孫全勝，謝金剛

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300450；2.北京泓泰天誠(chéng)科技有限公司，北京 100102）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，節(jié)能環(huán)保已成為政府和社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。工業(yè)和信息化部組織實(shí)施“十四五”工業(yè)節(jié)能監(jiān)測(cè)計(jì)劃，對(duì)煉化等行業(yè)實(shí)施專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)察，相比于“十三五”的能耗標(biāo)準(zhǔn)，“十四五”的要求更高。生態(tài)環(huán)境部在中央經(jīng)濟(jì)會(huì)上做出了碳達(dá)峰、碳中和的工作安排，并將開(kāi)展碳排放的配額分配，啟動(dòng)全國(guó)碳市場(chǎng)履約周期。屆時(shí)對(duì)石化行業(yè)的排放指標(biāo)要求更趨嚴(yán)格。

石化行業(yè)能源消費(fèi)量和碳排放量位居各行業(yè)前列，煉油、乙烯等是石化行業(yè)節(jié)能降碳的重點(diǎn)領(lǐng)域。中國(guó)石化于2020年提高了重點(diǎn)地區(qū)重點(diǎn)企業(yè)加熱爐的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，其中重點(diǎn)企業(yè)加熱爐NOx排放濃度控制在60 mg/m3以下，重點(diǎn)區(qū)域加熱爐NOx排放濃度控制在70 mg/m3以下?！?021中國(guó)能源化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》[1]中指出，2025年化工產(chǎn)業(yè)單位GDP能耗比2020年降低約17%。加熱爐是石化企業(yè)重要的耗能設(shè)備，同時(shí)也是CO2、NOx等污染物排放的主要來(lái)源。對(duì)石化企業(yè)加熱爐進(jìn)行燃燒優(yōu)化，提高加熱爐熱效率，減少污染物排放，已變得非常迫切。

1 加熱爐節(jié)能環(huán)保現(xiàn)狀

對(duì)于石化行業(yè)來(lái)說(shuō)，用能主要存在加熱爐熱效率偏低、能量系統(tǒng)優(yōu)化不足、耗電設(shè)備能耗偏大等問(wèn)題。其中，加熱爐是石化行業(yè)內(nèi)耗能大戶，占企業(yè)能耗的80%以上。加熱爐的運(yùn)行過(guò)程是由燃料燃燒產(chǎn)生熾熱的火焰以及高溫的氣流，通過(guò)輻射傳熱的形式將熱量傳給管壁，由管壁以對(duì)流形式將熱量傳給物料。加熱爐的熱效率是衡量加熱爐在實(shí)現(xiàn)其加熱任務(wù)的過(guò)程中所耗燃料的重要指標(biāo)。

影響加熱爐熱效率的主要因素有排煙損失、不完全燃燒損失和散熱損失[2]。目前主要通過(guò)降低排煙溫度和減少過(guò)?？諝庀禂?shù)來(lái)降低排煙損失；通過(guò)在爐體上增加高性能保溫材料和對(duì)加熱爐密封處理來(lái)減少加熱爐的散熱損失；通過(guò)對(duì)燃燒優(yōu)化調(diào)整來(lái)降低不完全燃燒損失；通過(guò)對(duì)燃?xì)饷摿蛎撓?，更換低氮燃燒器等來(lái)減少污染物的排放。從各煉廠運(yùn)行參數(shù)看，除了新增的加熱爐熱效率會(huì)達(dá)到93%外，其他加熱爐熱效率基本在90%～93%，更有一些設(shè)備老化的加熱爐整體熱效率處于90%以下。如何在不進(jìn)行大規(guī)模改造的情況下提高加熱爐的運(yùn)行熱效率一直是煉化企業(yè)的目標(biāo)。

2 理論配比燃燒優(yōu)化控制（HSCO）技術(shù)

