李 凱，李長春，楊 洋，楊幸儒

(中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628000)

川氣東送項目是繼西氣東輸工程之后我國天然氣管網(wǎng)建設歷程中的又一標志性事件，元壩凈化廠作為川氣東送項目中高含硫氣田的重要凈化基地，每年的凈化氣量均超過35億m3(20 ℃、101.325 kPa，下同)，在2019年，凈化廠的天然氣凈化量達到40.5億m3，業(yè)已成為“川氣東送”持續(xù)發(fā)展的核心陣地【1】，對促進中西部產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和沿江區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展意義重大。

元壩凈化廠凈化的原料氣中H2S含量較高(平均濃度：5.55vol,%)，為了保證尾氣中SO2等廢氣排放達到國家要求， 元壩凈化廠通過工藝對比， 選擇加氫還原再胺液吸收的尾氣處理辦法，加氫燃燒器即為該工藝的核心設備。加氫燃燒器在面臨高含硫、高腐蝕環(huán)境的同時還面臨著高溫、臨氫等惡劣環(huán)境【2】，長期被元壩凈化廠列為重點關(guān)注設備。監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，4套聯(lián)合裝置均出現(xiàn)不同程度的加氫燃燒器外壁超溫的共性問題。加氫爐外壁溫度持續(xù)升高已經(jīng)給凈化廠的安全生產(chǎn)帶來較大安全隱患，一旦險情蔓延，現(xiàn)場應急處置和搶修形勢將十分嚴峻，這些問題已成為制約元壩氣田安全、 平穩(wěn)、 高效運行的瓶頸， 因此分析加氫燃燒器局部超溫原因并制定出相應應對措施，對加氫燃燒器的后期維護保養(yǎng)，甚至整個凈化廠的生產(chǎn)運營都具有重要意義。加氫燃燒器局部超溫的原因較多，本文僅討論其主要原因——加氫燃燒器的燃燒室溫度對加氫燃燒器局部超溫的影響。

1 加氫燃燒器運行現(xiàn)狀

1.1 加氫燃燒器工作原理

元壩凈化廠尾氣處理單元采用的是還原吸收工藝，在加氫燃燒器內(nèi)使燃料氣發(fā)生如下次氧化反應生成還原性氣體H2與CO：

CO+H2O(氣)→CO2+H2

來自硫磺單元的尾氣進入加氫燃燒器，與燃燒器中次氧化反應產(chǎn)生的還原性氣體進行混合，并將溫度升高至280 ℃，再進入加氫反應器內(nèi)使尾氣中所含的SO2等與還原性氣體在催化劑作用下發(fā)生如下反應，轉(zhuǎn)化為可用MDEA(甲基二乙醇胺)進行吸收的H2S。

SO2+3H2→H2S+2H2O

Sx+xH2→xH2S

尾氣處理單元中，需正確控制加氫燃燒器燃燒空氣的流量以達到控制燃燒室溫度的目標。尾氣中的硫化物與加氫爐所產(chǎn)生的還原性氣體(CO、H2)發(fā)生還原反應生成H2S氣體，H2S氣體再經(jīng)過E-401冷卻器冷卻后進行胺液吸收，從而達到降低尾氣排放的環(huán)保要求。

為保證加氫燃燒器能在高溫、高含硫條件下長期穩(wěn)定運行，元壩凈化廠對比分析了國內(nèi)外多家廠商燃燒器的優(yōu)缺點，最終選擇了由荷蘭Duiker公司設計的燃燒器。該燃燒器的主體結(jié)構(gòu)由1個帶耐火內(nèi)襯噴嘴燃燒區(qū)的氣體箱、1個空氣調(diào)節(jié)器、1把燃料氣槍和1個氣鼻組成。

燃燒器殼體材質(zhì)為歐標ASTM A-516Gr.70，相當于國內(nèi)碳鋼材料Q345R，殼體厚度為14 mm，耐熱溫度為425 ℃。燃燒室內(nèi)澆筑有耐火隔熱襯里，厚度為251 mm。耐火襯里設計耐熱最高溫度為1 750 ℃，在正常操作條件下燃燒室內(nèi)燃燒溫度預計為1 600 ℃；燃燒器殼體溫度為170～300 ℃，其設計最高溫度為350 ℃。

1.2 加氫燃燒器外壁局部超溫問題

日常巡檢測溫發(fā)現(xiàn)，四聯(lián)合加氫燃燒器觀火孔根部溫度高達470 ℃，為了解其他聯(lián)合觀火孔情況，對另外3套聯(lián)合裝置也進行了全面檢測。測量發(fā)現(xiàn)，三聯(lián)合爐頭觀火孔根部附近溫度達到481 ℃，二聯(lián)合達到355 ℃，一聯(lián)合為200 ℃(正常溫度)，并且三聯(lián)合加氫燃燒器觀火孔處殼體外壁已過燒發(fā)黑(如圖1所示)，第一、二、四聯(lián)合沒有發(fā)黑情況。

