低温加热炉低氮燃烧器运行状况分析_李玖重.pdf

摘 要：为满足最新环保标准，炼化企业相继进行加热炉的低氮燃烧器改造，炉膛温度较低的加热炉运行过程中存在点火困难、火焰稳定性差、CO含量偏高的问题。从在炉膛温度低于650 的加热炉中运行时，低氮燃烧器的运行环境和自身结构特性共同导致燃烧器运行过程出现问题。通过采取改善运行环境、精细化调节、增大燃料喷枪喷孔、优化燃烧器结构等措施，有效解决了航煤加氢炉低氮燃烧器燃烧中存在的问题。关键词：炉膛温度 低氮燃烧器 分级燃烧 烟气回流低温加热炉低氮燃烧器运行状况分析李玖重，孙志钦（中国石化炼化工程（集团）股份有限公司洛阳技术研发中心，河南洛阳 471003）收稿日期：2022-06-26作者简介：李玖重，硕士，高级工程师。2013 年毕业于东北大学热能工程专业，目前主要从事燃烧与传热研究工作。基金项目：中国石油化工股份有限公司科技开发项目“加热炉低温炉膛低CO燃烧技术研究”（CLY20037）。氮氧化物是大气的主要污染物之一，作为臭氧、PM2.5及光化学烟雾的重要前躯体，是造成雾霾天气频发，导致臭氧层破坏，形成光化学烟雾的主要原因之一。石油炼制工业污染物排放标准1规定，2017年7月1日起工艺加热炉NOx排放不大于150 mg/m3，特别地区排放值不大于100 mg/m3。随着新环保标准的强制执行，炼化企业对加热炉进行了大规模的低氮燃烧器改造。由于加热炉燃料生成的NOx绝大部分属于热力型NOx，改造主要从抑制热力型NOx的生成入手，采取一定手段降低燃烧温度、减少高温区停留时间，抑制燃烧过程中NOx的产生2。现场测试发现，对于部分低温加热炉（炉膛温度650），低氮燃烧器运行状况较差，燃料燃烧不完全且存在安全隐患，影响加热炉安全高效运行。因此，以炼厂广泛使用的圆筒型低氮燃烧器为例进行研究分析，从原理和结构上阐明低氮燃烧器在低温加热炉中出现问题的原因，并提出相应改进建议，对于加热炉长周期安全稳定运行具有重要意义。1 低氮燃烧原理如图1所示，普通型燃烧器燃料喷枪设置在耐火砖内，燃料喷出后卷吸助燃空气，以强化混合、促进燃料充分稳定燃烧，燃烧火焰温度较高的同时烟气中NOx高于200 mg/m3。低氮燃烧器在耐火砖外围设置多支分级燃料喷枪，且耐火砖上开设有烟气回流孔，烟气中NOx低于100 mg/m3。主要通过引射低温烟气回流、构建扩大火焰面、提高燃料流速、燃料分级燃烧等方式，抑制NOx的产生3。过程优化2023 年 2 月第 8 卷第 1 期 石油石化绿色低碳Green Petroleum&Petrochemicals图1 燃烧器燃烧原理助燃空气瓦斯气二级燃烧区一级燃烧区回流烟气回流烟气普通燃烧器低氮燃烧器2023年.第1期-35-李玖重，孙志钦低温加热炉低氮燃烧器运行状况分析置，实现燃料分级燃烧和非化学当量比燃烧，有效降低燃烧火焰温度，从而抑制NOx的生成7。2 低氮烧器运行现状从某集团加热炉低氮燃烧器运行效果来看，炉膛温度高于650 的加热炉经精细调节后，低氮燃烧器运行状况良好，排放基本达标。对于低温加热炉（炉膛温度650），低氮燃烧器运行中存在点火困难、火焰稳定性差、CO含量、氧含量偏高的问题，影响加热炉安全高效运行。以某公司航煤加氢炉的圆筒型低氮燃烧器为例，该燃烧器设计负荷为0.74 MW，燃烧器结构如图2所示，主要由风筒、耐火砖、分级枪及长明灯组成，耐火砖外设有六只分级枪，每只分级枪喷头设有两级喷孔。助燃空气经风筒一次供入燃烧器，燃料经分级枪喷入耐火砖内，与助燃空气混合完成燃烧。现场测试表明，加热炉炉膛温度为583，低氮燃烧器运行状况较差，开工点火困难，燃烧火焰如图3所示，稳定性差、颜色偏黄、飘忽无力、内聚性和刚性不足。排烟中CO含量为1 308.8 mg/m3，NOx含量为32.7 mg/m3，氧含量为5.6%，不能满足该集团关于烟气中CO含量不高于50 mg/m3，氧含量不超过3%的要求。