李金科，徐紅兵，劉韞硯，張 建

（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院，甘肅 蘭州 730060）

大型裂解爐用底部燃燒器的國產(chǎn)化研發(fā)

李金科，徐紅兵，劉韞硯，張 建

（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院，甘肅 蘭州 730060）

針對大型裂解爐用底部燃燒器對火焰形狀、火焰剛性、熱通量分布和NOx排放的要求，利用燃料分級原理，結(jié)合噴嘴和配風(fēng)方面的研究確定了燃燒器的結(jié)構(gòu)型式；通過多方案流體動力學(xué)模擬計算對燃燒器的結(jié)構(gòu)進行改進，同時通過熱態(tài)試驗驗證了燃燒器的污染物排放、熱通量分布等性能，最終開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型裂解爐用底部燃燒器。在1 Mt/a乙烯裝置裂解爐的工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，裂解爐內(nèi)燃燒完全，火焰扁平剛直，運行55 d時管壁最高溫度為1 044 ℃，NOx排放量為127 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），燃燒器的性能完全滿足裂解爐的工藝要求及環(huán)保要求。

氮氧化物；底部燃燒器；流體動力學(xué)模擬；乙烯裂解爐

乙烯是重要的石化原料，乙烯裝置是石化行業(yè)的“龍頭”裝置。乙烯裝置的核心是裂解爐，燃燒器是裂解爐的重要組成部分，裂解爐所需的熱量是通過燃料在燃燒器中燃燒獲得的。燃燒器的型式、性能和配置均影響裂解爐的性能，直接關(guān)系到裂解爐能否長周期安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。隨著裂解爐的大型化及環(huán)保要求的日益提高，對燃燒器提出了更高的要求，如火焰長度、火焰形狀、爐內(nèi)熱通量分布和NOx排放等［1］。大型裂解爐用底部燃燒器技術(shù)長期被國外專利技術(shù)壟斷，大能力的底部燃燒器嚴(yán)重依賴進口，投資較大。研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃燒器，可以實現(xiàn)大型乙烯裝置燃燒器的國產(chǎn)化，對加強我國石化市場的競爭力極為有利，能顯著提高經(jīng)濟效益和社會效益。

本工作通過對燃燒器結(jié)構(gòu)型式的理論研究，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)和熱態(tài)試驗完成了大型裂解爐用底部燃燒器的國產(chǎn)化研發(fā)，并給出了工業(yè)運行數(shù)據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)型式

考慮到裂解爐的燃料來源、工藝要求和爐型特點，裂解爐用燃燒器的主要設(shè)計原則［2］為：（1）燃燒器與燃料特點相適應(yīng)，即設(shè)計時需要考慮燃料的來源、性能及操作參數(shù)，并在規(guī)定的熱負(fù)荷條件下保證燃料完全燃燒；（2）滿足裂解爐的工藝要求，燃燒器的能力要滿足裂解爐的熱負(fù)荷要求，具有一定的調(diào)節(jié)比，燃燒過程穩(wěn)定，火焰不舔爐管、不翻卷、不交叉，爐膛熱分布均勻，確保爐管不致局部過熱；（3）燃燒器與裂解爐爐型相匹配，燃燒器及其布置以及燃燒火焰的方向、外形、剛性和鋪展性符合裂解爐爐型要求；（4）燃燒器應(yīng)滿足節(jié)約能源的要求，在盡可能少的過?？諝饬肯逻_(dá)到完全燃燒，即實現(xiàn)低氧燃燒。為了滿足環(huán)境保護方面的要求，需要采用低NOx燃燒技術(shù)和使用低NOx燃燒器。

對于大型裂解爐用底部燃燒器，除了滿足裂解爐熱負(fù)荷需要，對火焰的形狀和剛性以及NOx排放等燃燒性能也有更高的要求。

1.1 火焰形狀和剛性的控制

裂解爐爐管一般是單排、錯排或雙排布置，管排兩側(cè)為輻射墻，為了有利于管排傳熱和安全，裂解爐用燃燒器布置在輻射段爐管兩側(cè)，通常要求底部燃燒器提供扁平扇形的火焰。大型裂解爐的底部供熱比例一般在70%～100%，應(yīng)采用大能力、長火焰的燃燒器，以便形成良好的熱通量分布，同時必須解決好助燃空氣和燃料的混合問題，否則易引起火焰發(fā)飄等問題。

