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        一種在線不停爐低氮燃燒器的改造方法

        2019-05-08 11:35:00王艷麗
        石油化工設(shè)備技術(shù) 2019年3期
        關(guān)鍵詞:熱態(tài)氮氧化物燃燒器

        王艷麗

        (中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司,天津 300271)

        隨著大氣環(huán)境問(wèn)題日益凸顯,環(huán)保法規(guī)不斷提出更高的要求。追求更低的氮氧化物的排放是新型工業(yè)燃?xì)馊紵鞯内厔?shì)?!妒蜔捴破髽I(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(2017版)要求加熱爐NOx小于100 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。目前在用的老式燃燒器運(yùn)行中就存在NOx超標(biāo)問(wèn)題【1-2】。但有些裝置處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài),一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有停工計(jì)劃。如果進(jìn)行低氮改造,必須采用在線不停爐方式進(jìn)行,在火盆無(wú)法更換的情況下,將老式的空氣分級(jí)式燃燒器改造為燃料分級(jí)式燃燒器。本文是一種將老式圓形的空氣分級(jí)式燃燒器在原有耐火磚的基礎(chǔ)上,改造為燃料分級(jí)式燃燒器的方法。

        1 低氮燃燒器改造技術(shù)原理【3-4】

        1.1 NOx生成的機(jī)理

        NOx是NO、NO2和N2O等多種氮氧化物的合稱(chēng),燃燒產(chǎn)生的NOx以NO為主,約占90%。因此,在研究NOx的生成途徑時(shí),主要研究NO的生成途徑。根據(jù)NOx生成途徑(見(jiàn)圖1),可將其分為3種:

        1) 熱力型NOx,是指空氣中的N2,被高溫(1 500 K 以上)氧化而生成的NOx;

        2) 快速型NOx,是空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)(如CH等)反應(yīng)生成的NOx通常情況下,與熱力型相比,其特點(diǎn)是NOx是在烴類(lèi)燃料過(guò)濃時(shí)預(yù)混燃燒產(chǎn)生的,生成速度快,生成地點(diǎn)在燃燒反應(yīng)帶內(nèi),對(duì)溫度的依賴(lài)性??;

        3) 燃料型NOx,是指燃料中的含氮化合物在燃燒過(guò)程中進(jìn)行熱分解繼而進(jìn)一步氧化而生成的NOx。

        基于NOx的形成機(jī)理,目前減少氮氧化物排放的途徑主要有3種:一是選擇低氮燃料;二是抑制燃燒過(guò)程中NOx的產(chǎn)生,即采用低氮燃燒器;三是對(duì)生成的NOx進(jìn)行脫除,即煙氣脫硝。管式燃?xì)饧訜釥t產(chǎn)生的NOx多為熱力型NOx,采用低氮燃燒器可以大幅降低NOx的產(chǎn)生量,使加熱爐煙氣中的NOx排放達(dá)到較低水平。

        圖1 NOx的3種生成途徑

        1.2 技術(shù)原理

        目前降低NOx的技術(shù)通常采用以下4種方式:分級(jí)燃燒空氣,燃料分級(jí)燃燒,煙氣再循環(huán),多點(diǎn)燃燒、精確配風(fēng)。

        本次在線不停爐低氮改造主要采用燃料分級(jí)和煙氣再循環(huán)兩種技術(shù)。

        1.2.1 燃料分級(jí)

        燃料分級(jí)燃燒技術(shù)是將燃料氣噴嘴布置成階梯狀,所有燃燒空氣注入燃燒器中心,依次通過(guò)階梯狀的燃料氣噴嘴,形成多個(gè)燃燒區(qū)。位置最低的噴頭上方為一級(jí)燃燒區(qū),一級(jí)燃料氣在大量過(guò)??諝鈼l件下完全燃燒,溫度不容易升高,生成的氮氧化物自然不會(huì)多。二級(jí)燃料氣噴嘴通常布置在火道磚外側(cè),將二級(jí)燃料注入來(lái)自上游的混合煙氣中。由于氧氣濃度已大大降低,此處可稱(chēng)之為濃燃燒區(qū),該區(qū)域的燃燒速度受到限制,溫度同樣受到控制。二級(jí)燃料氣高速?lài)娚淇僧a(chǎn)生低壓區(qū),將爐內(nèi)遇冷下沉的貧氧煙氣吸入燃燒區(qū)參與燃燒,這樣不但可以降低火焰溫度,也可以降低燃燒區(qū)域的氧濃度,從而降低NOx的生成。故該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低NOx的重要技術(shù)之一。

        1.2.2 煙氣再循環(huán)

