魏 伯 卿

（洲利實(shí)業(yè)（上海）有限公司淄博晟安機(jī)電有限公司，上海200129）

富氧局部增氧助燃技術(shù)是中科院大連化學(xué)物理研究所國(guó)家“七·五”、“八·五”科技攻關(guān)研究成果，它是應(yīng)用于燃煤燃?xì)馊加蜖t的節(jié)能減排技術(shù)，被稱之為“資源的創(chuàng)造性技術(shù)”［1］，是最新的節(jié)能環(huán)保技術(shù)之一［2－3］，近30年來(lái)發(fā)展非常迅速，用途愈來(lái)愈廣泛，并已取得較好的節(jié)能和環(huán)保效果［4－11］。但該技術(shù)有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是無(wú)法通過(guò)改變?nèi)紵鹧娴男螤詈头植紒?lái)提高燃燒的熱輻射效率和燃燒的安全性。針對(duì)富氧局部增氧助燃技術(shù)存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了富氧推火燃燒技術(shù)，利用專用富氧噴嘴和射流技術(shù)匹配，將體積分?jǐn)?shù)27%～40%的富氧氣體，直接送到燃燒火焰中心最需要氧氣的地方助燃，使燃料能在高氧環(huán)境下強(qiáng)化燃燒，并能在一定程度上改變?nèi)紵鹧娴男螤詈头植?，從而提高熱輻射效率?/p>

富氧局部增氧助燃技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外都有不少成功案例，而富氧推火燃燒技術(shù)作為最新的研究成果，其工業(yè)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外尚屬首例，特別是將富氧推火燃燒技術(shù)應(yīng)用于煉油裝置減壓爐這種安全性要求極高的加熱爐。本課題介紹了富氧推火燃燒技術(shù)在中國(guó)石油大港石化分公司（以下簡(jiǎn)稱大港石化）5Mt/a原油減壓蒸餾裝置加熱爐上應(yīng)用的結(jié)果。

1 富氧推火燃燒技術(shù)的節(jié)能減排機(jī)理

1.1 提高火焰溫度、火焰黑度和輻射熱

因氮?dú)饬繙p少、空氣量及煙氣量均顯著減少，故火焰溫度、火焰黑度和輻射熱均隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而顯著提高，但富氧濃度不宜過(guò)高，國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明［8］，富氧體積分?jǐn)?shù)在27%～33%時(shí)為最佳，因?yàn)檠鯘舛容^高時(shí)，火焰溫度增加較少，而制氧投資等費(fèi)用猛增。

1.2 加快燃燒速度，促進(jìn)燃燒完全

燃料在空氣中和在純氧中的燃燒速度相差甚大，如氫氣在純氧中的燃燒速度是在空氣中的4.2倍，天然氣則高達(dá)10.7倍，故用富氧助燃，不僅能提高燃燒強(qiáng)度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導(dǎo)，同時(shí)由于溫度提高了，將有利于燃燒反應(yīng)，促進(jìn)燃燒完全，從而從根本上消除污染。

1.3 降低燃料的燃點(diǎn)溫度

燃料的燃點(diǎn)溫度不是常數(shù)，如CO在空氣中為609℃，在純氧中僅388℃，所以用富氧助燃能提高火焰強(qiáng)度。

1.4 減少燃燒后的排氣量

用普通空氣助燃，約占其4/5的氮?dú)獠坏粎⑴c助燃，還要帶走大量的熱量。如用富氧助燃，氮?dú)饬恳獪p少，故燃燒后的排氣量亦減少，從而能提高燃燒效率等。

1.5 降低空氣過(guò)剩系數(shù)

用富氧代替空氣助燃，可適當(dāng)降低空氣的過(guò)剩系數(shù)，這樣，燃料消耗就相應(yīng)減少，從而節(jié)約能源。

2 工業(yè)應(yīng)用

針對(duì)大港石化5Mt/a原油減壓蒸餾裝置加熱爐排煙氧含量偏高、燃料組分復(fù)雜，熱值偏低、燃料消耗偏高等問(wèn)題，大港石化于2011年應(yīng)用了富氧推火燃燒技術(shù)，在不改變加熱爐和燃燒器結(jié)構(gòu)的情況下，在加熱爐內(nèi)安裝富氧分管，并在爐內(nèi)富氧分管上安裝富氧噴嘴。