1.1引射低温烟气回流低氮燃烧器与普通型燃烧器燃料喷枪位置不同，低氮燃烧器燃料喷枪设置在耐火砖外，普通型燃烧器燃料喷枪设置在耐火砖内。低氮燃烧器的燃料气经喷枪喷出后在自由射流的作用下，卷吸大量炉膛内的低温烟气进入燃烧区，起到增大混合气体量和冷却火焰的目的，可有效降低火焰燃烧温度，抑制NOx产生。普通型燃烧器的燃料气经喷枪喷出后在耐火砖内形成有限空间射流，主要是为了卷吸助燃空气，促进燃料气与空气有效混合，达到燃料气快速高效燃烧目的4。1.2构建扩大火焰面低氮燃烧器与普通型燃烧器燃料喷枪数量不同，低氮燃烧器耐火砖外设置多支分级喷枪，普通型燃烧器只在耐火砖内设置一只燃料喷枪。燃料气经多支分级喷枪喷出后，形成一个包围耐火砖的面积较大的火焰面，火焰分布比较均匀、相互间叠加少，火焰的传质和散热面积大，火焰温度峰值削减，可以减少NOx生成5。普通型燃烧器燃料气经耐火砖内喷枪喷出后，形成一个面积较小、内聚的燃烧火焰面，火焰温度较高，有利于燃料充分燃烧。1.3提高燃料流速低氮燃烧器与普通型燃烧器燃料喷枪喷孔直径不同，分级枪喷头的喷孔直径一般为13 mm，普通型燃烧器燃料喷枪喷孔直径一般为25 mm。低氮燃烧器燃料喷枪喷孔流通面积比普通型燃烧器燃料喷枪喷孔流通面积小10%50%，喷出的燃料气流速是普通型燃烧器的1.12倍。随着燃料气流速增加，卷吸炉膛内低温烟气的能力增强，卷吸烟气量随之增大，火焰温度能够有效降低；同时，流速增加可以缩短燃料气在高温火焰区域停留时间，进一步减少NOx的生成6。1.4燃料分级燃烧低氮燃烧器与普通型燃烧器燃料喷枪喷孔设置不同，低氮燃烧器每只分级枪喷头设有两级喷孔，普通型燃烧器只设有一级喷孔。分级枪喷头的两级喷孔，起到燃料分级的作用，燃料喷枪的一级喷孔喷出的一级燃料进入耐火砖内与助燃空气混合燃烧形成一级非化学当量比燃烧区；二级喷孔喷出的二级燃料，沿耐火砖上沿进入燃烧器与助燃空气混合燃烧形成二级燃烧区。低氮燃烧器通过两级喷孔设图3 低氮燃烧器 燃烧火焰图2 低氮燃烧器结构耐火砖风筒长明灯分级枪3 低氮燃烧器存在问题分析参照航煤加氢炉的低氮燃烧器，从燃烧原理及燃烧器结构两方面对低氮燃烧器在低温环境下运行出现问题的原因进行分析。3.1点火困难只有在供风量控制在一定范围才会被点着。炉-36-石油石化绿色低碳 2023年.第8卷 膛温度升高过程中，低氮燃烧器易随供风量及燃料气流量的调节而突然灭火；而普通型燃烧器点燃后不易受供风量及燃气流量调节的影响，操作弹性大于低氮燃烧器。这是由于普通型燃烧器燃料由中心枪喷出，喷出后燃料扩散速度慢且分布比较集中，点燃后温度上升速度快，短时间内火焰就能够稳定燃烧，点火过程比较容易。而航煤加氢炉低氮燃烧器的燃料由六只分级枪高速喷出，燃料喷出后流速高、扩散范围广，燃烧不集中，燃料不能及时充分燃烧，火焰温度上升缓慢，稳定燃烧火焰形成较慢。同时，炉膛温度升高过程中，燃料未及时燃烧生成的CO在炉膛中上部与氧气接触的条件下会产生二次燃烧，致使炉内温度和烟气量发生较大变化，引起加热炉负压波动，出现助燃空气短期不足，造成火焰突然熄灭。这就要求点火过程供风量需要进行精确控制和调节，增加点火难度8。3.2火焰稳定性差火焰稳定性与燃烧气体的混合均匀度、反应温度、反应速度有关。低氮燃烧器卷吸大量炉膛内低温烟气进入燃烧混合气体中，使火焰燃烧温度和气体氧分压降低，导致燃料气与空气混合均匀度下降，火焰燃烧的剧烈程度和稳定性随之变差；同时，采用分级燃烧使火焰散热面增大，火焰散热速度加快，进一步降低了火焰稳定性。同时当火焰温度较低时，燃料气无法快速完全燃烧，部分CO会在火焰锋面下游进行二次燃烧，致使炉膛内负压产生波动，加剧了火焰的不稳定性。3.3烟气中 CO 含量高低氮燃烧器通过降低火焰燃烧温度、缩短燃料气停留时间来减少NOx生成。随着火焰燃烧温度降低，燃料气反应速度随之降低；同时，随燃料气喷速提高，在高温区域停留时间减少，部分燃料气未完全燃烧就离开了高温燃烧区域，进入到加热炉炉膛中上部。CO的理论燃烧温度为650，当温度高于CO燃烧温度，未燃烧的CO仍有二次燃烧和进一步转化的机会9。