炭黑尾氣鍋爐氧化鋯分析儀改進方案探討法

周家兵，李偉，李慎永

(山東耐斯特炭黑有限公司，山東 東營 257506)

炭黑生產(chǎn)所使用的原料油系列中煤焦油、炭黑油、乙烯焦油等均含有硫離子，原料油在炭黑反應(yīng)喉管段裂解反應(yīng)時生成硫化氫和二氧化硫進入炭黑煙氣中，當這些含有硫離子氣體被送至尾氣鍋爐燃燒時會被氧化成三氧化硫，三氧化硫會與炭黑尾氣中的炭黑粉塵、空氣中的固態(tài)物質(zhì)、炭黑煙氣中的其它金屬及非金屬離子凝結(jié)成固態(tài)物質(zhì)，對氧化鋯分析儀導(dǎo)流管造成堵塞。同時炭黑尾氣中含有較高的水蒸氣（體積比40%），混合氣體物質(zhì)流過導(dǎo)流管在氧化鋯的鋯頭附近冷卻形成明水，明水與固態(tài)物質(zhì)混合同氧化鋯頭接觸，導(dǎo)致氧化鋯電動勢對地，致氧化鋯測量失敗。

通過對雙組份氧化鋯分析儀結(jié)構(gòu)研究，以及對炭黑尾氣鍋爐工藝流程、介質(zhì)內(nèi)部流動動態(tài)等多方面分析，提出雙組份氧化鋯分析儀改造與安裝優(yōu)化方案，提高雙組份氧化鋯分析儀使用壽命及測量穩(wěn)定性。該方案起草與設(shè)計完成后與廠家工程師密切溝通稍作修改定稿，廠家按照最后主題思路進行完善設(shè)計制造，約一個月后發(fā)貨我方，我們擇機上線安裝調(diào)試投運，截止目前改造后產(chǎn)品在線安裝運行約一年，經(jīng)過一年的使用驗證，效果良好，達到了預(yù)期效果，實現(xiàn)了雙組份氧化鋯分析儀測量精度要求以及可靠性保證。經(jīng)過本次改造后該儀表系統(tǒng)運行使我公司75 t鍋爐安全可靠性得到提高，提升了鍋爐燃燒效率，降低了氮氧化物的產(chǎn)生量，降低了脫硝工藝的運行成本，達到鍋爐運行最大效益。

1 改造方案

1.1 改造前的現(xiàn)狀

炭黑尾氣含有可燃燒的H2，CH4、CO等物質(zhì)，約占總體積含量的20%左右（干基），熱值在600～650 kcal/Nm3，被輸送到尾氣鍋爐燃燒，產(chǎn)生蒸汽發(fā)電或直接外供熱能。燃燒后成產(chǎn)物為CO2、H2O等無害氣體，尾氣經(jīng)過脫硫脫硝處理后經(jīng)大氣監(jiān)測達標送入大氣排放。

尾氣鍋爐通常采用雙鍋筒橫置式“Π”型設(shè)置，自然循環(huán)水管鍋爐系統(tǒng)，膜式水冷壁。尾部豎井與鍋爐爐膛之間布置上下鍋筒和對流管束。鍋爐蒸發(fā)量主要根據(jù)炭黑尾氣量大小以及尾氣熱值確定，出口蒸汽壓力根據(jù)各實際要求選擇。控制系統(tǒng)采用DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)連鎖與自動控制，工藝流程如圖1所示。

圖1 尾氣鍋爐工藝流程圖

上鍋筒安裝不少于2只彈簧式安全閥，過熱器出口集箱上安裝1只彈簧安全閥，上鍋筒安裝雙色液位計，石英管液位計，兩只電接點液位計，兩套雙室平衡式水位計監(jiān)視汽包液位，檢測控制鍋爐給水流量以及控制閥、減溫水流量以及控制閥、尾氣流量、空氣流量監(jiān)測與控制閥，以及必要的安保控制系統(tǒng)等；在過熱器、爐膛、集氣集箱、省煤器進出口、空氣預(yù)熱器進出口等均安裝溫度測點。