2.1 技術(shù)要點(diǎn)

富氧推火燃燒技術(shù)最關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)在于富氧氣體送入到燃燒火焰的位置、角度、線速度。大港石化減壓蒸餾裝置加熱爐為立式加熱爐，直徑11 000mm，有12個(gè)燃燒器環(huán)形分布在爐膛底部，12個(gè)燃燒器的外邊緣距離靠近爐膛內(nèi)壁立式安裝的物料加熱管的距離為800mm，燃燒火焰較分散、火焰較長(zhǎng)，為2 000～3 500mm，加熱爐的反平衡熱效率為89.83%；國(guó)內(nèi)外的對(duì)稱燃燒加熱爐實(shí)施富氧助燃時(shí)，富氧噴嘴的安裝大多都是從燃燒器的附近打孔安裝，每一個(gè)富氧噴嘴需要打一個(gè)安裝孔。大港石化減壓蒸餾裝置加熱爐有12個(gè)燃燒器，設(shè)計(jì)配置24組富氧噴嘴，如果按常規(guī)的安裝方式，必須從12個(gè)燃燒器的附近打24個(gè)富氧噴嘴安裝孔，這對(duì)熱效率較高且易燃易爆的加熱爐來(lái)說(shuō)，帶來(lái)的破壞太大。為了減少對(duì)加熱爐的破壞，設(shè)計(jì)4根富氧分管從爐底打4個(gè)直徑Φ100mm的孔伸入爐內(nèi)，在爐內(nèi)富氧分管組成4個(gè)扇形狀，使每個(gè)扇形弧管內(nèi)側(cè)均勻分布3個(gè)燃燒器，這樣既可在這4根富氧分管上安裝多個(gè)富氧噴嘴，同時(shí)，這4根富氧分管又是富氧氣體在爐內(nèi)的預(yù)熱管；在爐內(nèi)富氧分管弧管的內(nèi)側(cè)靠近燃燒器位置對(duì)稱安裝24組富氧噴嘴，每個(gè)富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸成26°～30°的α夾角，如圖1所示。每個(gè)燃燒器外側(cè)的富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸的夾角α都不一樣，而且每個(gè)富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸的夾角α都是由該燃燒器的燃燒狀況、火焰長(zhǎng)度、爐膛高度、加熱管的分布、煙氣在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間、燃料噴射的擴(kuò)散角等參數(shù)計(jì)算確定的，因?yàn)檫@個(gè)減壓爐的爐膛高，火焰長(zhǎng)，火焰比較分散，煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間不夠長(zhǎng)，因此在設(shè)計(jì)安裝富氧噴嘴的角度時(shí)，加大了富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸的夾角α，使富氧氣體將燃燒火焰推向爐膛中心方向較小的距離，從而使火焰更直、更集中地燃燒，進(jìn)而形成更高溫度的燃燒火焰。同時(shí)，盡量縮短燃燒火焰的長(zhǎng)度，并將燃燒火焰的最高溫度區(qū)向下移，即在保證燃料能夠燃燒完全的條件下，縮短燃燒火焰的長(zhǎng)度，使燃料在最短的時(shí)間內(nèi)燃燒完全，從而能增加煙氣在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間即煙氣在爐膛內(nèi)的流經(jīng)時(shí)間，進(jìn)而提高煙氣的熱交換效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)在富氧噴嘴口與燃料噴口之間的距離一定的情況下，推火燃燒技術(shù)計(jì)算出來(lái)的富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸的夾角α推，在實(shí)際安裝時(shí)要增加一個(gè)小角度修正值Δα推，Δα推＝0.2°～0.7°。24組富氧噴嘴的D推（富氧噴嘴口與燃料噴口之間的距離）、α推和小角度修正值Δα推見(jiàn)表1。所有富氧噴嘴設(shè)計(jì)為扁形富氧噴嘴。