圖1 三聯(lián)合加氫燃燒器觀火孔及其根部過燒情況

1.3 外壁局部超溫原因確認

圖2(a)～圖2(b)為燃燒器內(nèi)部襯里情況。由圖2(a)可見，加氫燃燒器襯里出現(xiàn)明顯裂紋，該裂紋基本貫穿整個耐火磚層，使爐膛內(nèi)的高溫氣體可通過耐火磚縫隙直接滲透至耐火磚層，并且部分位置澆筑層縫隙處的耐火材料存在如圖2(b)所示的破碎并從本體脫落的現(xiàn)象。根據(jù)爐頭襯里的失效情況，同時結(jié)合加氫爐襯里設計資料分析得知，襯里材料出現(xiàn)裂紋導致加氫爐金屬外壁超溫的原因有燃燒室溫度偏高、自身材質(zhì)、大氣腐蝕等，其中燃燒室溫度影響較大，故本文主要討論燃燒室溫度偏高對加氫燃燒器外殼超溫的影響。

圖2 燃燒器內(nèi)部襯里情況

2 分析討論

加氫燃燒器燃燒室溫度主要受配風比和降溫蒸汽流量的影響，故從這兩個方面進行討論。

2.1 燃料氣配風比的影響

加氫爐運行過程中，燃料氣為欠氧燃燒，燃燒空氣與燃料氣配比過大會造成加氫燃燒器爐膛溫度過高。根據(jù)剛玉耐火磚的基本性質(zhì)可知，聯(lián)合裝置加氫爐剛玉磚的最高運行溫度為1 600～1 670 ℃。

2.1.1 配風比對溫度的影響

為使加氫燃燒室工作溫度處于耐火磚能夠承受的溫度范圍內(nèi)，采用調(diào)整加氫爐原料氣配風比的方法進行控制。本文分別計算了燃料氣的配風比(摩爾比)為7.5∶1、 7.9∶1、 8.3∶1、 8.7∶1、 9.1∶1和9.5∶1的情況下燃燒室內(nèi)火焰溫度，得到燃燒室中間剖面上的溫度分布云圖，如圖3(a)～圖3(f)所示。

圖3 燃燒室中間剖面上的溫度分布云圖

由圖3(a)～圖3(f)可知，隨著配風比的增大，高溫區(qū)域不斷增大，火焰的長度不斷增加，燃燒室出口端溫度也逐漸升高。這也進一步證明,提高配風比可以獲得更高的燃燒溫度。導致這一現(xiàn)象的原因是爐膛內(nèi)部燃料燃燒充分從而釋放出了更多的熱量。另外隨著配風比的增大，火焰有一定程度的向上傾斜，這是因為CH4燃燒后形成的煙氣密度較小、向上流動，從而導致火焰向上偏斜。這與裝置現(xiàn)場燃燒室上部耐火磚失效情況一致。再者隨著加氫爐配風比的增大，火焰長度明顯增大，當加氫爐配風比超過8.3∶1時，火焰會對燃燒室尾部造成沖擊，且因燃料氣存在波動，使得火焰對加氫爐法蘭連接處耐火磚高溫沖擊及長周期不穩(wěn)定火焰沖擊強度增加，由于加氫燃燒器與加氫爐爐膛采用的是法蘭連接，而該法蘭連接處采用防火棉進行密封，長期的火焰沖擊會加快防火棉失效，使得該法蘭連接處溫度偏高。上述分析表明，在日常操作中，燃燒室存在配風比過大導致燃燒室超溫的情況，長時間在超溫工況下運行則進一步導致了加氫燃燒器結(jié)構(gòu)損壞。為了避免加氫燃燒器因完全燃燒而超溫，將配風比嚴格控制在8.3∶1左右較為合適。

2.2 降溫蒸汽流量的影響

在加氫爐正常運行時，通過低壓降溫蒸汽吸熱來降低燃燒室內(nèi)的反應溫度。蒸汽流量過小，燃燒室內(nèi)溫度無法下降至工藝參數(shù)要求的爐膛溫度，會降低爐頭的使用壽命；蒸汽流量過大則會導致燃燒室溫度過低，且燃燒室內(nèi)H2S與降溫蒸汽結(jié)合形成酸性氣體，腐蝕燃燒室內(nèi)耐火材料，降低耐火材料的使用壽命。

加氫燃燒器燃燒室耐火磚的化學成分主要是Al2O3,其次是SiO2。研究結(jié)果認為【3】：當有大量蒸汽存在時，SiO2會發(fā)生溶解；溫度在816 ℃以上時，SiO2則會從耐火材料中被蒸餾出來。耐火材料的強度降低程度隨蒸汽分壓的增加和溫度的提高而增大。因此，生產(chǎn)中需要嚴格控制進入加氫爐燃燒室的降溫蒸汽量。

在正常條件下，凈化廠加氫爐燃燒室內(nèi)的溫度約為1 600 ℃，降溫低壓蒸汽溫度約為150 ℃。為確定正常工作條件下的蒸汽流量，需要對燃燒室內(nèi)的熱量進行相關(guān)計算。通過分析可知，在加氫爐燃燒室內(nèi)存在燃燒反應、多種熱傳遞反應等復雜工況，因此根據(jù)火用的概念來進行計算。

