0 引言
在新型干法回转窑水泥生产线中，为判断窑内煤粉燃烧完全程度、燃烧过程中过剩的空气量以及为电收尘安全可靠运行提供控制信号，窑系统废气分析设备的配置必不可少，其中包括CO、O2含量分析仪，有的还配备NOx分析设备。目前各生产厂家基于红外辐射和热磁原理推出的CO、O2分析仪虽然都有较高的稳定可靠性，但它们都要求被测气体清洁、干燥、恒温、无腐蚀性、流量压力稳定，而实际烟气中则含有大量灰尘、水蒸气及各种有害气体成分，且温度达350～400℃，这就要求有一套与环境条件相适应的高效稳定的前处理装置，包括抽气取样、杂质过滤、降温脱湿、稳压稳流等过程。由于废气分析系统的稳定可靠性不仅影响到工艺操作参数的优化，还决定着电收尘运行的安全性，上述任一环节出现问题，都有可能造成安全事故，这也是目前水泥企业窑系统废气收尘设备投运率低的关键问题之一。我厂1000t/d水泥熟料生产线窑尾废气分析系统，1992年随主机设备一起从罗马尼亚引进，由于前处理装置及控制系统设计不完善，主要表现在气体管路堵塞现象严重，流量无法稳定，控制检测不完善，使自身及电收尘无法正常运行，严重影响周围环境，居民反映强烈。1993年7月试生产中因CO含量超标未及时停机，造成电收尘爆炸，致使全线停产检修15天。针对这种情况，我们与国内厂家合作，于1994年6月对其进行技术改造，4年多的运行证明，该装置设计合理，工艺过程周密完善，稳定可靠。
1 系统组成
分析系统的前处理装置设计为A、B两路取样管道，其流程如图1所示。通过电动球阀5、6切换实现两路轮流工作，从而有效地避免了在对取样管道进行吹扫清灰时无法分析废气成分造成的控制盲区现象；同时实现了互为备用，提高设备运转率。各组成部件的作用原理如下：
集灰腔转筒下部端盖
图1 烟气分析系统流程图
1、2.取样探头；3、4.电加热器；5、6.电动球阀；7.闸阀；8.油水分离器；9.减压阀；10.压力表；11.吹扫总闸；12、13.吹扫阀；14、15.排气阀；16.排气泵；17.泵前过滤器；18.负压监视压力表；19.取样泵；20.雾过滤器；21.稳压器；22.电子脱湿器；23.监视过滤器；24.手动三通切换阀；25.手动四通阀；26、27.分析仪；28.压力变送器；29.流量计
取样探头1、2是前处理装置中的关键部件，其所处环境的灰尘浓度达250g/m3(标况)左右，细度10～80μm，温度350～400℃，同时担负着第一级90%的灰尘过滤任务，它在一定程度上决定着前处理装置的性能。为适应环境要求，取样探头采用耐高温的不锈钢材料制成，其结构如图2所示。其中不锈钢丝网采用三层结构，中间由多层孔径60μm丝网层叠组成，内外层由孔径0.5mm丝网作支撑保护层。取样气体从废气管道进入大尘降室后，较大颗粒的灰尘被收集下来，然后经多层滤网将20μm以上的灰尘滤除，通过小尘降室的再次收集，90%左右的灰尘已被除去，在取样孔处可得到较清洁的高温取样气体。因大收尘室内部有直角部分，易于积灰，反吹时会残留一部分灰尘，拟在今后改造中将直角部分改为弧形，效果可能会更好。
图2 取样探头结构示意
为防止取样气体中的水蒸气冷凝，使未被滤除的灰尘聚集堵塞取样管，沿管壁设置了自动温控加热带3、4和定时自动吹扫装置。电动球阀5、6为工作管道提供通路，同时在吹扫管道时将压缩空气与取样气体隔离。用于吹扫管路和取样探头的压缩空气经手动闸阀7、油水分离器8、气体减压阀9后接至吹扫总阀11，通过吹扫阀12、13按一定时序对A、B管路进行吹扫。为保证取样气体的实时性，在管路切换前要将滞留管内的吹扫空气从取样管内抽出，并使取样管充满取样气体，它是通过阀14、15及排气泵16完成的。泵前过滤器17主要是粗滤取样气体中的水分和灰尘，带上下限电接点的负压表18用于检测管道的工作状况，当负压高于设定值(－10kPa)时，控制系统会因该路堵塞而自动换至另一路，同时对上路进行吹扫。19为取样泵。雾过滤器20对取样气体中的水分及杂质进行精滤。水封稳压器21用于稳定雾过滤器之后管道中的气体压力和流量，使其不受窑系统负压波动的影响，同时放空一部分样气，以减少分析滞后时间。电子脱湿器22由一组半导体致冷元件、温度检测控制电路和电源组成，它可将出口气体温度控制在4±1℃范围内，并除掉取样气体中的水蒸气，以满足分析仪要求。至此，可得到干燥、清洁、恒温、恒压、流量稳定的取样气体。监视过滤器23用于监视取样气体净化质量，如灰尘和水分超标，其内装的白色滤纸将变色，提醒维护人员及时处理。手动三通阀24用于取样气体和标准气体的切换，以实现分析控制或仪器标定。压力变送器28用于监测进入分析仪的气体流量，量程为0～3000Pa，输出4～20mA电流信号接至带上下限报警接点的电流表，其工作原理是：通过反复调节三通阀24和转子流量计29的调节阀，使气体流量为规定值(45L/h)时，对应的压力为1500Pa，从而使流量与压力间建立对应关系。当气路发生堵塞或严重漏气时，气体压力将小于下限(1000Pa)值或大于上限(2000Pa)值(对应流量小于30L/h或大于60L/h)，通过电流表接点和控制机构使电收尘停运，并发出报警信号。
