一种气体在线分析仪的改进设计

一种在线气体分析仪的改进设计

摘 要：预热器出口气样条件变化会导致分析仪系统频繁故障不能正常运行，针对高含尘量、高含水率的气样条件，采取适当的措施和设计对现有的分析仪系统进行改造，以满足工业现场应用的需求。本文详细介绍了改进的原则、措施和采用气水脉冲管道冲洗技术的在线清洗装置原理和控制程序设计，最后对样气预处理的过滤器级配做简要讨论。

关键词：在线气体分析仪;气水脉冲;在线清洗;过滤器

0 前言

中东地区某项目5300t/d水泥生产线是由中材国际(南京)按先进工艺水平设计建造并承接生产运维业务的项目。该项目设计配备两套在线分析仪系统，一是用于窑尾烟室 CO、NOx、O2检测的高温气体分析仪;二是用于预热器出口CO、O2检测的常温气体分析仪。项目正常运行四年后，业主增加了城市生活垃圾燃烧系统，采用RDF(Refuse DerivedFuel的简称，即垃圾衍生燃料)燃料入窑协同处置相结合的技术，演变成为水泥窑协同处置城市生活垃圾生产线。

本文先对在线常温气体分析仪系统的组成、工作原理和系统单元特点作简要介绍，对水泥窑协同处置RDF-2类城市生活垃圾生产线的现场应用条件及工艺气样条件变化给在线分析仪造成的影响采取适当的设计和措施对现有的分析仪系统进行改造，再进一步阐述改进的原则和措施，并详细介绍了一种采用气水脉冲管道冲洗技术在线清洗装置的原理和控制程序设计，最后对样气预处理系统的过滤器级配进行简要的讨论。

1 气体分析仪的组成及功能

1.1 系统组成

预热器出口气体分析仪系统包括六部分：(1)取样单元，包括取样探头本体(带前端一级过滤器)、取样探头加热器、电加热取样管道、防护箱：(2)探头吹扫单元，包括可更换过滤器、压缩空气(氮气)吹扫装置;(3)样气处理单元，包括气体冷凝器、抽气泵、膜式过滤器、流量计、气路切换阀、气路控制电磁阀;(4)分析仪器;(5)分析仪器柜，包括电源供给、电源分配、PLC可编程控制单元等。采用SIEMENS的PLC可编程序控制器自动控制系统，在系统正常运行期间可对CO、O2的体积百分浓度进行自动、连续、准确、可靠的测量和分析，能连续提供CO、O2的4～20 mA标准输出信号，同时监测反吹压力、样气湿度、样气流量等报警信号，并据状态信号控制系统的采样、排水、探头吹扫、故障监测并处理等操作。

1.2工作原理

参照气体分析仪系统流程图1.当系统处于采样分析状态时，气体分析仪流程通常为：被测样气在抽气泵4的作用下进入采样探头和一体化伴热取样管线，在探头高精度过滤器18处进行一级过滤后，通过取样电磁阀5进入样气处理单元，在冷凝器2中进行除水干燥处理，样气流出时的露点在2～5℃，再通过三通排空电磁阀6和三通切换阀17.经报警膜式过滤器10精细过滤后，在浮子流量计15的调节下进入高精度HF过滤器13再次过滤，最终进入分析仪器1进行分析。系统中的冷凝水可以通过蠕动泵3以自动的方式排出分析柜。当系统处于吹扫状态时，吹扫流程为：压缩空气(氮气)气源通过手动球阀14.经过空气过滤器12的过滤后进入储气罐9.由三个吹扫电磁阀7组合控制，对取样探头/取样管线周期性地自动进行内外吹扫。

1.3 系统单元特点

气体分析仪系统具备高配置、高性能、高准确度的特点，符合水泥熟料生产对烟气连续监测的要求，其系统单元技术特点总的来说具有以下几点：

(1)恒功率电加热式探头和一体化采样伴热管，取样探头和伴热管线均具备自动恒温功能。恒温温度最高可达200℃，通常设置在150℃至180℃之间，保证样气温度高于结露点，防止水气凝结造成腐蚀和堵塞。

