師彥俊

（中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司煉油二部，浙江寧波 315207）

延遲焦化裝置加熱爐能量消耗約占整個(gè)裝置能耗的1/3，同時(shí)也是NOx、SO2等污染物排放的主要設(shè)備，在提高加熱爐熱效率，降低能耗，降低污染物排放方面，業(yè)內(nèi)做了很多研究并開展了工業(yè)應(yīng)用，如采用高效、低NOx燃燒器，降低過?？諝庀禂?shù)；采用分段空預(yù)器，提高材質(zhì)，降低排煙溫度；采用新材料襯里以及爐管噴涂材料等，這些措施都取得了一定的效果，整體來看目前國內(nèi)焦化加熱爐的氧含量多數(shù)控制在3%以上，較高的氧含量會(huì)導(dǎo)致過多的熱損失，降低加熱爐熱效率，同時(shí)空氣中的氮?dú)庠诟邷貭顟B(tài)下會(huì)生成過多的NOx[1]，增加了污染物的排放量，過剩空氣中的氧氣也會(huì)促進(jìn)SO3的轉(zhuǎn)化率，加劇低溫露點(diǎn)腐蝕和爐管結(jié)垢[2]。

鎮(zhèn)海煉化某焦化裝置加熱爐熱效率在92%以上，為了進(jìn)一步挖潛增效，2017年3月對該加熱爐進(jìn)行在線技術(shù)改造，采用了基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術(shù)，在降低過剩空氣量、提高加熱爐熱效率、減少NOx排放量和降低能耗等方面都取到了明顯效果，同時(shí)還使得加熱爐的運(yùn)行在翻四通、預(yù)熱等操作時(shí)更加安全平穩(wěn)。

1 基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術(shù)原理

瓦斯與空氣在加熱爐內(nèi)燃燒，加大并超過燃燒所需的空氣當(dāng)量配比時(shí)CO 濃度較低，并幾乎維持不變，但由空氣過剩導(dǎo)致煙氣散熱損失會(huì)進(jìn)一步增加；相反當(dāng)供風(fēng)量減少，直到接近沒有足夠的氧氣完全燃燒時(shí)，CO 濃度會(huì)有一個(gè)快速上升階段，并且瓦斯消耗也會(huì)快速增加，煙氣的熱損失將明顯增大。所以通過調(diào)節(jié)供氧量，使CO 濃度保持在略高于最低值時(shí)，此時(shí)加熱爐的煙氣熱損失最低，熱效率相應(yīng)也最佳[3]。

圖1 更加量化地顯示了燃燒過程中加熱爐煙氣氧含量和CO、NOx含量三者之間的關(guān)系[4]。

圖1 CO/O2/NOx關(guān)系及CO建議控制區(qū)域

由圖1 可知，當(dāng)O2含量在1%以上時(shí)，隨著O2含量的增加并沒有生成過多的CO，基本維持在50μg/g以下，此時(shí)由過剩空氣帶走的熱損失會(huì)處于較高水平。當(dāng)O2含量在0.5%以下時(shí)，隨著O2含量的進(jìn)一步減少，CO 含量會(huì)快速增加，此時(shí)由不完全燃燒導(dǎo)致的熱損失也會(huì)迅速增加。如果O2含量在0.5%～1%之間，CO含量在50～150μg/g范圍之內(nèi)，能很好地平衡空氣過剩引起的熱損失和不完全燃燒引起的熱損失，此時(shí)處于略高于理論配比燃燒狀態(tài)，加熱爐的熱效率也最高。同時(shí)會(huì)使得NOx排放量快速下降，基本控制在10μg/g以下，相比基于O2分析控制的加熱爐燃燒技術(shù)降低40%以上，因此采用CO 分析控制的加熱爐燃燒技術(shù)還可以大大降低污染物NOx的排放量。

2 基于O2 和CO分析控制的加熱爐燃燒技術(shù)對比

2.1 基于O2 分析控制的加熱爐燃燒技術(shù)

目前國內(nèi)延遲焦化加熱爐普遍采用的是基于O2含量控制的加熱爐燃燒技術(shù)，此技術(shù)通常利用氧化鋯在輻射室頂部定點(diǎn)測量煙氣中的氧含量，監(jiān)測控制加熱爐的燃燒，氧含量一般控制在3%以上，很難接近加熱爐的理論配比燃燒，主要存在以下不足：

1）受瓦斯組分影響較大

在煉廠實(shí)際生產(chǎn)中不可避免地會(huì)發(fā)生燃料氣組分變化、熱值波動(dòng)等導(dǎo)致火焰不穩(wěn)、撲爐管或墻磚等燃燒工況，這種不完全燃燒造成CO含量和O2含量同步升高，給操作帶來難度。

