Газоотборный зонд ProKiln

В последние годы в цементной промышленности наблюдается значительный рост использования альтернативного топлива.

Хотя эти виды топлива во многих отношениях выгодны, они представляют новые проблемы для газоанализирующего оборудования на входе в цементную печь. Газоотборный зонд четвертого поколения ProKiln от компании ABB помогает преодолеть эти проблемы.

Имея более чем 30-летний опыт и поставив более 600 систем для обжига по всему миру, компания ABB является лидером на рынке по предоставлению газоанализаторов для цементных заводов. Эти анализаторы незаменимы для этого применения, поскольку они играют решающую роль в обеспечении оптимальной эффективности работы, соблюдении экологических норм и эффективном использовании топлива и сырья.

Системы анализа устанавливаются на входе в цементную печь для контроля и анализа состава газов, поступающих в процесс производства цемента, предоставляя операторам ценную информацию об эффективности сгорания и уровнях выбросов.

Контролируемые газы включают кислород (O₂), диоксид углерода (CO₂), оксиды азота (NOx), диоксид серы (SO₂) и оксид углерода (CO). Например, концентрации O₂ на выходе используются в качестве своего рода лямбда-датчика для помощи в настройке рабочих параметров печи. Измерения CO, как еще один пример, указывают на дефицит или избыток O₂ в процессе и дают раннее предупреждение о развитии потенциально взрывоопасных условий, особенно при запуске или остановке или в условиях дисбаланса процесса.

Суровые условия на входе в печь исключают использование оборудования на месте, поэтому доминирующие коммерчески-доступные устройства полагаются на конструкции извлечения образцов.

Однако, внедрение новых процессов и добавок и, все чаще, альтернативных видов топлива и сырья (AFR) подвергает зонды извлечения образцов предельным испытаниям.
Наиболее серьезным пагубным эффектом является образование накипи на поверхности зонда и в зоне забора образцов. Проваливание материала в стояке печи также стало более частым, что увеличивает риск повреждения зонда.

С увеличением использования AFR (некоторые заводы могут использовать до 95 процентов AFR) полное сгорание может быть более сложным, чем при использовании обычного топлива. Кроме того, из-за большего веса и более сложного состава AFR он более склонен падать и гореть при прямом контакте с материалом слоя печи, вызывая локальные неблагоприятные условия или повреждения. AFR также может увеличить количество испаряемых летучих компонентов в печи. Эти факторы делают надежный отбор проб газа все более необходимым.

Запатентованный зонд ABB ProKiln является ответом на проблемы, созданные этими новыми условиями процесса.
Зонд, разработанный в сотрудничестве с FLO2R, датской компанией с давними и глубокими знаниями в области измерения на входе в печь, фокусируется на более мощном режиме очистки зонда и повышенной механической прочности.

Чистый и надежный отбор проб

Основной компонент ProKiln — это водоохлаждаемый зонд длиной 3 м с экстрактивным фильтром на конце отбора проб.
Два мощных воздуходувных устройства, которые продувают до шести внутренних труб (для снижения перепада давления — ключевого требования к конструкции), обеспечивают поток пробы и очистку.

Зонд установлен на тележке, работающей на втягивающем устройстве. Предусмотрено отказоустойчивое устройство для извлечения зонда в случае сбоя питания (для установок без источника бесперебойного питания включен дополнительный пневматический двигатель).
Втягивающее устройство тележки движется по устойчивым к истиранию дорожкам, которые предотвращают засорение посторонним материалом.

Шкаф управления с интерфейсом человек-машина (HMI) управляет и питает систему и подключает ее к любой системе анализа газа — как горячего/влажного, так и холодного/сухого типов.
Шкаф управления ABB оснащен общими последовательными интерфейсами для легкого подключения к диспетчерской завода. Второй блок, внешний по отношению к зонду, содержит рециркуляционную, негерметичную систему охлаждения.

Экстрактивный фильтр в наконечнике зонда

Наиболее важным интерфейсом устройства является фильтр, через который пробный газ отделяется от технологической пыли. Этот фильтр расположен внутри охлаждающей рубашки зонда, которая защищает его от прямых ударов и устраняет длинную трубу отбора проб в существующих устройствах, в которых пыль и проба могут объединяться, образуя липкий, блокирующий трубу остаток. Отфильтрованный пробный газ транспортируется через нагреваемую трубку с постоянной температурой (180°C).

Двойная очистка наконечника зонда воздуходувкой

Чтобы избежать осложнений внутри зонда, подвергающегося воздействию процесса 1200°C, два воздуходувки для взятия проб также используются для очистки наконечника зонда и периферии фильтра. Это достигается с помощью новой конструкции сопла из нержавеющей стали, напечатанной на 3D-принтере, которая позволяет одному воздуходувке направлять воздух через центр зонда и фильтра, в то время как другой подает воздух к основанию фильтра, который очищает периферию и поверхность фильтра, выдувая всю пыль обратно в процесс.