火焰長度的調(diào)整一般是在燃料種類、燃料量以及過?？諝庀禂?shù)不變的前提下進行的。根據(jù)已有經(jīng)驗，可以通過以下方法進行火焰尺寸的調(diào)整：

（1）噴嘴方面：對于燃?xì)馊紵鳎嗫讎婎^噴射的燃料比單孔噴頭噴射的燃料形成的火焰短；噴嘴噴孔與垂直方向的夾角越小，火焰越長［3］；燃料分級后與助燃空氣混合燃燒形成的火焰較長。

（2）配風(fēng)方面：助燃空氣直流時比旋流時形成的火焰長；過剩空氣系數(shù)越小，火焰越長；采用擴散式燃燒有助于增加火焰長度；助燃空氣分級后與燃料混合燃燒所形成的火焰較長；助燃空氣和燃料都分級燃燒所形成的火焰更長，分級燃燒應(yīng)特別注意空氣和燃料的混合問題，混合不好會影響火焰剛性，造成火焰發(fā)飄，甚至舔爐管。

1.2 低NOx燃燒技術(shù)的選擇

低NOx燃燒技術(shù)的應(yīng)用對底部燃燒器的結(jié)構(gòu)型式有重大影響。為了降低NOx排放量，可以改進燃料和空氣的進入方式，以延遲混合、降低O2的有效性和火焰峰值溫度［4］。氣體燃料燃燒生成的NOx以熱力型NOx為主，影響其排放量的主要是H2和C3～4烴。

降低NOx排放量的基本方法是分段燃燒和冷卻火焰，按NOx控制方法的不同，低NOx燃燒器主要分為3類，即分級空氣燃燒器、分級燃料燃燒器和煙氣再循環(huán)燃燒器。

早期的低NOx燃燒器是利用分級空氣的辦法來降低NOx生成量的［5］?，F(xiàn)在大多數(shù)燃燒器是通過在不同的位置布置多個燃料氣噴頭，利用分級燃料或爐內(nèi)煙氣再循環(huán)或兩者并用的方法來降低NOx生成量。NOx控制技術(shù)的選擇依賴于燃料的組成、燃燒器的型式和操作因素。NOx控制技術(shù)的效果不具有加和性，但具有可乘性。相同原理的NOx控制技術(shù)組合并不會使NOx排放量降低更多。

實際上所有的NOx控制技術(shù)對燃燒器的性能和操作都可能產(chǎn)生不利影響。因此在選擇應(yīng)用NOx控制技術(shù)之前，要根據(jù)其潛在的影響，對燃燒器熱態(tài)試驗期間獲得的操作數(shù)據(jù)仔細(xì)評估，確認(rèn)每一種潛在影響的操作限制，如火焰形狀、爐子負(fù)壓和引風(fēng)機能力等。

本工作采用燃料分級的方法降低NOx排放量。燃料氣通過兩級注入爐膛燃燒區(qū)，助燃空氣一次注入，建立了貧燃燒區(qū)并延長了燃燒的時間，從而獲得了較低的NOx排放量和較長的火焰。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

大型裂解爐用底部燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計依托某1 Mt/a乙烯裝置BA-103裂解爐設(shè)計，是一種長火焰、低NOx排放的氣體燃燒器，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 大型裂解爐用底部燃燒器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a hearth burner for large-scale ethylene cracking furnaces.

燒嘴磚置于爐子底部，內(nèi)部空心處為空氣流道，在其入口段是一個橫截面積不變的平直流道，出口段的橫截面積逐漸變小形成空氣收縮流道，以形成扁平火焰。經(jīng)過多方案比較，燃燒器采用6個燃料噴頭，其中2個一級燃料噴頭、4個二級燃料噴頭，二級燃料占燃料總量的60%。燃料噴頭的布置見圖2。

圖2 燃料噴頭的布置Fig.2 Arrangement of the hearth burner tips.