在燃燒過程中，為了提供合適的燃燒空氣量滿足充分燃燒、達到最佳的燃燒效率，公司選用三套氧化鋯分析儀在線監(jiān)測鍋爐燃燒后的氧含量，控制燃燒效果，其中兩套分布在2+2燒嘴后部（俗稱高溫區(qū)400℃），檢測燃燒后氧含量；一套用在煙氣經(jīng)過空冷后部（俗稱低溫區(qū)）檢測混合氣體氧含量，判斷燃燒混合后煙氣含氧量，判斷燃燒狀況以及爐膛空氣預(yù)熱器運行狀況。另采購一套（氧含量+CO）雙組份分析儀安裝在引風(fēng)機進口處，此處壓力為真空狀態(tài)，監(jiān)測鍋爐出口煙氣氧含量以及CO含量，起到檢測鍋爐運行情況以及真空狀態(tài)后部泄漏情況，實現(xiàn)節(jié)能、低氮、安全燃燒作用。DCS流程PID截圖如圖2所示。

圖2 DCS流程PID截圖

1.2 改造前存在的問題

在75 t鍋爐上，共采用3臺氧化鋯分析儀，1臺雙組份分析儀，3臺氧化鋯分析儀產(chǎn)自深圳市朗弘科技有限公司，雙組份分析儀為蘇州蘭煉富士儀表有限公司產(chǎn)品。

深圳朗弘兩臺氧化鋯分析儀安裝在鍋爐上級省煤器進口處，運行溫度為400 ℃左右，水平安裝，運行良好；第三臺安裝在引風(fēng)機出口管道上，運行溫度150 ℃，垂直安裝，運行良好。

蘭煉富士雙組份氧化鋯分析儀安裝位置在引風(fēng)機進口，水平安裝，運行溫度為170 ℃。

雙組份氧化鋯分析儀在系統(tǒng)投產(chǎn)后運行約2個月左右出現(xiàn)示值與朗弘分析儀顯示值明顯差異，隨著時間的延長，雙組份氧化鋯分析儀不再正常顯示數(shù)值并提示報警。下線后發(fā)現(xiàn)整根導(dǎo)流管從傳感器到導(dǎo)流管被分三段：保溫段、爐磚段、介質(zhì)接觸段（圖3）。

圖3 氧化鋯分析儀探頭下線狀況

通過分析認為存在以下異常：

（1）整個導(dǎo)流管外壁有結(jié)晶，與介質(zhì)接觸導(dǎo)流管末端最嚴重，結(jié)晶堵塞部分導(dǎo)流管進口；

（2）導(dǎo)流管內(nèi)部有結(jié)晶附著，但不嚴重；

（3）拆卸后氧化鋯探頭有明顯的積水，見圖3。

1.2.1 原因分析

炭黑生產(chǎn)原料油中含微量有機或無機硫，在燃燒及裂解過程中部分生成硫化氫或二氧化硫進入炭黑尾氣，尾氣被輸送至鍋爐燃燒后，硫化氫及二氧化硫被氧化成了三氧化硫，二氧化硫、三氧化硫遇水及金屬離子產(chǎn)生亞硫酸與硫酸及其鹽。亞硫酸、硫酸對設(shè)備、管道造成腐蝕，部分硫酸鹽或亞硫酸鹽蒸汽通過導(dǎo)流管凝結(jié)成固體附著在傳感器上，同時導(dǎo)流管導(dǎo)流煙氣將水蒸氣帶入氧化鋯探頭處并遇冷冷凝出明水（氧化鋯探頭位置在爐膛外部，運行溫度在60 ℃左右，如果溫度低于60 ℃電加熱輔助加熱），由于酸性液體導(dǎo)電率高，對氧化鋯探頭測量信號對地造成短路，致使測量產(chǎn)生誤差，直至無法測量。

1.3 改善措施

（1）提升雙組份分析儀探頭部位運行溫度，減少結(jié)晶物附著，延長導(dǎo)流管的長度，將導(dǎo)流管長度從0.8 m延長到1.5 m，在爐膛燃燒后的廢氣經(jīng)過換熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器等換熱后，大部分密度重的物質(zhì)順著鍋爐爐壁流動，特別是雜質(zhì)會在爐壁聚集。延長導(dǎo)流管后能避開爐壁附近雜質(zhì)聚集區(qū)，同時能夠攝取較高溫度的煙氣，提高進入導(dǎo)流管后部儀表探頭測量部位運行溫度，降低凝結(jié)水產(chǎn)生的幾率；同時延長導(dǎo)流管的長度的第二個目的如下：鍋爐內(nèi)部煙氣流速越往中間位置流速越高，壓頭越高，則煙氣進入導(dǎo)流管的速度大，進入儀表探頭部位煙氣量大，流速越高，溫度也高，克服了冷凝有明水的弊病。