火用效率=Ex(收益)/Ex(支付)

(1)

根據(jù)熱量火用的概念【4】，可以推出表達式中含有熱效率與水蒸氣平均吸熱溫度的燃燒室火用效率公式。燃燒室水蒸氣工質(zhì)的有效吸熱效率為：

Qg=BQyΓg

式中：Qg——燃燒室有效吸熱量，kJ；

B——燃料消耗量，kg；

Qy——燃料應用極低位發(fā)熱量，kJ；

Γg——燃燒室的熱效率，%。

水蒸氣平均吸熱溫度Tm為：

(2)

式中：Tm——水蒸氣平均吸熱溫度,K；

h——降溫蒸汽的焓值，kJ/kg；

s——降溫蒸汽的熵值，kJ/(kg·K)。

查詢水蒸氣的焓熵圖可以得知，蒸汽壓力0.06 MPa、溫度150 ℃、焓值為2 796.2 kJ/kg時的熵值為s=7.8 kJ/(kg·K)。由此計算可得：

燃燒室水蒸氣工質(zhì)獲得的熱量火用為：

(3)

式中：EQ——燃燒室水蒸氣工質(zhì)所獲得的熱量火用，kJ；

T0——燃燒室溫度，K，當環(huán)境溫度保持在1 600 ℃時，T0=1 873.15 K。

按照目的火用效率定義【5】，燃燒室火用效率應為：

(4)

式中：Γr——燃燒室火用效率，%，根據(jù)加氫燃燒器相關(guān)資料得知，Γr=91.7%；

ef——原料氣的化學火用，kJ/kg。

以龜山-吉田體系為計算基準,則甲烷的標準摩爾化學火用為51 886.8 kJ/kg。

燃燒室熱效率Γg與水蒸氣的平均吸熱溫度Tm對燃燒室火用效率Γr的影響程度可根據(jù)小偏差法原理來確定。當Γg和Tm產(chǎn)生小的偏差后，對Γr的影響可用其相對變化率的一次方表示，即：

X與B表示參量Γg與Tm對燃燒室火用的影響因子，其值反映了這兩個參量相對變化時所引起的燃燒室火用效率的相對變化率，即Γg與Tm對Γr的影響的大小，取決于其影響因子X和B的大小。

當X=B時，Tm=2T0，Γg與Tm對燃燒室火用的影響同等重要；當XB時，Tm>2T0，則Γg對Γr的影響較大。

將燃燒室溫度T0=1 873.15 K、蒸汽吸熱溫度Tm=128 513 K代入式(3)進行計算可得，每kg燃料氣在燃燒室發(fā)生完全燃燒時，為將爐溫降低至1 600 ℃,蒸汽工質(zhì)所需吸收的熱量火用為：

根據(jù)燃燒室的工況可知，水蒸氣在燃燒室內(nèi)溫度由150 ℃升高至1 600 ℃，由于水蒸氣的比熱容c=2.08 kJ/(kg·℃)，因此,每kg燃料氣在燃燒室發(fā)生完全燃燒時所需的水蒸氣流量為：

≈0.325 kg

根據(jù)聯(lián)合裝置DCS系統(tǒng)對燃料氣流量的監(jiān)控可以得知，進入加氫燃燒室的燃料氣流量約為185 kg/h，因此，甲烷在燃燒室完全燃燒時所需的降溫蒸汽流量約為：

m=0.325×190=61.75 kg/h

通過對相關(guān)計算式進行分析可知，水蒸氣平均吸熱溫度的大小主要取決于燃燒室蒸汽的參數(shù)。當燃燒室入口蒸汽溫度不變而提高蒸汽壓力(提高蒸汽流量)時，降溫蒸汽平均吸熱溫度明顯上升， 當蒸汽壓力不變而提高燃燒室入口蒸汽溫度時，降溫蒸汽平均吸熱溫度上升趨勢減緩，故降溫蒸汽流量控制在61.75 kg/h較為合適。

2020年1月起，4臺加氫爐均在如上配風比和蒸汽流量值附近進行操作，每日對加氫爐外壁進行測溫，截至2021年6月15日，測量最高溫度均小于300 ℃。

3 結(jié)語

通過分析討論加氫燃燒器超溫原因，得到如下結(jié)論：

1) 不合適的配風比會導致燃燒室溫度偏高、火焰長度偏長，對加氫燃燒器尾部沖擊較大；配風比控制在8.3較為合適。

2) 減溫蒸汽流量對燃燒室溫度影響較大，流量過低會導致燃燒室溫度過高，流量過高則會導致燃燒室溫度降低，且在高溫條件下，蒸汽環(huán)境會使耐火材料中的SiO2被蒸餾出，從而導致耐火材料強度降低；計算結(jié)果顯示，蒸汽流量控制在61.75 kg/h較為合適。