燃料噴頭的布置確定后，采用計算流體動力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)分析助燃空氣和分級燃料的混合問題，確定燒嘴磚空氣流道的設(shè)計，并確定一級燃料和二級燃料噴孔的數(shù)量、布置和方位，從而獲得令人滿意的火焰形狀和熱通量分布。

以往燃燒器的設(shè)計主要采用半經(jīng)驗設(shè)計，依據(jù)燃燒器能力、燃料組成、壓力和溫度，通過公式計算得到噴孔直徑，根據(jù)所需的火焰形狀布置噴孔及空氣流道，得到燃燒器的結(jié)構(gòu)尺寸；再通過燃燒器在裂解爐中的實際運行情況和熱性能測試，經(jīng)多次改進后才能開發(fā)出滿足裂解爐要求的燃燒器，開發(fā)周期較長且很不經(jīng)濟。現(xiàn)在，結(jié)合CFD模擬和燃燒器熱態(tài)試驗進行燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進，大大縮短了燃燒器的開發(fā)周期［1］。

2 CFD模擬

對燃燒器進行CFD模擬可以預(yù)測燃燒器的燃燒情況（如火焰形狀、溫度分布和熱通量分布等），提早發(fā)現(xiàn)可能存在的問題（如空氣分配不合理、火焰舔爐管、火焰翻卷交叉和局部熱通量過高等），通過改變計算模型的幾何尺寸（如噴頭噴孔角度、直徑和數(shù)量等）進行多方案比較，從而得到最優(yōu)結(jié)果。CFD模擬過程分為前處理、迭代計算和后處理3個階段［6］。

2.1 前處理

對裂解爐內(nèi)的流體流道建立幾何模型，并采用ICEM CFD軟件對幾何模型進行網(wǎng)格劃分。由于裂解爐爐膛本身具有對稱性，為了節(jié)省資源，并對重要的部分加強網(wǎng)格，可將對爐膛內(nèi)的模擬簡化為2個底部燃燒器和4個側(cè)壁燃燒器聯(lián)合供熱的情況。

幾何建模時完全參照了裂解爐和燃燒器的實際尺寸，對局部結(jié)構(gòu)進行了簡化，忽略了長明燈等不影響模擬結(jié)果的結(jié)構(gòu)。

底部燃燒器和側(cè)壁燃燒器各自自成體系，且與爐膛尺寸相差很大，因此在選擇網(wǎng)格類型時應(yīng)選擇混合型網(wǎng)格，即主體部分采用六面體網(wǎng)格、局部過渡區(qū)域采用四面體網(wǎng)格和五面體網(wǎng)格。對燃燒器一級燃料噴頭和二級燃料噴頭處的網(wǎng)格進行了加密處理，保證了燃料氣噴射角度和噴孔直徑的精確性。網(wǎng)格單元總計1 344 453個。圖3為底部燃燒器的網(wǎng)格劃分情況。

圖3 底部燃燒器的網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh of the hearth burner.

在CFX軟件中進行計算條件的設(shè)置，底部燃燒器采用甲烷和空氣非預(yù)混流動燃燒計算、同時考慮氫氣與空氣的反應(yīng)，計算采用k-ε紊流模型、Methane Air WD2和Hydrogen Air反應(yīng)模型、Finite Rate Chemistry and Eddy Dissipation燃燒模型以及離散傳播輻射模型。

2.2 迭代計算

迭代計算由高性能計算機完成，在計算過程中需設(shè)置相應(yīng)的計算方法和計算步長，觀察計算曲線的走勢，調(diào)整參數(shù)使計算收斂［7］。本次模擬時間步長的控制采用了Physical Timescale方法，步長值在計算過程中根據(jù)收斂情況逐步調(diào)節(jié)，最終將大部分變量的殘差值控制在1.0×10-4以下。

2.3 后處理

利用CFX軟件的后處理功能，通過建立等值面、云圖和流線等方法觀察爐膛內(nèi)的火焰形狀、煙氣流動和溫度分布情況等。底部燃燒器高速噴射出的燃料與從燃燒器中心進入的助燃空氣混合燃燒，在靠近燃燒器的壁面附近形成一個平行于爐管壁面的高溫區(qū)域。這樣一方面可使高溫?zé)煔獠涣鹘?jīng)爐管，避免將爐管燒壞；另一方面有利于高溫區(qū)域向爐管輻射熱量。取CO摩爾分?jǐn)?shù)的等值面表示火焰形狀，并以溫度著色，得到的火焰形狀見圖4。爐膛內(nèi)的溫度分布見圖5。

圖4 火焰形狀Fig.4 Flame shape.