Необходима прочная механическая конструкция

Конструкция зонда основана на 4-дюймовой высокотемпературной аустенитной нержавеющей стали. Тяжелая конструкция зонда усилена в основании, как горелка печи. Прочная конструкция позволяет зонду выдерживать падение материала из стояка. Система контроля нагрева постоянно оценивает условия процесса и накопление материала на зонде и вокруг него, при необходимости запуская стандартные воздуходувки печи в зоне впуска.

Простая компоновка и стандартные материалы

Все узлы зонда основаны на стандартных фланцах, уплотнительных кольцах, режущих кольцах, соединениях и других стандартных элементах. Центральная труба, которая соединяет один воздуходувку с передним соплом для очистки, также обеспечивает полный и легкий доступ для осмотра всей длины зонда без использования каких-либо инструментов. Этот осмотр возможен даже при полном погружении зонда в процесс.

Два воздуходувки расположены сбоку тележки за съемной панелью. Корпус зонда имеет чистые линии и прочную конструкцию, открыты только те детали, которые необходимы для работы зонда.

Эксплуатационные характеристики зонда — полевые испытания

В рамках разработки продукта были проведены испытания на заводе Holcim в Лэгердорфе, Германия. Целями испытаний были проверка:
• безопасности системы;
• эффективности технического обслуживания — не менее шести месяцев эксплуатации;
• прочности зонда;
• выбора материалов для деталей процесса и образца;
• способности зонда и ретрактора удалять накипь;
• эффективности очистки воздуходувкой в ​​процессе с использованием AFR с высокой концентрацией летучих веществ;
• результаты анализа газа с помощью нового зонда.

Испытательный зонд был установлен в середине 2021 года. Испытательная установка была оснащена автоматизированным фланцем для защиты персонала и оборудования в случае возникновения избыточного давления. Зонд был допущен к автоматической работе, и испытания продолжались более 10 месяцев.

В ходе испытаний были внесены две модификации: автоматизированный фланец был усилен, а конструкция входного отверстия наконечника зонда была изменена для обеспечения более стабильного потока в условиях сильного образования накипи на входе.

Использование стандартных процедур и материалов для технического обслуживания оказалось очень успешным и простым для понимания обслуживающим персоналом (не требуется специального обучения). Типичное профилактическое обслуживание и осмотр занимали менее 15 минут в неделю.

В течение испытательного периода материал, падающий из стояка, несколько раз ударял зонд, без последующего повреждения зонда.
Полный осмотр всех внутренних и внешних деталей после семи и 10 месяцев эксплуатации не выявил коррозии или повреждений. Действительно, на поверхности зонда образовался твердый оксидированный слой, который обеспечивал дополнительную защиту.

В течение испытательного периода на заводе использовалось топливо, полученное из 17 различных AFR, что привело к значительным колебаниям технологических значений O₂ и CO и дало от очень легкого до очень сильного образования накипи. Несмотря на эти условия, зонд надежно функционировал в автоматическом режиме, и ручная очистка не требовалась — регулярные циклы очистки были достаточными, а во время сильного образования накипи датчик вакуума образца инициировал дополнительную автоматическую очистку. Был достигнут фактор выполнения более 95 процентов, что подтверждает конструкцию и то, что реализация с двумя зондами (которая доступна) обеспечит 100-процентный фактор выполнения.

Испытательная печь имела существующую систему анализа извлекаемого газа, установленную на входе печи, что позволило сравнить результаты.
Несмотря на то, что анализаторы не были снабжены образцами газов, полученными одновременно, и существующая система имела значительно более длительное время выборки, сравнительный тест показал соответствие в пределах 10 процентов.

Цементирование будущего

Использование AFR в цементной промышленности создало более сложную среду для оборудования для анализа газа из-за более высоких концентраций летучих веществ. В то же время возросшая сложность процесса делает точный анализ газа более важным, если операции должны обеспечить эффективное сгорание, улучшить качество, сократить выбросы и воздействие на окружающую среду, соответствовать экологическим нормам и эффективно включать AFR.

Зонд ProKiln показал себя способным облегчить эффективный анализ газа на входе печи даже в самых суровых условиях. Возврат инвестиций, вложенных в установку этого простого и прочного зонда, можно легко оправдать, предотвратив только остановки печи.

По мере развития отрасли технология анализа газа, такая как ProKiln, будет по-прежнему иметь решающее значение для продвижения цементной отрасли к более экологичному и эффективному будущему.

Источник информации – компания ABB.