却，内筒为取样管。取样管内部装有自动清堵装置和过滤器。样气由前端进入内筒经过滤后的样气从尾部的样气出口排出。取样探头的外筒安装有链轮，在摆动气缸的驱动下可以进行90°摆动。冷却液的进出水口位于外筒末端，冷却液入口处安装有耐腐水管，将冷却液不断送入前端喷入内外筒之间的腔体，并充满腔体经由冷却液出口流出，形成闭路的循环系统。自动清堵装置安装于取样探头的末端的连接法兰，由三个内六角螺栓禁锢在取样探头末端的连接法兰上。清堵气缸杆为中空杆，前端由法兰连接清堵杆，后端连接样气出口。技术参数如下：

探入深度：3000mm-3500mm

探测管尺寸：φ110×4200mm

样气温度：＜1500℃

样气流量：1000l/h

粉尘浓度：2800g/m³

环境温度：＜1800℃（有冷却时）

传动机构

传动机构由传动总成，传动控制箱，反吹气罐，旋转气缸和预埋件组成。

传动总成以两根平行10号槽钢作为骨架，安装有齿条，导轨和传动小车，传动小车由上下各四个带有滚珠轴承的转轮，上面四个转轮与传动V型导轨接触，在该四个转轮的下方分别对应安装有四个压紧轮，防止小车脱轨。传动马达输出轴安装有驱动齿轮与安装于槽钢内侧的的齿条啮合。当传动马达旋转时，马达输出轴驱动齿轮带动小车受到齿条的反作用力实现前后运动。技术参数如下：

传动距离：4200mm（最大）

传动方式：蜗轮蜗杆+齿轮齿条

传动速度：约100mm/s，总行程约40s

连接方式：前端法兰连接，后端落地支架

承 载 力：≤500Kg

取样泵

取样泵是将炉内（或其它容器）样气抽出的专用隔膜泵，具有负压大，体积小的特点。取样泵的散热叶片转轮是开放式的，使用中应避免人体或其它物体触碰，防止受到伤害或损坏泵体。技术参数如下：

供电：220VAC±5%/0.6A

入口负压：50Kpa（最大）

出口正压：55Kpa（最大）

环境温度：-10℃-55℃

环境湿度：＜90%（相对湿度）

运行时间：最大20000小时（连续无故障不间断运行）

2) 冷却系统

冷却系统是为取样探头能在高温环境中长效运行的闭路循环冷却液强制冷却系统。冷却系统包括换热器、循环泵、水箱、传感器箱、电气控制箱、管道与阀门等。

换热器

换热器是用于冷却系统热量交换的装置。为了确保高温环境下进行气体取样探头的长效运行，采用循环冷却液对取样探头进行强制冷却。冷却液循环系统采用闭路循环方式，以提高环境适应性。根据环境温度采用相应的冷却液。冷却液由液体加压泵泵入取样探头后温度升高，高温的冷却液回流至换热器，由换热器冷却后再进入加压泵的入口，形成闭路循环冷却系统。

换热器由本体和风扇组成，采用负压冷却方式。

循环泵

循环泵为冷却液的循环提供动能，为高压离心泵。

供电：380VAC/1.0KVA

流量：＞3Nm³/h

流体温度：＜180℃

3. 就地控制柜

就地控制柜是系统控制中心，包括取样泵控制，传动机构控制，报警及联动控制，反吹控制等。就地控制柜有手动和自动控制两种模式。

4. 样气处理与分析系统

样气处理与分析系统是将取样装置输送过来的样气进行过滤，除水后送入检测仪表。样气的压力，流量等指标是反映取样系统稳定性的重要指标。通过在样气管路中加装压力传感器，流量计来检测样气的状态。系统由过滤器，传感器，冷凝器，自动标定装置，检测仪表及机柜等组成。

气体分析仪

红外气体测量原理基于气体分子具有特定的红外光吸收波段，采用单光束交变红外分析方法。一个红外光源被加热到约600℃。光源发出的光由光斩波器调制。红外光束通过测量气室，根据样气浓度而产生相应的衰减，然后采用聚光镜片将衰减后的光汇聚在红外传感器上，进而获得样气的浓度值。

红外法气体分析仪可以对NO_X，CO，SO₂等气体实现检测，是将样气抽入分析池进行检测的方法。非分散红外法仪器设计外壳是一台19″的4U标准机箱，前部面板安装有流量计和液晶显示屏。后部面板是电气接口和气路接口。技术参数如下：

检测范围：

CO：0-2-5%

NO_X：0-3000ppm

O₂：0-10-25%

测量精度：1ppm

预热时间：5min

自动标零装置

气体分析机柜内部带有检测仪表自动标零装置。针对检测仪表零点漂移的固有特征，为了保障低浓度组分的检测精度，检测仪表带有自动标零程序和指令输出。根据检测仪表的控制程序和输出的控制指令，设置自动标零周期。当自动标零程序启动时，输出的控制指令控制样气回路中的电动球阀，将样气关断，引入空气，进行测量仪器的零点标定，标定过程约5分钟。设置自动标零的周期一般为24小时。

手动标定装置

系统运行1年后，为了保证检测仪表的输出准确性，可以采用手动标定。手动标定分为零点标定（标零）、满量程标定（标满）和量程气标定。

样气传感器

样气传感器包括负压表，流量计，湿度计（选配）。取样泵采用负压抽取的方式将样气从炉窑中取出，由于炉窑中的高温，腐蚀，粉尘等对样气过滤器的影响，导致过滤器失效。

过滤器

样气过滤有五个部分组成，取样探头前级过滤器，取样探头后级过滤器，吸附过滤器，精密过滤器，水过滤器。

恒温冷凝器

样气中含有大量的水汽进入检测池以后会导致冷凝，冷凝水附着于光学镜片会导致光学镜片失去原有的性能，进而导致检测系统失效或故障。系统采用压缩机制冷恒温泠凝器对样气进行预处理，确保样气的湿度降低至10%（5℃时）。信号隔离与显示装置

五、气体分析系统设备清单

六、安装

七、维护

DR-GA系列气体分析系统应由受过供应商技术培训的专业人员进行维护与保养

DR-GA系列气体分析仪系统需要适当的维护与保养。