國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)制定的《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南（2022年版）》（簡(jiǎn)稱(chēng)《實(shí)施指南》）子行業(yè)報(bào)告《煉油行業(yè)節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南》中明確提出，CO燃燒控制技術(shù)是推薦目錄中的綠色工藝技術(shù)，采用該技術(shù)可有效提高加熱爐熱效率。HSCO技術(shù)就是一種CO燃燒控制技術(shù)，包括：HSCO在線檢測(cè)技術(shù)、燃燒器調(diào)優(yōu)工程技術(shù)和HSCO控制策略技術(shù)。HSCO技術(shù)通過(guò)控制理論配比狀態(tài)下產(chǎn)生的微量CO，來(lái)降低加熱爐的整體過(guò)?？諝庀禂?shù)，同時(shí)在實(shí)施過(guò)程中對(duì)加熱爐的燃燒狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)加熱爐的高效率運(yùn)行，減少CO2和NOx的排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

2.1 HSCO技術(shù)原理

燃料與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)產(chǎn)生H2O和CO2，當(dāng)欠氧時(shí)就會(huì)產(chǎn)生CO?；诖嗽恚訡O為控制指標(biāo)，把燃燒控制在完全燃燒和不完全燃燒的臨界點(diǎn)上，即可實(shí)現(xiàn)理論配比燃燒。HSCO技術(shù)原理見(jiàn)圖1。

圖1 HSCO技術(shù)原理

HSCO技術(shù)的主要原理是控制燃料和空氣在理論配比情況下的燃燒。當(dāng)爐膛氧含量少于燃料氣的理論配比時(shí)，燃燒第一副產(chǎn)物為CO。該控制技術(shù)通過(guò)設(shè)置煙氣CO含量和送風(fēng)擋板回路，控制煙氣中的CO在微量狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)理論配比燃燒。由于CO是燃燒不穩(wěn)定的主要因素，該控制技術(shù)將不穩(wěn)定因素可視化，能夠在安全穩(wěn)定的情況下將過(guò)?？諝庀禂?shù)降至最小，使熱效率最優(yōu)，同時(shí)減少NOx和CO2的排放。

2.2 HSCO在線檢測(cè)技術(shù)

目前可用于CO檢測(cè)的方法主要有電化學(xué)檢測(cè)法、紅外光譜吸收法、氣相色譜分析法和激光技術(shù)。HSCO在線檢測(cè)技術(shù)是采用量子串級(jí)激光光源在線的CO分析儀，其技術(shù)特點(diǎn)：一是采用貫穿煙道式測(cè)量，光柱直徑可達(dá)50～100 mm，測(cè)量范圍覆蓋全煙道，真實(shí)有效地反映了燃燒產(chǎn)生的CO，具有高度代表性；二是該分析儀采樣時(shí)間僅0.1 s，對(duì)于CO的跟蹤無(wú)任何滯后，可在線快速實(shí)時(shí)測(cè)量檢測(cè)加熱爐煙氣中的CO。由于HSCO分析儀的檢測(cè)速率（10次/s）遠(yuǎn)高于氧化鋯檢測(cè)，且能準(zhǔn)確快速地檢測(cè)出煙道中的CO，極大提高了控制回路的跟蹤性，并以此來(lái)控制配風(fēng)，實(shí)現(xiàn)低氧環(huán)境下CO的快速響應(yīng)。

2.3 HSCO控制策略技術(shù)

HSCO控制策略技術(shù)是在已有的DCS控制系統(tǒng)中加入新的控制策略，將CO的控制納入。加熱爐燃燒控制CO含量在50～100 mg/m3內(nèi)[3]，遠(yuǎn)低于易燃物爆炸極限20 000～40 000 mg/m3?？梢跃_地調(diào)整空氣與燃料之間的比例，預(yù)測(cè)燃燒波動(dòng)，對(duì)滯后時(shí)間提前控制補(bǔ)償。

此外，HSCO控制策略技術(shù)還將已有控制系統(tǒng)的過(guò)程滯后時(shí)間和死區(qū)整合到這個(gè)控制邏輯中。將已有的安全系統(tǒng)進(jìn)行整合，當(dāng)CO分析儀發(fā)生故障時(shí)，可以安全自動(dòng)地切換到O2控制，保障技術(shù)應(yīng)用安全可靠。

2.4 燃燒器調(diào)優(yōu)工程技術(shù)