2）不能準(zhǔn)確反映加熱爐燃燒狀況

加熱爐氧含量測量常利用氧化鋯元件，由于氧化鋯對測量溫度的要求，通常安裝在輻射室煙道中進(jìn)行定點(diǎn)測量。煙氣的偏流以及煙氣的混合均勻性都會(huì)直接影響測量的準(zhǔn)確度，氧化鋯的測量值不能充分反映加熱爐燃燒器的燃燒情況。

3）不能及時(shí)調(diào)整加熱爐燃燒工況

由于氧化鋯基于電化學(xué)原理，測量過程緩慢，監(jiān)測相對滯后，加熱爐的控制策略無法對照加熱爐監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整。

4）加熱爐漏風(fēng)對氧氣測量的影響

空氣通過看窗、安全門等部位泄漏進(jìn)負(fù)壓加熱爐也會(huì)導(dǎo)致加熱爐氧含量偏高，誤導(dǎo)操作人員逆向調(diào)節(jié)。因此，使用基于O2含量分析控制的加熱爐燃燒技術(shù)調(diào)節(jié)加熱爐燃燒時(shí)都會(huì)留有一定的安全余量，這也就使氧含量偏高，加熱爐熱效率相應(yīng)偏低，進(jìn)一步加劇污染物排放和露點(diǎn)腐蝕等負(fù)面影響。

2.2 基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術(shù)

1）該技術(shù)直接測量的是CO 濃度，CO 是燃燒的直接產(chǎn)物，而加熱爐的燃燒波動(dòng)，通過CO 含量的變化可以迅速直觀地察覺，數(shù)據(jù)更加直觀。

2）CO濃度的監(jiān)測采用量子串級激光技術(shù)，不受溫度條件的限制，測量點(diǎn)設(shè)在對流段或在引風(fēng)機(jī)入口上，監(jiān)測的中紅外光束直接橫穿煙道，確保檢測值不留死角實(shí)時(shí)覆蓋煙氣中全部CO，而且利用分析儀中的濾光器可以消除其他無關(guān)氣體的干擾，操作針對性更強(qiáng)，安全性更高。

3）由于空氣中沒有CO，所以加熱爐漏風(fēng)對CO濃度的測量不會(huì)帶來影響，可以使操作調(diào)節(jié)更積極主動(dòng)。

4）量子串級激光技術(shù)1 s 可以測量7 次，信號傳輸速度快、準(zhǔn)確率高。在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)改變鼓風(fēng)機(jī)變頻時(shí)，CO 濃度的測量比O2含量的測量反應(yīng)速度快15 s左右，使得操作調(diào)節(jié)更及時(shí)快速。

3 長周期工業(yè)應(yīng)用情況

3.1 實(shí)施情況

該焦化裝置加熱爐共有6 個(gè)爐膛，每2 個(gè)爐膛共用一個(gè)對流室，每個(gè)爐膛有兩排共計(jì)28 個(gè)燃燒器。爐膛風(fēng)道的設(shè)計(jì)是從爐膛靠近鼓風(fēng)機(jī)的一端通向另外一端，而爐膛燃料氣設(shè)計(jì)方向與風(fēng)道的流向相反，所以沿著風(fēng)道方向風(fēng)壓逐漸減小，而燃料氣的壓力卻逐漸增大，為確保每個(gè)燃燒器最大可能接近燃燒配比，風(fēng)壓較小位置燃燒器風(fēng)量控制在接近理論配比，最大程度的減少不完全燃燒的火嘴，那么風(fēng)壓大的燃燒器不可避免導(dǎo)致處于空氣過剩狀態(tài)，這導(dǎo)致爐膛的整體氧含量會(huì)控制在較高水平。

基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術(shù)擺脫了以氧含量為控制指標(biāo)的理念，直接控制燃燒過程產(chǎn)生的CO濃度，CO僅僅是烴類不完全燃燒的直接產(chǎn)物，不受其他因素干擾，通過在加熱爐引風(fēng)機(jī)入口安裝CO分析儀進(jìn)行監(jiān)控。

通過監(jiān)控CO分析儀數(shù)值同時(shí)觀察爐膛氧含量，判斷出配比不理想的燃燒器，并通過現(xiàn)場的二次風(fēng)門進(jìn)行調(diào)整，通過調(diào)整每個(gè)燃燒器的配比，使所有的燃燒器風(fēng)量處于理論配比狀態(tài)，降低整個(gè)爐膛的過?？諝庀禂?shù)，提高加熱爐整體熱效率。