(2)PLC设定程序，自动定时吹扫取样探头及取样管路。通常对吹扫时间设置为5min一次，每次吹扫45s。吹扫时间不宜设置过长，以避免探头过度冷却而导致再次取样时样气冷凝。吹扫完成后，进入采样模式，抽气泵开始抽气，同时取样电磁阀和三通排空电磁阀动作30s，将采样管线中残留吹扫气体排出气路，这样缩短了气体分析的滞后时间，提高检测的准确性和降低了样气组分输出数值到中控的波动。

(3)膜式过滤器带有湿度报警，在冷凝器故障造成烟气湿度过大时，自动保护停抽气泵，停止采样，避免水分进入分析仪污染气室，同时发出报警信号，提醒维护人员及时检修。

(4)气体分析仪测量气室具有恒温加热功能达到烟气连续监测功能，避免微潮湿烟气进入气室结露影响分析结果。

(5)冷凝器配备单级冷凝装置，具有良好的除水效果。通常将温度控制设定在2～5℃左右，过低的设定会造成样气中冷凝水结冰堵塞气路，高于5℃则会大大降低冷凝效果，温度报警上限设置在8℃，玻璃冷腔中温度达到8℃以上时冷凝器输出冷凝器温度高报警，分析仪系统停止运行并输出报警信号。冷凝器同时具备良好的恒温功能，控制精度能达到租房、±0.5 ℃左右。

(6)样气流量计带有流量报警触点，当系统处于分析采样状态下，若样气流量计的浮球指示值15s内未达到预设低流量值(低于10L/h)，则系统发出样气流量低报警，采样分析将停止运行和输出报警信号。样气流量计设定范围在40～70L/h，一般设定在 60 L/h。

(7)吹扫压力监测，吹扫用气源设置一块报警压力表，当吹扫气源压力低于设定值时，仪表压力下限报警触点闭合(最小设定在0.4 MPa)，输出报警信号，系统停止运行。

2 分析仪在水泥窑协同处置RDF-2类城市生活垃圾的应用

2.1 应用中遇到的问题

由于其到场的垃圾未采用预处理分类工艺，只达到RDF-2类(美国ASTM，RDF Classification分类等级)，RDF热值低、成分繁杂、燃烧不稳定、含水率高，尤其是在雨季，使得预热器出口烟气中含尘量和水汽量大大增加，导致常温气体分析仪经常故障，不能很好的提供重油和RDF混合燃烧最终的烟气中CO、O2含量，不利于中控操作人员掌握煅烧过程信息，调节窑尾重油和RDF的喂料量。问题主要集中在以下两点：系统经常湿度报警;取样探头和取样管路易堵塞。

2.2 主要问题的原因及后果

(1)湿度报警。这是由于样气中水汽量比较大，比常规水泥窑预热器出口样气中的水分含量要高，而分析仪采用的是单级冷凝器，冷凝器中单级玻璃冷腔行程短，样气流速快，冷凝器对水分含量较高的样气除水效果不好，经常导致膜式过滤器滤纸湿润，膜式过滤器湿度报警指示灯亮起，系统停止运行，分析系统无法正常工作。特别在雨季时期，湿度报警和滤纸更换几乎天天发生，造成维护成本的提高，也让水分进入分析仪器气室中的概率大大增加。

(2)取样探头和取样管路堵塞。一般情况下气体分析仪的取样探头到系统分析柜的管路堵塞是由于样气或吹扫气源中粉尘和水分含量较大，或样气温度迅速下降使得样气结露而堵塞管路，或样气中的水蒸气变为液态水堵塞管道，需要检查样气及吹扫气源的质量，并检查样气管道的伴热情况。但本项目的情况却是预热器出口样气中水分和粉尘异常较大，导致探头上“湿泥”特别多，样气通过探头高精度过滤器后在较长较细的Φ6不锈钢管道中温度(预热器出口烟气在 300℃左右，采样管道最高温度保持在 180℃左右)和流速的双下降，而粉尘在气流变化和管路拐弯的地方就会发生沉降，逐渐沉降积攒最终导致取样管道的堵塞，在雨季的时候，取样探头和取样管道每天能发生堵塞三四次。同样粉尘沉降也发生在取样电磁阀中，样气过滤器中发现过滤器堵塞和水分凝结。

2.3 改进原则及措施

(1)在线气体分析仪系统的设计安装遵循三个原则：安全原则、保持样气组分原则、满足分析仪主机工作条件的原则。现场气体分析仪的改进措施应根据具体的应用条件、工艺气样条件的变化进行，同样也应该遵循这三个原则。

