仲偉聰，劉　丹

（西安航天源動力工程有限公司，陜西西安710100）

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Claus燒氨硫回收燃燒器的研制

仲偉聰，劉丹

（西安航天源動力工程有限公司，陜西西安710100）

隨著燒氨硫回收技術(shù)的不斷發(fā)展，燒氨工藝技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應用，但國產(chǎn)Claus燒氨硫回收燃燒器的發(fā)展比較緩慢。本文通過熱力計算、結(jié)構(gòu)設計、試驗驗證等方法設計了一臺硫回收燒氨燃燒器，對燃燒器工作特性進行評估，并對燃燒器設計具有指導意義。

硫回收；燒氨；燃燒器

污水汽提裝置的含氨酸性氣對煉油廠硫磺回收裝置的正常運行會產(chǎn)生較大的危害，例如形成銨鹽堵塞設備管道從而影響酸性氣輸送甚至迫使裝置停產(chǎn)，降低硫回收率，氨和氧化鋁反應引起催化劑失活，副產(chǎn)物氮氧化物危害環(huán)境等［1-2］。美國于上世紀60年代就開始研究含氨酸性氣的焚燒技術(shù)，隨后經(jīng)過日本、歐洲及加拿大等發(fā)達國家的努力，硫磺回收裝置含氨酸性氣的焚燒技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應用，近年來燒氨技術(shù)也在我國得到重視［3］。目前國內(nèi)各大煉廠已經(jīng)陸續(xù)采用了燒氨技術(shù)，但其主要設備燒氨火嘴大多為意大利Lissone-Milan公司、荷蘭Duiker公司等生產(chǎn)的進口火嘴，其設備價格昂貴，維修更換周期長，因此有必要研制國產(chǎn)燒氨燃燒器以替代進口產(chǎn)品［4］。本文針對某煉廠研制了一種Claus燒氨硫回收燃燒器。

1　燒氨工藝

1.1燒氨工藝原理

燒氨即將酸性氣中的氨通過燃燒的方法使其完全分解成N2和H2O，以避免氨對后續(xù)工藝及設備的危害［5］。目前已確認的燒氨反應機理有三個：其一為燃燒分解，其二為熱分解，其三為SO2對NH3的氧化作用。這三個燒氨機理的主要反應如下：

1.2燒氨影響因素

影響酸性氣燃燒爐燒氨效果的因素主要有三個：爐膛溫度、混合原料氣在爐膛的停留時間以及其充分混合程度，其中溫度是影響燒氨效果的最主要因素，根據(jù)多年的工程實踐，最適宜的燒氨溫度為1 250～1 300℃，最高不超過1 400℃，可以通過提高酸性氣及空氣的預熱溫度、補充燃料氣、采用富氧工藝等措施來提高燃燒溫度。而反應時間通常約為0.7～1.2 s［7］。最后一個影響因素，即酸性氣與空氣的混合程度則直接取決于燒氨燃燒器的結(jié)構(gòu)設計，這也是本文的研究方向。

1.3燒氨工藝分類

目前國內(nèi)硫磺回收裝置采用的燒氨技術(shù)主要有“直接注入”式和“分流注入”式，“直接注入”式是將低壓污水汽提裝置產(chǎn)生的富氨酸性氣與清潔酸性氣經(jīng)預熱混合后進入反應爐燒嘴，而“分流注入”式是將含氨酸性氣全部注入反應爐前部的燒嘴，清潔酸性氣則分為兩部分，一部分注入燒嘴，另一部分注入反應爐［7］。而不論采用何種工藝，對燒氨火嘴的要求都很高。

2　燒氨硫回收燃燒器研制

本文根據(jù)某石油化工廠的工藝數(shù)據(jù)，通過熱力計算、結(jié)構(gòu)設計、試驗驗證等方法研制了一臺燒氨硫回收燃燒器，最終成功應用于生產(chǎn)實踐，代替了進口火嘴。

2.1原料來源及性質(zhì)

硫磺回收裝置制硫部分原料為溶劑再生裝置等排放的清潔酸性氣，污水汽提裝置排放的含氨酸性氣，和FCC煙氣脫硫裝置尾氣，其組成及邊界條件見表1、表2、表3。

表1　清潔酸性氣組成

邊界條件：45℃，0.05 MPa（g），進料量112.835 8 kmol/h。

表2　含氨酸性氣組成

邊界條件：90℃，0.05 MPa（g），進料量48.358 2 kmol/h。

表3　煙氣脫硫裝置尾氣組成

邊界條件：45℃，0.06 MPa（g），進料量7.154 7 kmol/h。

2.2原料處理方案及主要操作條件

本制硫工藝采用FCC煙氣脫硫尾氣進一級轉(zhuǎn)化器入口，清潔酸性氣和含氨酸性氣進制硫爐的流程。設計按照分流操作進行，以滿足裝置操作的靈活性。即其中一部分清潔酸性氣進入制硫燃燒爐爐膛中部，其余部分清潔酸性氣與含NH3酸性氣一起混合后，進入制硫燃燒爐燒氨火嘴。為了保證燒氨效果，制硫燃燒爐燒氨區(qū)溫度按照1 300～1 350℃考慮。