圖5 爐膛內(nèi)的溫度分布Fig.5 Temperature distribution in the furnace.

底部燃燒器中燃料高速噴出，在爐膛內(nèi)形成了一個大的回流區(qū)，使?fàn)t膛內(nèi)的煙氣不斷循環(huán)，回流的煙氣與燃燒新生成的煙氣相混合有利于降低火焰區(qū)域的溫度，同時也降低了NOx的排放量。

爐管主要依靠輻射傳熱的方式吸收熱量，爐管面處的熱通量分布能夠反映出爐膛內(nèi)燃燒器的整體加熱效果，合理的熱通量分布有利于延長裂解爐的操作周期和爐管的使用壽命［8］。在靠近爐管面處取熱通量值，做出熱通量隨爐膛高度的變化情況（如圖6所示）。由圖6可看出，靠近爐管面附近時，熱通量分布合理，燃燒器輻射加熱爐管的效果良好。

圖6 熱通量曲線Fig.6 Heat flux curve.

3 熱態(tài)試驗

通過熱態(tài)試驗可以驗證燃燒器的性能，了解燃燒器的燃燒質(zhì)量、風(fēng)門調(diào)節(jié)性能和調(diào)節(jié)比，測量各種污染排放（CO、NOx和噪音）數(shù)據(jù)，得到驗證CFD模擬所需的參數(shù)，并獲取熱通量曲線。

3.1 熱態(tài)試驗爐

熱態(tài)試驗爐為箱式爐，裝有排出煙氣的煙囪。熱態(tài)試驗爐燃燒室的高度與實際裝置相同，內(nèi)部凈尺寸為：長2.82 m、寬1.98 m、高13.7 m。試驗爐被貫穿其上下的多根循環(huán)水管冷卻，試驗爐和循環(huán)水管的保溫是均勻的。取樣口在豎直方向上的間距為600 mm，取樣口的設(shè)置從爐底附近開始直到距離爐底11.9 m處；取樣口在水平方向上正對著燃燒器的中心線或兩燃燒器的中心線之間。熱態(tài)試驗爐安裝有觀火門，測試時能夠觀察燒嘴磚以及底部燃燒器和側(cè)壁燃燒器的完整火焰形狀。

3.2 燃燒器性能測試

燃燒器測試包括單個底部燃燒器測試、底部和側(cè)壁的多燃燒器組合測試。多燃燒器組合測試為2個底部燃燒器和4個側(cè)壁燃燒器的測試，測試燃料為天然氣。燃燒器布置與實際裝置完全相同，底部和側(cè)壁供熱比例為7∶3。經(jīng)過多次燃燒器性能測試并結(jié)合CFD模擬結(jié)果，對一級和二級燃料噴孔的直徑、數(shù)量和角度多次調(diào)整后，最終得到正常能力下多燃燒器組合燃燒性能的測試結(jié)果。污染排放測試數(shù)據(jù)見表1，與國外底部燃燒器熱態(tài)試驗的熱通量對比見圖7。

表1 污染排放測試數(shù)據(jù)Table 1 Testing data of the hearth burners

圖7 與國外底部燃燒器熱態(tài)試驗的熱通量對比Fig.7 Comparison between heat fluxes of the developed hearth burner and an oversea hearth burner.