(2)样气中高含水率处理措施。更换冷凝器使用配备双级冷凝装置的冷凝器。在样气流速不变的情况下，样气在双级冷凝的玻璃冷腔中的时间和行程是原来的一倍，这样让高含水率的样气有充足的冷却凝结时间和过程。同时冷凝器配备双蠕动泵，及时自动地把样气中分离出来的水排出样气预处理系统，不会造成冷凝水积聚。

(3)增设在线清洗装置。在取样探头后端和采样电磁阀之间增加一套管路在线清洗装置，如图4对整体样气管路采用气水脉冲技术进行清洗。在吹扫系统的气路上增加一个分支气路和电磁阀20用作控制清洗气路，增加手动阀14、水过滤器26、水压报警压力表8、电磁阀21形成清洗水路，清洗用气和水在混合罐22中进行混合后，形成气水混流体对样气管道进行冲洗，在样气管道的下游增加一个三通电磁阀23用于对不同工作模式下气路路由的选择。在分析仪采样分析状态和吹扫状态下时，三通电磁阀23连接到取样电磁阀5的气路打开，取样电磁阀5根据分析/吹扫状态来打开/关闭(至排空)。在分析仪原有控制逻辑基础上增加清洗模式，在清洗状态时，三通电磁阀23首先打开至排水位置，为排放清洗后的气水灰渣混合物做好准备。根据不同的清洗阶段，“正反”利用气水脉冲技术控制电磁阀20和21将样气管路清洗干净。同时在取样电磁阀5的前端增加一个带自动排水功能的保护过滤器25.用于对样气进行二次过滤和样气的气水初步分离。在三通电磁阀23的后端增加一块带压力低限报警的数显压力表24.可用于现场显示采样过程中压力的大小。在采样分析状态时，当管路中压力低于设定的压力低限值时向系统报警。由于这块压力表装在分析柜和外部样气管路的分界处，很有利于判定堵塞发生在分析柜内还是分析柜外。例如在采样分析状态时，将样气管道的连接与分析柜分开，堵住分析柜采样管道进气口，此时抽气泵4对分析柜内样气输送管路进行抽气，当压力表24达到稳定值时，表示抽气泵4在分界处所能达到的最大负压和分析柜内抽气泵4前的样气输送管路的泄漏情况，记下这个压力值，当样气管路或者探头发生堵塞时，压力表24现场显示的数值会接近这个数值。同样，当压力表24显示的数值(负压值)大于这个数值而样气流量计15的浮球指示值又是正常时，泄漏很可能发生在分析柜内。因而分析柜内整体样气管路的泄漏情况可以通过压力表24和样气流量计15的浮球指示值来综合判断。

2.4 在线清洗装置的工作原理及程序控制设计

2.4.1 理论依据

气水脉冲技术是以压缩空气为辅助动力，以水为介质，通过向管道内间歇性供给大量压缩空气，利用空气的可压缩性使水和气的混合流体在管道内形成强烈的冲击力和振荡波，高速流动的混合流体冲刷管壁，将结垢和沉积物搅动剥离冲走，从而达到清洗目的，是基于二相流和三相流的相关理论。气水脉冲清洗理论主要内容如下四水渗透作用：水能渗入垢层之间的孔隙，并对垢层颗粒施加压力，当此压力大于颗粒之间的引力时，产生的裂纹将一步一步地扩散，由于脉冲不断产生射流以及剪切、压缩和水楔作用，因而使污垢产生裂缝、凹坑直至全部剥落。

脉冲理论：从水力学角度来看，破坏层流层对提高清洗效果至关重要，管道内的紊流程度随着雷诺数的增加而增强，这使管内形成冲击流型，而气水脉冲瞬间集中释放巨大能量，使水流紊动加强水流切应力加大，可不断促使管壁的生长环剥落。