2.3熱力計算

燒嘴設計時，需滿足兩個條件：

（1）主燒嘴燃燒溫度滿足燒氨要求；

（2）酸性氣與空氣的總體配比根據(jù)H2S與SO2比值2∶1選取。

根據(jù)以上要求，運用我所自行研制的熱力學計算軟件CECS進行熱力學匹配計算，根據(jù)計算，60%的清潔酸性氣進主燒嘴可以滿足燒氨所需溫度要求。滿足主燒嘴燒氨溫度的熱力學參數(shù)計算結(jié)果，如表4所示；加入分流清潔酸性氣后滿足總體配比的熱力學參數(shù)計算結(jié)果，如表5所示。

表4　主燒嘴熱力學計算結(jié)果

從計算結(jié)果可以看出，燒嘴出口溫度為1 308℃，考慮熱損失溫度約1 288℃，可以滿足燒氨要求。爐膛混入分流后的清潔酸性氣后，溫度為1 202℃，H2S與SO2的比值滿足2∶1的要求，可以滿足后端工藝的要求。并且燃氣成分中，氨、NOx和烴類含量均小于5×10-6，氨的分解比較完全。

表5　滿足總體配比熱力學計算結(jié)果

2.4燃燒器結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)熱力計算結(jié)果，對燒嘴進行了設計。對燒氨火嘴而言，需要嚴格控制反應溫度并保證空氣與酸性氣良好的摻混和足夠大的湍流強度。因此，需嚴格控制助燃空氣流量并采用先進的燃燒技術(shù)。

為了保證足夠大的湍流強度及穩(wěn)定的燃燒火焰和空氣與酸性氣的充分混合，采用雙旋流式預混燃燒器。本組合方式除了保證充分混合和穩(wěn)定燃燒外，還可以保證較短的火焰長度。主空氣通過徑向旋流器進入燒嘴，60%的清潔酸性氣和全部含氨酸性氣預先混合后通過酸性氣燒嘴經(jīng)軸向旋流器進入火嘴。與主空氣在預燃室混合并燃燒。

烘爐燒嘴單設燃料氣與助燃空氣來保證烘爐燒嘴的穩(wěn)定燃燒。通過總空氣流量與燃料的比值來控制整個烘爐過程的溫度。燒嘴采取二次點火方式，即由點火器點燃點火燒嘴，再由點火燒嘴點燃烘爐燒嘴和主燒嘴。點火燒嘴可以單獨控制，也可進總控系統(tǒng)控制。點火燒嘴除了點火外，還可以作為長明燈使用。尤其在低工況燃燒時，長明燈可以保證燃燒的穩(wěn)定進行。長明燈還可以根據(jù)不同的工況有選擇的開關(guān)。

在設計主空氣噴嘴和酸性氣噴嘴時，旋流裝置的設計在保證兩路能有效混合的基礎上還要控制壓力損失不要過大。酸氣路導流葉片為45度軸向旋流式，主空氣旋流器采用徑向?qū)Я魇?。另外，燃燒器還設置了1個點火器接口，2個視鏡接口及2個火檢接口，以確保燃燒器能安全穩(wěn)定運行。主燒嘴三維模型如圖1所示。

圖1　主燒嘴三維造型圖

2.5燒氨燃燒器試驗驗證

考慮到某石油化工廠提供的工藝數(shù)據(jù)中，需要處理的酸性氣流量很大，需要的配風量也很高，我所的試驗室條件目前還不具備進行全尺寸試驗的能力，且為節(jié)省人力、物力和提高試驗效率，設計中對該燃燒器進行了相似?；O計，其原理如下。

為了使模型的試驗結(jié)果接近于實際的燃燒過程，要遵守的相似條件和相似準則很多，燃燒過程相似要具備下列條件：幾何相似，運動學相似，動力學相似，熱力學相似，燃燒過程的工況組織要相似，英國學者斯帕爾丁對此做過統(tǒng)計，為了保持流動過程相似要遵守的相似準則多達120個，事實上這些準則之間有很多是相互矛盾、不可能實現(xiàn)的，要達到燃燒過程近似完全?；潜容^困難的，在目前條件下只能遵循幾個有限的相似準則，做到燃燒過程的近似或局部的?；?。同樣在燃燒器中要遵守流動、燃燒、傳熱傳質(zhì)的全部相似準則是不可能的。通過上述分析，本試驗中將燃燒器相似模化準則簡化如下：

（1）燃燒器中的流動是穩(wěn)定的，均時性準則可以不考慮；

（2）?；紵髋c原型燃燒器應幾何相似，本試驗中?；紵髋c原型燃燒器的相似比為1∶30；

（3）流動相似，原型燒氨燃燒器實際工作中各路氣體流動的雷諾數(shù)Re＞105，燃燒器中的氣流流動達到了第二自?；瘏^(qū)，燃燒器中湍流流動準則亦基本達到自模，因此模化的燃燒器中各路氣體流動只需保證雷諾數(shù)Re＞105即可保證與原型燃燒器的流動相似；