        煙氣再循環(huán)(也叫煙氣回流):是實(shí)現(xiàn)低NOx排放的核心技術(shù)。該技術(shù)利用氣體動(dòng)力學(xué)原理,使氧含量較低的煙氣回流到燃燒區(qū)域內(nèi),降低了爐膛內(nèi)部燃燒區(qū)域的溫度燃燒空氣中的氧含量(體積含量),弱化了氧氣與氮?dú)馍蔁崃π偷趸锏倪^(guò)程,最終達(dá)到降低NOx排放的目的。根據(jù)應(yīng)用原理的不同,煙氣回流分為煙氣內(nèi)回流與煙氣外回流。該技術(shù)與燃料分級(jí)配合使用,是目前降低NOx的最有效方法。

        燃?xì)夥旨?jí)與煙氣回流技術(shù)示意見(jiàn)圖2。

        圖2 燃料分級(jí)與煙氣回流技術(shù)示意

        2 在線低氮改造技術(shù)方案

        為了解決在原有耐火磚不變的基礎(chǔ)上,將老式圓形的空氣分級(jí)式燃燒器改造為燃料分級(jí)式燃燒器的技術(shù)問(wèn)題,本文提供了1種在線不停爐低氮燃燒器的改造方法。

        原燃燒器為圓形普通空氣分級(jí)式燃燒器,中心1支瓦斯槍?zhuān)ㄟ^(guò)耐火磚進(jìn)行空氣分級(jí)。該燃燒器火焰區(qū)溫度高,各種工況燃燒穩(wěn)定,但NOx很高。老式結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

        圖3 老式普通空氣分級(jí)燃燒器結(jié)構(gòu)示意

        為了能夠在原燃燒器上在線實(shí)現(xiàn)降低氮氧化物改造,必須使用原有的火盆磚與火道磚,只通過(guò)改瓦斯槍的方式實(shí)現(xiàn)低氮改造。本次在線不停爐低氮改造采用的技術(shù),即為上面提到的燃料分級(jí)與煙氣回流技術(shù)。借助CFD數(shù)值模擬,結(jié)合熱態(tài)試驗(yàn),完成分級(jí)燃燒、降氮的設(shè)計(jì),然后依據(jù)低氮燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在線逐臺(tái)改造。具體技術(shù)方案如下:

        1) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,利用原有老式燃燒器的火盆磚與火道磚之間的間隙空間實(shí)現(xiàn)燃料分級(jí)

        原有中心瓦斯槍位置設(shè)置一級(jí)燃料瓦斯槍?zhuān)诨鹋璐u與火道磚之間的間隙空間位置增加二級(jí)燃料瓦斯槍?zhuān)瑢?shí)現(xiàn)燃料分級(jí)。同時(shí)利用噴嘴向外的傾斜角度,將二級(jí)燃料在相對(duì)有限的空間內(nèi)分為多個(gè)獨(dú)立的燃燒區(qū),盡量減少每個(gè)燃燒區(qū)域之間的火焰燃燒區(qū)疊加,使每個(gè)獨(dú)立燃燒區(qū)域火焰溫度更低,以達(dá)到降低熱力學(xué)NOx的目的。低氮改造后的燃燒器示意如圖4所示。

        圖4 低氮改造后燃燒器示意

        2) 依靠高速?lài)娚浠鹧娴木砦饔茫瑢?shí)現(xiàn)煙氣內(nèi)回流

        煙氣回流到燃燒區(qū)域主要依據(jù)燃燒器的氣體動(dòng)力學(xué)原理,依靠高速?lài)娚浠鹧娴木砦饔茫箽饬鳟a(chǎn)生旋轉(zhuǎn)達(dá)到循環(huán)的效果。煙氣內(nèi)回流原理(射流卷吸)示意如圖5所示。

        圖5 射流卷吸示意

        3) 借助CFD數(shù)值模擬,結(jié)合熱態(tài)試驗(yàn),進(jìn)行分級(jí)燃燒設(shè)計(jì)

        a) 按照原燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸,參考其他改造案例的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),初步確定一級(jí)槍開(kāi)孔數(shù)量及夾角、二級(jí)槍的數(shù)量;

        b) 通過(guò)全爐膛CFD數(shù)值模擬,確定一級(jí)槍開(kāi)孔尺寸范圍,二級(jí)槍的開(kāi)孔數(shù)量及夾角、開(kāi)孔尺寸范圍、開(kāi)孔角度范圍等;

        c) 再通過(guò)調(diào)整一級(jí)槍開(kāi)孔尺寸、二級(jí)槍開(kāi)孔尺寸和開(kāi)孔外傾角度來(lái)進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)對(duì)比,確定最優(yōu)改造方案,由空氣分級(jí)改為燃料分級(jí)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)低氮改造。改造后燃燒器示意如圖6所示。

        圖6 改造后的燃料分級(jí)燃燒器

        4) 逐臺(tái)在線更換燃燒器

        3 技術(shù)方案實(shí)施

        以某公司煉油部重整抽提裝置二甲苯重沸爐F-401爐為例,在可選結(jié)構(gòu)尺寸的范圍內(nèi),列出4種方案,開(kāi)展熱態(tài)試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)效果對(duì)比,確定燃燒器最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。