加熱爐的正常運(yùn)行除了需要合理控制參數(shù)外，還需要對(duì)加熱爐內(nèi)的各燃燒器進(jìn)行調(diào)優(yōu)。目前，國(guó)內(nèi)一些煉化企業(yè)加氫精制、焦化等裝置的加熱爐有相當(dāng)一部分煙氣中氧含量仍在2.5%以上，而CO排放值達(dá)到500 mg/m3以上，有很大調(diào)優(yōu)空間。

加熱爐如何實(shí)現(xiàn)接近理論配比條件（煙氣氧含量不高于1.0%）下安全正常運(yùn)行，不僅需要精準(zhǔn)的檢測(cè)設(shè)備，還需要合理的燃燒調(diào)整，作為HSCO技術(shù)中的重要一環(huán)，燃燒工程服務(wù)必不可少。

燃燒調(diào)優(yōu)工程技術(shù)主要是針對(duì)加熱爐中燃燒不正常的燃燒器進(jìn)行調(diào)整。在正常燃燒時(shí)，燃燒完全，火墻顏色一致，火焰高度適中[4]。燃燒不正常會(huì)呈現(xiàn)火焰發(fā)飄，綿軟無(wú)力，火焰根部呈深黑色，甚至煙囪冒黑煙等情況。

針對(duì)這些問(wèn)題，以HSCO技術(shù)為基礎(chǔ)的燃燒工程服務(wù)，其解決方案及實(shí)施步驟：①根據(jù)HSCO在線分析儀提供的CO含量數(shù)據(jù)，結(jié)合氧含量，以及現(xiàn)場(chǎng)燃燒器的火焰燃燒狀況，甄別出不平衡狀態(tài)的燃燒器；②對(duì)加熱爐整體運(yùn)行的狀態(tài)識(shí)別后提出解決方案；③對(duì)有明顯燃燒問(wèn)題的燃燒器進(jìn)行調(diào)整，使風(fēng)量和燃料配比能達(dá)到最佳狀態(tài)；④逐一調(diào)整直至所有燃燒器達(dá)到平衡燃燒狀態(tài)。

3 HSCO技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用

3.1 裝置現(xiàn)狀

本次HSCO控制系統(tǒng)應(yīng)用于某石化企業(yè)常壓加熱爐。常壓加熱爐（F101）共16臺(tái)燃燒器，每臺(tái)功率為5 MW，加熱爐的整體設(shè)計(jì)負(fù)荷為80 MW。受到加工量限制，該裝置正常運(yùn)行負(fù)荷僅有40 MW，為使加熱爐正常運(yùn)行，只運(yùn)行8臺(tái)燃燒器。在應(yīng)用HSCO技術(shù)前，加熱爐氧含量為2.8%～3.0%，排煙溫度為130～134℃。由于氧化鋯分析儀安裝位置不具備代表性，且控制回路AIC2101未經(jīng)參數(shù)整定，加熱爐的控風(fēng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)。加熱爐現(xiàn)場(chǎng)的大部分燃燒器出現(xiàn)了風(fēng)量配比不均衡和燃料閥開(kāi)度失準(zhǔn)的問(wèn)題（見(jiàn)圖2）。

圖2 裝置投用HSCO技術(shù)前的燃燒狀況

3.2 實(shí)施條件

HSCO技術(shù)的實(shí)施條件包括加熱爐配備強(qiáng)制供風(fēng)系統(tǒng)，鼓引風(fēng)機(jī)采用變頻且蝶閥靈活。實(shí)施過(guò)程中通過(guò)檢測(cè)的CO值控制鼓風(fēng)機(jī)變頻或風(fēng)道擋板控制進(jìn)風(fēng)量，進(jìn)而降低煙氣中的氧含量，提高加熱爐熱效率。具體條件：①?gòu)?qiáng)制通風(fēng)；②鼓風(fēng)機(jī)變頻或鼓風(fēng)機(jī)蝶閥靈活；③煙道擋板靈活；④有合適的安裝位置；⑤配備合適的控制策略。常壓加熱爐F101的整體狀況滿足基本實(shí)施條件，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，確定分析儀安裝在加熱爐的引風(fēng)機(jī)前預(yù)熱器后。