圖1 推火燃燒富氧噴嘴夾角與火焰長(zhǎng)度示意

表1 富氧噴嘴口與燃料噴口之間的距離D推和富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸的夾角α推及修正值Δα推

2.2 標(biāo)定結(jié)果

為了檢驗(yàn)富氧推火燃燒技術(shù)性能，大港石化于2011年8月27—29日對(duì)減壓蒸餾裝置加熱爐進(jìn)行了考核標(biāo)定，標(biāo)定前后數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表2和表3。

表2 富氧推火燃燒技術(shù)使用前減壓爐統(tǒng)計(jì)平均數(shù)據(jù)

表3 富氧推火燃燒技術(shù)使用后減壓爐標(biāo)定數(shù)據(jù)

從表2和表3可以看出：使用富氧推火燃燒技術(shù)前減壓爐燃料平均能耗為260.11MJ/t，排煙氧體積分?jǐn)?shù)為4.54%，使用富氧推火燃燒技術(shù)后減壓爐燃料平均能耗為244.63MJ/t，排煙中氧氣體積分?jǐn)?shù)為2.14%，使用后燃料能耗降低了5.95%，排煙中氧氣體積分?jǐn)?shù)降低了52.8%；另外實(shí)施富氧推火燃燒技術(shù)后，原來(lái)比較分散的燃燒火焰有明顯的集中變亮，燃燒狀況明顯好轉(zhuǎn)，燃燒火焰長(zhǎng)度縮短。

2.3 運(yùn)行情況

自2011年9月1日富氧推火燃燒技術(shù)投入使用至今的兩年多時(shí)間里，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能減排效果明顯。

（1）該裝置工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠，不必配備專職操作人員，從運(yùn)行到目前，該系統(tǒng)尚未出現(xiàn)過(guò)設(shè)備問(wèn)題，維修費(fèi)用極少。

（2）該工藝的安裝不改變加熱爐原有結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，僅爐內(nèi)富氧分管和富氧噴嘴與加熱爐接觸，對(duì)加熱爐的性能和安全沒(méi)有任何影響；由于提高了燃燒效率，使燃料燃燒更加完全，排煙氧體積分?jǐn)?shù)明顯降低。

（3）富氧氣體加入?yún)^(qū)，火焰亮度明顯增強(qiáng)，爐溫顯著上升，爐膛燃燒區(qū)溫度升高10～30℃，促進(jìn)完全燃燒，在爐膛溫度一定的情況下，燃料消耗明顯下降。

（4）采用富氧推火燃燒技術(shù)助燃后，加熱爐總進(jìn)入空氣量明顯減少。

（5）采用富氧推火燃燒技術(shù)助燃后，加熱爐燃燒火焰長(zhǎng)度有較大的縮短。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

富氧推火燃燒技術(shù)實(shí)施共增加投資約170萬(wàn)元，其中設(shè)備投資為152萬(wàn)，安裝費(fèi)用為18萬(wàn)，運(yùn)行費(fèi)用主要為電機(jī)電費(fèi)，按照燃?xì)鈨r(jià)格為2.2元/m3、電價(jià)為0.72元/kWh、降低燃料能耗5.95%計(jì)算，年節(jié)能收益為251.3萬(wàn)元，年電耗費(fèi)用為35.7萬(wàn)元，年節(jié)能凈收益為215.6萬(wàn)元，投資回收期為9.5個(gè)月。

4 結(jié) 論

（1）實(shí)施富氧推火燃燒技術(shù)后，原來(lái)比較分散的燃燒火焰有明顯的集中變亮，燃燒狀況明顯好轉(zhuǎn)，燃燒火焰長(zhǎng)度縮短。

（2）實(shí)施富氧推火燃燒技術(shù)后，減壓爐燃料能耗降低了5.95%，排煙中氧氣體積分?jǐn)?shù)降低了52.8%。

（3）富氧推火燃燒技術(shù)投資少、效益高，年節(jié)能凈收益為215.6萬(wàn)元，投資回收期不到10個(gè)月。

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