（4）動力相似，燃燒器中各流體的動量比應與原型燃燒器中各流體的動量比相等。

該硫回收燒氨燃燒器縮尺?；囼灱娜S造型如圖2所示：主體結(jié)構(gòu)包括燃料氣供應，空氣供應以及燃燒組織等結(jié)構(gòu)。采用內(nèi)外雙層同向旋流原理，使空氣與燃料氣得到充分混合，本試驗中燃料管上的接口有三個，分別是甲烷接口、氨氣接口和氮氣接口。試驗中根據(jù)需要，這三種氣體均可從燃料管中通入，經(jīng)過燃料路旋流器后進入擴張段中?？諝鈩t直接通入到空氣旋流器中，經(jīng)收斂段出來后隨即進入擴張段中與燃料氣混合?；鹧娼Y(jié)構(gòu)及剛性、穩(wěn)定性由燃料氣與空氣流量聯(lián)合控制。

圖2　?；囼灱S造型圖

試驗現(xiàn)場與試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　試驗現(xiàn)場圖

焚燒爐包括預混段與焚燒爐主體兩部分，焚燒爐壁面上加裝有耐火澆注料，有利于防止熱量散失，保持爐溫。焚燒爐主體上留有熱電偶溫度測孔與煙氣成分分析儀測孔，其結(jié)構(gòu)如圖4所示：測孔①與②為熱電偶測孔，對爐膛溫度進行測量；測孔③與④為煙氣成分分析儀預留測孔，試驗中根據(jù)需要，其測量裝置可在③與④中進行位置調(diào)整。熱電偶材料為鉑銠金屬材料，表面套有剛玉套管，其最高測量溫度為1 600℃，誤差為5%；煙氣成分分析儀型號為ECOM-J2KN。

圖4　焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

燃燒試驗中，對燃料流量在0.8～4.78 g/s范圍內(nèi)進行了多次點火試驗，低工況下和高工況條件下均成功點火并進行了燒氨試驗。試驗中火焰明亮，剛性強、燃燒穩(wěn)定性好，氨氣分解率達99%以上，尾氣中NOx濃度小于1 700×10-6，火焰溫度達到理想高溫。

3　結(jié)語

本文根據(jù)某煉廠提供的工藝數(shù)據(jù)，選用“分流注入”式燒氨工藝，通過熱力學匹配計算，在保證燒氨溫度條件及爐膛出口H2S與SO2比值為2∶1的條件下，確定了進入主燒嘴的清潔酸性氣氣量。根據(jù)各路氣體流量等參數(shù)設計了雙旋流式燒氨燃燒器，其中酸性氣路采用徑向旋流葉片，空氣路選用切向旋流葉片，保證酸性氣與空氣的充分摻混。最后，根據(jù)相似原理，設計了一臺結(jié)構(gòu)形式相同的縮尺試驗件，并進行了燒氨試驗，試驗結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)形式的燒氨燃燒器火焰剛性好、燃燒穩(wěn)定性好，氨氣分解徹底，火焰溫度能達到理想溫度，可以應用于生產(chǎn)實踐以替代進口燒氨燒嘴。

［1］Turbulence and a Generalized Eddy Dissipation Concept for Chemical Reaction in Turbulent Flow.Nineteeth AIAA Meeting，St. Louis，1981.

［2］李學翔.含氨酸性氣對Claus硫磺回收工藝的影響及對策 ［J］.石油技術(shù)與應用，2008（3）：158-161.

［3］王偉.硫磺回收裝置熱反應爐及燃燒器 ［J］.煉油技術(shù)與工程，2008（1）：37-39.

［4］陶文銓.數(shù)值傳熱學［M］.西安：西安交通大學出版社，2001.

［5］朱寧昌.液體火箭發(fā)動機設計（下）［M］.北京：中國宇航出版社，1994.

［6］王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［7］程乃良.純物質(zhì)熱化學數(shù)據(jù)手冊 ［M］.北京：科學出版社，2003.

Development of Ammonia-Burning Claus Sulfur Recovery Burner

ZHONG Weicong，LIU Dan
（Xi'an Aerospace Source Power Engineering Co.，Ltd，Xi’an 710100，China）

As the rapidly development of ammonia-burning sulfur recovery technology，the ammoniaburning processing is widely used in domestic.The homemade ammonia-burning Claus sulfur recovery burner develops slowly.An ammonia-burning Claus sulfur recovery burner is developed according to thermodynamic calculation，mechanism design and experimental verification，and its characteristics are evaluated，which has guiding significance for the design of the burner.

sulfur recovery；ammonia-burning；burner

TE963

B

1001-6988（2016）02-0028-05

2015-12-30

仲偉聰（1977—），男，高級工程師，主要研究方向為燃燒技術(shù)和流場分析.