CO分析仪26向外输出0～50mV和4～20mA两路信号，分别供给带机械接点的记录仪和中控室PLC使用。当CO含量超出报警设定值0.6%时，中控PLC发出报警信号，至控制设定值1%时，现场记录仪接点和中控PLC对应的输出点动作，任意一路都可使电收尘停运，同时声光报警。O2分析仪27输出4～20mA信号，供中央控制室显示、记录用。
2 各部件动作时序及其实现
2.1 动作时序
按系统设计，A、B两路轮流工作，每2h换路一次，4h为一个循环周期，其中包含6个步骤。
系统上电后，球阀5打开，置A路为工作管路，气体通过A路进入分析单元(经2h后切换至B路)。延时10s，反吹总阀11打开，再延时2s后吹扫阀13打开，由于球阀6关闭，压缩空气自内向外对管道及探头进行吹扫。为提高吹扫效率，阀13采用脉冲方式动作，即工作10s，关断2s，一个吹扫过程循环10次(2min)，结束后，关断阀11、13。在切换B路前150s时，阀15打开，排气泵16运行，将B路管道内的空气抽出，并使取样气体充满管道，为切换作好准备。运行148s(留下2s作为泵、阀门关闭时间)后，停运排气泵16，关闭阀15，经2s延时，球阀6打开，球阀5关闭，置B路为工作管路，再经10s，吹扫总阀11打开，延时2s后，吹扫阀12脉冲动作，依B路吹扫、抽气时序进行，使A路在切换前2s处于备妥状态，2h后A路运行，从而实现两路轮流工作。
上述是在正常情况下的工作时序，当管路在工作周期内严重堵塞负压高过设定值时，通过负压检测压力表18，系统还设计了自动换路逻辑。但为防止因工艺系统负压超限使两路循环切换造成设备损坏，设计中规定负压超限时只能由B向A单方向切换，切换完成后和正常换路时序一样对B路吹扫、排气，以备下次循环使用。
2.2 控制逻辑的实现
为适应现场高温高粉尘等恶劣环境，我们选用日本三菱F1－30MR小型PLC作为控制器，输入使用2点，输出使用9点。它与外围设备的接线如图3所示。
图3 PLC外围接线图
图中，Q为双联自动空气开关，K1为复位开关，用于临时检修设备，K2为负压监测压力表18的报警接点，K3、K4分别为流量监测上下限报警接点，K5为CO浓度记录仪中的1%报警接点，这三个条件中的任意一个不满足，都将使电收尘关断，并声光报警。继电器KM的常开点串接于电收尘的“允许开机”控制回路。
3 运行经验
1)双路结构设计虽较国内目前广泛使用的单路取样管初期投资大，但运行中有许多优点。首先是安全性，它消除了控制盲区；其次是可互为备用。当一路发生故障时，可采用强制方法，使故障路停运，在不影响系统工作的情况下从容处理问题，有效提高运转率；第三是通过对比方法可及时发现管道漏气问题。在数米长的取样管道上，90%区段呈现负压，任一连接处出现漏气，都会造成CO浓度分析结果明显降低，以致于发生事故，而采用双路结构，便可从O2浓度记录仪中观察一个工作循环周期里是否存在规律性地一路持续偏高，而另一路偏低现象，继而根据工作时序找到故障管路并及时处理。用此方法也可很方便地发现排气、吹扫部分的故障。
2)气体取样泵应有足够的工作流量，以保证取样气体在废气到达电收尘前进入分析仪，同时为水封稳压器正常工作提供必要条件。
3)从分析仪到电收尘的允许开机控制回路至少应有两条，任一路动作都可使电收尘停运，如为继电器线路，应使用常开接点，并定期试验其动作可靠性，以确保设备安全。
4)原设计两取样管道的换路间隔时间为半小时，为延长设备寿命，减少维护量，经多次探索试验后，认定间隔2h更为合理，至今已稳定运行一年多。
通过上述改造及逐步完善，我厂因分析设备造成的收尘系统故障率已由原来的基本无法投运降至目前的1%以下，加之电收尘的备用功能，整个收尘系统的投运率已达96%左右，收到了良好的社会和经济效益。
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