水锤理论：气水混合条件，利用空气的可压缩性，使管道中的水流速度发生变化，形成水锤，对管壁造成强烈的冲击，以利于生长环的剥落。

水气弹状流理论：在管道内形成弹状流，它对去除管壁的附着物和管道内的沉积物起重要作用。三相流理论：水-气-渣。

三相混合，增大流体质量，共同作用于管壁附着物，使生长环更易剥落。

2.4.2 控制程序设计

分析仪在清洗状态时，取样电磁阀5打开至排空状态，三通切换电磁阀23切换到排水回路，样气管路的清洗主要分三个阶段完成：第一阶段“反向”利用气水脉冲技术：以压缩空气为介质，通过向样气管道内间歇性供给少量水，利用压缩空气强大压力和高速流速对管道进行吹扫。电磁阀20首先打开，向管道内提供6.0MPa压缩空气，进行吹扫，Ta1秒后电磁阀21动作Tw1秒，向管道内提供少量水，水被高速流动的压缩空气雾化，对管道中沉积干结的灰泥进行浸润、渗透和冲刷，电磁阀20打开Ta1秒后关闭Tp秒使压缩空气在管道中产生压力变化以产生振荡。阀组在整个第一阶段内反复循环动作直到该阶段结束。第一阶段阀组动作时序图如图5.

清洗第一阶段结束后进入第二阶段，第二阶段“正向”利用气水脉冲技术：以压缩空气为辅助动力，以水为介质，通过向样气管道内间歇性供给大量压缩空气，利用空气的可压缩性使水和气的混合流体在管道内形成强烈的冲击力和振荡波，高速流动的混合流体冲刷管壁，将结垢和沉积物搅动剥离冲走，从而达到清洗目的。电磁阀21首先打开，向样气管道内持续注入水流，样气管道内充盈水流后，电磁阀21打开Ta2秒后电磁阀20动作Ta2秒向管道内注入高压压缩空气，经过Tp秒后，再次打开电磁阀20使压缩空气进入采样管道。电磁阀20如此反复动作直到清洗的第二阶段结束。

清洗第三阶比较简单，只有电磁阀20动作，利用压缩空气对样气管道进行吹扫，把管道内残余的水渍吹扫干净。样气管道加装了一体化的伴热装置，且从采样点均匀向下倾斜布设的，第三阶段的吹扫时间充足，能全保证整个清洗程序结束后样气管道内清洁干燥无水分。

2.4.3 其他要点

清洗用水的供水报警压力表8：现场可根据供水压力情况设置压力下限报警值。当分析仪在清洗模式的第一、二阶段时，供水压力低于设定值时，系统会停止所在的阶段直接进入第三阶段完成吹扫，同时输出供水压力低报警信号，直到值班人员现场确认后进行复位。当压缩空气报警压力表8和供水报警压力表8都出现报警时，系统停止运行，同时输出双报警信号。

混合罐22：气水混合罐尺寸不需要太大，以利于气水在罐中快速混合形成混合流体，也保证在清洗的第三阶段内罐中残留水分的排空和罐体的干燥。罐体材质选用不锈钢，防止生锈，罐体低处设置一个排空阀，用于检查排空。

2.4.4 样气预处理系统过滤器的级配探讨

取样探头本体的一次过滤器滤芯采用碳化硅微孔陶瓷滤芯，外表面采用镀膜工艺。一般情况下，烟气中含尘量含水率不高时可采用2μm规格但在工艺气样条件变化后含尘量、含水率都较高的情况下，孔径过小，会导致抽气泵助力过大，同时更容易积灰积水，使过滤器表面“湿泥”很多发生堵塞，增加维护量。维护量的增加会导致探头密封圈垫、法兰和样气管道连接件密封性能变差，增加漏气的风险。一般分析仪系统的抽气泵没有设计过载保护，探头的渐进性堵塞会造成抽气泵的长时间过载而损坏。因此，结合当地气候条件和烟气中的气样条件，在旱季的时候，探头过滤器的滤芯选用5 μm规格，在雨季的时候，选用10μm规格。保护过滤器为二次过滤器滤芯，采用2μm规格，当滤芯积灰或者变色后及时更换，这一级过滤器是探头滤芯规格选大后的补偿，同时对烟气中的水分进行初级分离，减少冷凝器和膜式过滤器水分分离量。样气预处理系统各级过滤器级配见表1.

3 结语

根据工业现场应用条件、工艺气样条件变化，采用适当的措施和设计改进后的在线气体分析仪系统适应新工况，满足了现场运行需求，有利于减少设备的维护量、人工成本和备件成本，降低了项目的运营成本，同时有利于在线分析仪系统持续平稳的运行，为水泥窑协同处置城市生活垃圾生产线的生产运行提供有力的监测和操作控制依据。本文的改进措施与设计同样对具有高含尘量、高含水率烟气气样条件的气体分析仪系统具有参考意义。