將基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術(shù)引入原有控制系統(tǒng)中，可以進(jìn)行無擾動(dòng)切換（切換主要用于爐膛在線清焦工況時(shí)），通過CO在線分析儀測量加熱爐三個(gè)爐膛混合后煙氣中的CO 濃度，并控制在50～150μg/g之間，DCS系統(tǒng)根據(jù)CO濃度的控制值與實(shí)際測量值之差輸出信號給鼓風(fēng)機(jī)變頻器，以達(dá)到控制鼓風(fēng)機(jī)變頻開度的目的。當(dāng)CO 濃度高則需要提高鼓風(fēng)機(jī)變頻則加大供風(fēng)量，當(dāng)CO 濃度低則減少鼓風(fēng)機(jī)變頻降低供風(fēng)量。該系統(tǒng)可以與已有的O2含量控制系統(tǒng)整合，當(dāng)CO分析儀故障時(shí)可以無擾動(dòng)地切換到O2含量控制系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)投用效果分析

表1 為該系統(tǒng)投用后的標(biāo)定數(shù)據(jù)，不難看出基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術(shù)投用后加熱爐熱效率提高了0.68百分點(diǎn)達(dá)到92.89%，加熱爐燃料節(jié)省53.88 m3/h，鼓風(fēng)機(jī)變頻由35%降低至20%，用電量節(jié)省36.11 kW·h/h，加熱爐中CO平均濃度控制在45μg/g以下，NOx濃度由40.1 mg/m3降至26.8 mg/m3，一年內(nèi)可能減排NOx14 t，減排量達(dá)47%以上，加熱爐排煙量降低6 500 m3/h。

3.3 周期性操作的控制調(diào)節(jié)

為了提高焦化裝置周期性波動(dòng)較大（翻四通和焦炭塔預(yù)熱等）的操作平穩(wěn)性，在加熱爐DCS 優(yōu)化控制上采取了CO 輸出控制鼓風(fēng)機(jī)變頻，同步鼓風(fēng)機(jī)比值前饋輸出和爐膛負(fù)壓（取各分爐膛負(fù)壓最高值）反饋相結(jié)合的調(diào)節(jié)輸出對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行綜合變頻控制，同步兼顧加熱爐的快速控制和精細(xì)調(diào)節(jié)。基于CO 分析技術(shù)控制加熱爐負(fù)壓自動(dòng)控制邏輯見圖2。

表1 CO 分析控制加熱爐燃燒技術(shù)投用前后關(guān)鍵參數(shù)變化對比

這使得周期性波動(dòng)操作的平穩(wěn)性更強(qiáng)，在該工況下O2含量短時(shí)間會(huì)升高至1.0%～1.7%，相比CO分析控制投用之前大幅度下降，操作人員的工作量明顯降低。

圖2 基于CO分析技術(shù)控制加熱爐負(fù)壓自動(dòng)控制邏輯

3.4 長周期運(yùn)行的平穩(wěn)性

自2017 年3 月以來CO 分析控制的加熱爐已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行了35個(gè)月，整體運(yùn)行平穩(wěn)，僅在加熱爐在線清焦時(shí)需要切換至氧含量控制系統(tǒng)。該焦化加熱爐O2含量基本控制在0.5%～1.2%，隨著氧含量的降低，加熱爐熱效率總體提高至92.8%～93.5%，每年可節(jié)省燃料費(fèi)用130萬元，降低電費(fèi)20萬元，約20個(gè)月可以收回投資成本。

另外，在運(yùn)行中裝置負(fù)荷變化對該系統(tǒng)的影響較小，加熱爐氧含量總體比較平穩(wěn)，具體見表2。

表2 CO 分析控制加熱爐燃燒技術(shù)對裝置負(fù)荷變化的適應(yīng)性

4 結(jié)論

基于CO 分析控制的加熱爐投用后，加熱爐的燃燒接近理論燃燒狀態(tài)，基本實(shí)現(xiàn)空氣與燃料的最佳燃燒配比，爐膛氧含量由原來的3.33%降低至0.75%，平均熱效率可以穩(wěn)定在93%以上。燃料可節(jié)省53.88 m3/h，鼓風(fēng)機(jī)變頻由35%降低至20%，用電量降低36.11 kW·h/h，節(jié)能效果明顯，一年內(nèi)約減少NOx排放14 t，排煙量降低6 500 m3/h，環(huán)保效益也十分明顯。該技術(shù)的應(yīng)用使焦化加熱爐的運(yùn)行也更加穩(wěn)定。