（2）加大導(dǎo)流管直徑：從目前的DN50調(diào)整為DN75，增大煙氣在測量管中流量與流速，克服低流速廢氣產(chǎn)生冷凝水凝結(jié)幾率，降低或解決蒸汽不冷凝的問題。

（3） 修改安裝方式：調(diào)整安裝角度，原先安裝規(guī)范要求水平或者垂直安裝，由于鍋爐安裝位置只能水平安裝，存在冷凝水后不能及時排出造成冷凝水集聚，改造后新安裝方法是傾斜安裝且與爐壁成30°的夾角，如果存在冷凝水則因為重力原因自行流淌排出，解決冷凝水聚集問題。

（4） 在導(dǎo)流管進口處增設(shè)過濾網(wǎng)：在導(dǎo)流管進口加過濾網(wǎng)，過濾明顯的固體物質(zhì)不進入導(dǎo)流管。

改進后的安裝圖，見圖4。

圖4 改進后的氧化鋯安裝圖

1.4 改造的效果

整個改造思路均結(jié)合生產(chǎn)工藝以及工藝介質(zhì)運行特點進行，非常有行業(yè)特點，廠家在選型時往往是采用通用原則進行設(shè)計與選型，沒有對具體運行環(huán)境做深入有針對性的設(shè)計，經(jīng)過近一年的運行目前該儀表運行穩(wěn)定，與深圳朗弘氧化鋯分析儀參數(shù)有對比性，儀表運行良好，達到了預(yù)期的效果。

2 結(jié)論

分析此次出現(xiàn)異常的原因，我們認為有如下幾點：

（1）儀表廠家在儀表制造選型時未完全根據(jù)提供的技術(shù)規(guī)范書要求，也未結(jié)合使用單位的工況條件以至于儀表無法長時間正常工作。

（2）儀表廠家不熟悉炭黑生產(chǎn)工藝的特點，不了解炭黑尾氣鍋爐的工況及炭黑尾氣的特性。

（3）儀表生產(chǎn)廠家未考慮利用使用方介質(zhì)運行溫度，僅通過電加熱器實現(xiàn)探頭運行溫度。

通用改進的措施與建議：

（1）加長、加粗導(dǎo)流管，有效地將爐膛內(nèi)高溫?zé)煔鈱?dǎo)入導(dǎo)流管，減少水蒸氣的凝聚，也減少了固體凝結(jié)物聚集。

（2）導(dǎo)流管口處增設(shè)過濾網(wǎng)，防止固體異物及凝結(jié)物進入導(dǎo)流管。

（3）導(dǎo)流管設(shè)計時讓被測氣體流經(jīng)測量探頭后一段距離（10 cm）可直接取消，越短越好，無需加工與進氣管一樣長（本案未做改進）。

（4）傾斜安裝讓存在的明水自流流出。

（5）有針對性對于介質(zhì)抗腐蝕性選型。

本文是經(jīng)驗介紹，也是拋磚引玉，我們通過以上的改進措施，極大地改進了原雙組份分析儀設(shè)計方案，修正該儀表在炭黑行業(yè)尾氣鍋爐中應(yīng)用，也為同行業(yè)提供經(jīng)驗分享，通過與廠家緊密協(xié)作，發(fā)揮各自專業(yè)優(yōu)勢，生產(chǎn)出符合不同使用條件下的儀表，提升儀表的使用壽命以及測量準確性。

3 經(jīng)濟效益和社會效益

（1）通過對我公司雙組份氧化鋯分析儀的設(shè)計改進，提高了儀表測量準確性，保證該測點在該位置正常測量，確保鍋爐各參數(shù)正常運行。

（2）通過改進能夠幫助儀表生產(chǎn)企業(yè)在將來的產(chǎn)品選型以及設(shè)計制造上提供合作思路，甲乙方合作打造經(jīng)典產(chǎn)品。

（3）解決炭黑行業(yè)尾氣鍋爐氧化鋯（雙組份）分析儀選型與制作的思路，促進行業(yè)進步。

（4）正確的測量數(shù)據(jù)能夠指導(dǎo)生產(chǎn)工藝人員正確生產(chǎn)，達到在保證氮氧化物合格前提下最優(yōu)化生產(chǎn)運行，節(jié)約能源以及二次脫銷流程產(chǎn)生的費用，提升工廠的經(jīng)濟效益。

（5）優(yōu)化燃燒，降低氮氧化物產(chǎn)生，維護大氣質(zhì)量，為綠色環(huán)保做出貢獻。