由于航煤加氢炉炉膛温度为583，未燃烧的CO进入到炉膛中上部后几乎不会发生二次燃烧，这就导致大量的CO随烟气排出。因此，航煤加氢炉排烟中的CO含量高达1 308.8 mg/m3。3.4烟气中氧含量高低氮燃烧器与普通型燃烧器相比，在相同助燃空气量的情况下，由于卷吸了大量炉膛低温烟气，混合气体燃烧温度和氧分压降低，燃料气与空气反应速率和接触几率都有所降低；另外，对于燃烧器调节，操作人员习惯于普通型燃烧器的操作经验，将烟气中CO含量升高归因为助燃空气不足，由此会进一步增加助燃空气量。基于以上原因，航煤加氢炉出现排烟中氧含量偏高现象。4 改进建议及效果4.1改进建议分析可知，低氮燃烧器的运行环境和结构特性是导致运行出现问题的主要原因。针对炉膛温度低于650 的加热炉，结合航煤加氢炉低氮燃烧器的问题，从运行环境、操作条件和燃烧器结构方面，提出以下改进建议。4.1.1改善运行环境低氮燃烧器应用于炉膛温度较低的加热炉，应尽可能使加热炉在设计负荷周围运行，保证炉膛温度维持在一个较高温度水平，使低氮燃烧器在较优弹性范围运行。针对航煤加氢炉低氮燃烧器，要求燃烧器在不低于0.6 MW的负荷下稳定运行。4.1.2操作精细化燃烧器点火过程，需进一步检查未点燃燃烧器的密封性，保持加热炉总体氧含量控制在合理范围内。应根据低氮燃烧器特性进行精细调节和操作。燃烧器运行稳定后，建议空气过剩系数控制在1.1 1.25。航煤加氢炉低氮燃烧器的空气过剩系数控制在1.2左右，并保证燃烧器本体的密封性。4.1.3燃料喷枪优化适度扩大分级枪喷孔直径，减少卷吸烟气量，降低燃料喷速，提高燃烧火焰温度和延长燃料停留时间。同时，可以增加分级枪数量，强化燃料气与助燃空气的混合，进一步实现燃料充分燃烧。航煤加氢炉低氮燃烧器增设了燃料占比25%的中心燃料喷枪。4.1.4燃烧器结构优化建议在低氮燃烧器耐火砖内增加中心燃料喷枪，中心枪燃料占比控制在10%50%。中心燃料喷枪的燃料作为一级燃料，形成稳定的初级火焰，避免燃烧器出现脱火和熄火等现象。同时，一级燃料的充分稳定燃烧，可以提高助燃空气温度，使二级燃料更容易达到着火点，促进燃料充分燃烧。航2023年.第1期-37-李玖重，孙志钦低温加热炉低氮燃烧器运行状况分析煤加氢炉低氮燃烧器增设燃料占比25%的中心燃料喷枪后，分级燃料喷枪的燃料喷速有效降低，故未对分级燃料喷枪进行优化。4.2改进效果按照改进建议对航煤加氢炉低氮燃烧器进行了改进，有效解决了低氮燃烧器运行存在的问题。航煤加氢炉点火难度降低，火焰稳定性提升，烟气中CO含量由1 308.3 mg/m3降低至12.8 mg/m3，NOx含量由32.7 mg/m3变为33.5 mg/m3，氧含量降低至3%。在烟气中NOx几乎不变的情况下，有效降低了烟气中的CO和氧含量，实现了燃料气的充分燃烧。5 结论低氮燃烧器采用引射烟气回流、扩大火焰面、分级燃烧、缩短停留时间的方式达到降低NOx的目的。当炉膛温度低于650，燃烧器缺乏精细调节时，低氮燃烧器会出现点火困难、火焰稳定性差、CO和氧含量偏高的问题，这是由燃烧器运行环境和自身结构特性共同导致的。因此，低氮燃烧器在低温加热炉运行时，需采取相应的改进措施，低氮燃烧的同时兼顾燃料充分反应。通过采取改善运行环境、精细化操作、优化燃烧器结构及燃料喷枪的措施，可有效解决低氮燃烧器在低温加热炉运行时存在的问题，在满足国家排放标准的前提下，实现燃料气的充分燃烧。参考文献 1 GB31570-2015，石油炼制工业污染物排放标准S 2 钱家麟，于遵宏，李文辉，等管式加热炉M中国石化出版社，2005：237-239 3 李文辉炼油加热炉烟气的污染及其防治J中外能 源，2010，15（8）：93-98 4 陈冬林，叶托，李恒低NOx燃烧技术研究现状及进展J热力发电，2017，46（3）：1-6.5 吴晓磊，刘波，任政，等新型低氮燃气分级燃烧器燃烧特性和NOx排放的CFD研究J化工进展，2014，33（9）：22