從圖7可看出，自主開發(fā)的底部燃燒器的熱通量曲線與目標(biāo)值基本吻合，與目標(biāo)值的偏移量略優(yōu)于國外底部燃燒器。由表1可見，煙氣中CO體積分?jǐn)?shù)為10×10-6，表明爐內(nèi)燃燒完全；NOx體積分?jǐn)?shù)為49×10-6，約100 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），完全滿足工藝及環(huán)保要求。CFD模擬的熱通量分布與熱態(tài)試驗得到的熱通量分布較為吻合，說明模擬時模型的選取和參數(shù)設(shè)置合理。通過對不同結(jié)構(gòu)的燃燒器進行CFX模擬，可以得到較優(yōu)越的燃燒器結(jié)構(gòu)。

4 工業(yè)應(yīng)用

開發(fā)的大型裂解爐用底部燃燒器已應(yīng)用于某1 Mt/a乙烯裝置的BA-103裂解爐，并于2010年1月一次投油開車成功。目測情況表明，爐內(nèi)燃燒狀況良好，火焰扁平剛直、燃燒穩(wěn)定，無火焰舔爐管的問題。BA-103裂解爐爐內(nèi)燃燒情況見圖8。

圖8 BA-103裂解爐爐內(nèi)燃燒情況Fig.8 Combustion situation in a BA-103 cracking furnace.

為進一步驗證開發(fā)的大型裂解爐用底部燃燒器的實際運行情況，在2010年4月對BA-103裂解爐和底部燃燒器采用國外專利技術(shù)的BA-102裂解爐進行了全面的熱性能測試，并進行了對比。測試內(nèi)容包括爐內(nèi)煙氣溫度分布、爐管管壁溫度分布、爐墻內(nèi)外壁溫度分布、煙氣取樣分析和燃燒器噪聲測量等，并依據(jù)測量結(jié)果計算了裂解爐的熱效率。兩爐熱性能的測試結(jié)果見表2。由表2可見，使用國產(chǎn)底部燃燒器的BA-103裂解爐爐內(nèi)燃燒完全，煙氣溫度分布均勻，管壁溫度均勻，盡管已運行了55 d，測得的爐管最高壁溫僅為1 044 ℃，完全滿足工藝要求；由于實際燃料中H2含量（27.67%（φ））遠(yuǎn)高于設(shè)計值（8.92%（φ）），這使得NOx排放量有所增加，盡管如此127 mg/m3的排放值仍較低，完全滿足環(huán)保要求。測試結(jié)果表明，國產(chǎn)底部燃燒器適用于100 kt/a及以上大型裂解爐，與國外同類技術(shù)相比，性能指標(biāo)相當(dāng)，完全可以替代進口燃燒器，節(jié)約投資。

表2 熱性能測試結(jié)果Table 2 Test result for the thermal performance

5 結(jié)論

（1）大型裂解爐用底部燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，火焰扁平剛直，燃燒穩(wěn)定，無火焰舔爐管問題。

（2）大型裂解爐用底部燃燒器可獲得良好的火焰形狀、火焰長度、火焰剛性及熱通量分布，適用于100 kt/a及以上大型裂解爐。

（3）大型裂解爐用底部燃燒器NOx排放量少、噪音較低，符合環(huán)保要求。

（4）大型裂解爐用底部燃燒器的工業(yè)應(yīng)用成功為大型乙烯裝置燃燒器完全國產(chǎn)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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Research and Development of Ethylene Cracking Furnace Hearth Burner

Li Jinke，Xu Hongbing，Liu Yunyan，Zhang Jian
（Tianhua Institute of Chemical Machinery and Automation，Lanzhou Gansu 730060，China）

Aiming at the request of ethylene cracking furnace hearth burner for the flame shape，the flame stability，the heat flux distribution and the NOxemission，by fuel classification method combined with research of the burner tips and the wind channel，the original structure of the hearth burner was determined. The burner structure was improved by computational fluid dynamics simulation，and the pollution emission and the heat flux distribution were validated through thermal state test. Then，the hearth burner of large-scale ethylene cracking furnace was developed successfully. Industrial application of the hearth burner indicated that the combustion was complete and the flame was flat and steady. The max wall temperature of the furnace tube was 1 044 ℃ after the furnace running 55 d and NOxemission was 127 mg/m3(standard state).

nitrogen oxide；hearth burner；fluid dynamics simulation；ethylene cracking furnace

1000 - 8144（2012）03 - 0319 - 06

TQ 221.21

A

2011 - 10 - 26；［修改稿日期］2011 - 11 - 24。

李金科（1964—），男，甘肅省靈臺縣人，大學(xué)，教授級高級工程師，電話 025-83209855，電郵 ljk0002@vip. sina.com。

（編輯 王 萍）