        3.1 確定一級(jí)槍開(kāi)孔數(shù)量及夾角、二級(jí)槍的數(shù)量

        根據(jù)原燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸及工程經(jīng)驗(yàn),本著盡量減少每個(gè)燃燒區(qū)域之間火焰燃燒區(qū)疊加的原則,初步確定一級(jí)槍(即主槍)1支,包括4個(gè)主孔(夾角105°)及2個(gè)穩(wěn)焰孔(水平方向);二級(jí)槍4支。

        3.2 全爐膛CFD數(shù)值模擬結(jié)果

        通過(guò)調(diào)整一級(jí)槍開(kāi)孔尺寸范圍,二級(jí)槍的開(kāi)孔數(shù)量及夾角、開(kāi)孔尺寸范圍、開(kāi)孔角度范圍等,使全爐膛CFD數(shù)值模擬收斂,同時(shí)考慮避免燃燒的高溫區(qū)產(chǎn)生重疊(即燃燒高溫區(qū)之間不存在相互影響),確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

        采用開(kāi)工工況(典型值)對(duì)該燃燒器進(jìn)行數(shù)值模擬。該工況為:開(kāi)工燃料組成(典型值),單臺(tái)燃燒器設(shè)計(jì)負(fù)荷2.8 MW,實(shí)際加熱爐單臺(tái)燃燒器負(fù)荷1.8 MW,燃料氣壓力0.34 MPa,燃料氣溫度40 ℃,空氣過(guò)剩系數(shù)1.2,空氣預(yù)熱溫度300 K。燃料組分見(jiàn)表1。

        根據(jù)上述選取的工況,進(jìn)行CFD數(shù)值模型對(duì)爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、CO和NOx濃度場(chǎng)進(jìn)行分析。確定燃燒器最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為: 一級(jí)槍即主槍1支,包括4個(gè)1.5 mm的主孔(夾角105°)及2個(gè)1.5 mm的穩(wěn)焰孔(水平方向);二級(jí)槍4支,包括2個(gè)3.0 mm的主火孔(外傾7°,夾角20°)及1個(gè)2.0 mm的引焰孔(內(nèi)傾25°)。噴頭結(jié)構(gòu)如圖7所示。

        表1 開(kāi)工工況燃料組成(典型值) φ,%

        3.3 熱態(tài)試驗(yàn)

        根據(jù)全爐膛CFD模擬結(jié)果,調(diào)整一級(jí)槍開(kāi)孔尺寸,二級(jí)槍開(kāi)孔尺寸、開(kāi)孔外傾角度,確定了4種熱態(tài)試驗(yàn)(如圖8所示)方案,進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)對(duì)比,從而確定最優(yōu)改造方案。具體方案如表2所示。

        按照上述方案進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn),對(duì)其燃燒狀況及NOx產(chǎn)生情況進(jìn)行監(jiān)控,最終確定方案四為最優(yōu)方案。

        3.4 現(xiàn)場(chǎng)施工

        根據(jù)確定的最優(yōu)方案,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)施改造,逐臺(tái)在線更換燃燒器見(jiàn)圖9,共12臺(tái)。

        圖7 一級(jí)、二級(jí)燃料噴頭結(jié)構(gòu)

        圖8 熱態(tài)試驗(yàn)

        圖9 改造完成后燃燒器示意

        表2 熱態(tài)試驗(yàn)方案

        每臺(tái)燃燒器更換流程為:

        1) 首先拆除原燃燒器中心封板(包括瓦斯槍、長(zhǎng)明燈),將按照改造方案設(shè)計(jì)的瓦斯槍、長(zhǎng)明燈位置開(kāi)孔的中心模板安裝在燃燒器底部;

        2) 根據(jù)中心模板提供的二級(jí)燃料槍開(kāi)孔位置進(jìn)行定位開(kāi)孔,開(kāi)孔尺寸滿足燃料氣套管直徑要求,并能夠順利穿過(guò)風(fēng)道隔板;

        3) 將改造的新中心封板安裝在原燃燒器底板上;

        4) 安裝燃料噴槍?zhuān)?/p>

        5) 安裝長(zhǎng)明燈;

        6) 連接各管口金屬軟管,試漏后進(jìn)行點(diǎn)火。

        4 改造效果

        1) 對(duì)燃燒器殼體與耐火磚利舊,通過(guò)大比例燃料分級(jí)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了在線不停爐低氮燃燒器改造;

        2) 改造后2周的運(yùn)行情況顯示,燃燒器運(yùn)行、排放穩(wěn)定,CO生成量接近0 mg/L,燃燒完全充分,煙道煙氣排放的NOx濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))由原來(lái)的200 mg/m3降至78 mg/m3,滿足環(huán)保要求,能夠有效降低氮氧化物的排放且達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求;

        3) 此外,改造后的燃燒器還能夠同時(shí)滿足火焰形態(tài)、熱流密度、火焰穩(wěn)定性以及日常維護(hù)等要求。

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