3.3 基于常壓加熱爐的控制策略

為了匹配HSCO技術(shù)，需要在常壓加熱爐F101現(xiàn)有DCS控制上引入新的控制策略（見(jiàn)圖3）。

圖3 常壓加熱爐爐F101的DCS控制策略

在常壓加熱爐實(shí)施HSCO技術(shù)，引入CO控制回路（AIC1111），采用選擇控制的方式對(duì)AIC1111和O2控制回路（AIC2101）進(jìn)行選擇后，聯(lián)合控制鼓風(fēng)機(jī)的入口碟閥開(kāi)度。為了確定控制的安全性，需要在控制策略中加入相應(yīng)的安全邏輯模塊，以確保裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。投入自動(dòng)模式后，對(duì)AIC1111和AIC2101控制回路的P/I/D均進(jìn)行了調(diào)整，最終確認(rèn)AIC1111的PID值。供風(fēng)系統(tǒng)與負(fù)壓系統(tǒng)均需投用自動(dòng)模式，采用同樣的方法確定負(fù)壓控制（PIC2102）的參數(shù)。當(dāng)加熱爐投用CO控制回路正常后，系統(tǒng)切回O2控制回路，同時(shí)調(diào)整AIC2101的P/I/D參數(shù)，最終確定參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 控制回路的P/I/D參數(shù)值

3.4 燃燒器調(diào)優(yōu)服務(wù)整體思路

觀察常壓加熱爐的燃燒情況，未進(jìn)行平衡燃燒調(diào)節(jié)前的燃燒器，其空氣量與燃料配比不平衡，燃燒器配比過(guò)高或過(guò)低，如果降低總空氣量，配比偏低的燃燒器會(huì)發(fā)生燃燒不充分而產(chǎn)生CO，甚至?xí)霈F(xiàn)燃料未完全燃燒的情況。

采用HSCO技術(shù)能逐漸減少總風(fēng)量，通過(guò)利用CO值，現(xiàn)場(chǎng)觀察和爐膛氧含量，判斷配比最差的燃燒器，并進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后，風(fēng)量和燃料的配比能達(dá)到最佳狀態(tài)。通過(guò)逐一調(diào)整每個(gè)燃燒器的配比，直至所有燃燒器都達(dá)到平衡燃燒的狀態(tài)。屆時(shí)將CO含量控制在50～100 mg/m3，氧含量能降至1%以下，爐膛內(nèi)燃料和配風(fēng)燃燒已經(jīng)達(dá)到理論配比。爐膛內(nèi)火焰燃燒基本一致，煙氣中氧含量減少，火焰短齊平（見(jiàn)圖4）。

圖4 調(diào)整后的燃燒器燃燒狀態(tài)

3.5 應(yīng)用效果

常壓爐F101實(shí)施HSCO技術(shù)后，在優(yōu)化運(yùn)行、安全生產(chǎn)、降低設(shè)備腐蝕等方面取得了良好的應(yīng)用效果，基本參數(shù)見(jiàn)表3。實(shí)施HSCO技術(shù)后，常壓爐F101的氧含量降至0.8%左右，投用前過(guò)?？諝庀禂?shù)為1.15，投用后為1.06；排煙溫度降低了5℃以上，且SO3產(chǎn)生的更少，露點(diǎn)溫度降低，后期可進(jìn)一步降低排煙溫度；相同進(jìn)料量的情況下，加熱爐所需燃料量也有所減少；投用前常壓熱效率為92.1%，投用后常壓爐的熱效率升至93.0%，熱效率提升0.9%[5]；投用前煙氣中NOx含量為42 mg/m3左右，投用后NOx含量為20 mg/m3左右，實(shí)現(xiàn)了減少50%以上NOx排放量。

表3 實(shí)施HSCO技術(shù)后的加熱爐主要運(yùn)行參數(shù)變化

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)加熱爐燃燒進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，通過(guò)降低過(guò)?？諝饬?，使燃燒接近理論配比狀態(tài)，該技術(shù)能夠顯著提高加熱爐的運(yùn)行效率，提升裝置的自控率，在低氧環(huán)境運(yùn)行時(shí)加熱爐的各項(xiàng)參數(shù)運(yùn)行平穩(wěn)，整體燃燒效果良好，加熱爐的熱效率能提高0.9%以上，帶來(lái)較好的節(jié)能效果；同時(shí)降低碳排放和NOx排放，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的雙贏。