一種在線不停爐低氮燃燒器的改造方法

王艷麗

(中國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鞯内厔荨！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，在火盆無法更換的情況下，將老式的空氣分級式燃燒器改造為燃料分級式燃燒器。本文是一種將老式圓形的空氣分級式燃燒器在原有耐火磚的基礎(chǔ)上，改造為燃料分級式燃燒器的方法。

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，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是在烴類燃料過濃時(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)，對溫度的依賴性小；

3) 燃料型NOx，是指燃料中的含氮化合物在燃燒過程中進(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；二是抑制燃燒過程中NOx的產(chǎn)生，即采用低氮燃燒器；三是對生成的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：分級燃燒空氣，燃料分級燃燒，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和煙氣再循環(huán)兩種技術(shù)。

1.2.1 燃料分級

燃料分級燃燒技術(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燃燒區(qū)，一級燃料氣在大量過?？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多。二級燃料氣噴嘴通常布置在火道磚外側(cè)，將二級燃料注入來自上游的混合煙氣中。由于氧氣濃度已大大降低，此處可稱之為濃燃燒區(qū)，該區(qū)域的燃燒速度受到限制，溫度同樣受到控制。二級燃料氣高速噴射可產(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^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)與燃料分級配合使用，是目前降低NOx的最有效方法。

燃?xì)夥旨壟c煙氣回流技術(shù)示意見圖2。

圖2 燃料分級與煙氣回流技術(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式燃燒器改造為燃料分級式燃燒器的技術(shù)問題，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式燃燒器，中心1支瓦斯槍，通過耐火磚進(jìn)行空氣分級。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)方案在線逐臺改造。具體技術(shù)方案如下：

1) 結(jié)合現(xiàn)場情況，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

原有中心瓦斯槍位置設(shè)置一級燃料瓦斯槍，在火盆磚與火道磚之間的間隙空間位置增加二級燃料瓦斯槍，實(shí)現(xiàn)燃料分級。同時(shí)利用噴嘴向外的傾斜角度，將二級燃料在相對有限的空間內(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) 依靠高速噴射火焰的卷吸作用，實(shí)現(xiàn)煙氣內(nèi)回流

煙氣回流到燃燒區(qū)域主要依據(jù)燃燒器的氣體動力學(xué)原理，依靠高速噴射火焰的卷吸作用，使氣流產(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)，初步確定一級槍開孔數(shù)量及夾角、二級槍的數(shù)量；

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

c) 再通過調(diào)整一級槍開孔尺寸、二級槍開孔尺寸和開孔外傾角度來進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)對比，確定最優(yōu)改造方案，由空氣分級改為燃料分級結(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 改造后的燃料分級燃燒器

4) 逐臺在線更換燃燒器

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，開展熱態(tài)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)效果對比，確定燃燒器最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。

3.1 確定一級槍開孔數(shù)量及夾角、二級槍的數(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)；二級槍4支。

3.2 全爐膛CFD數(shù)值模擬結(jié)果

通過調(diào)整一級槍開孔尺寸范圍，二級槍的開孔數(shù)量及夾角、開孔尺寸范圍、開孔角度范圍等，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。

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

根據(jù)上述選取的工況，進(jìn)行CFD數(shù)值模型對爐膛內(nèi)的溫度場、速度場、CO和NOx濃度場進(jìn)行分析。確定燃燒器最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為： 一級槍即主槍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)整一級槍開孔尺寸，二級槍開孔尺寸、開孔外傾角度，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)場施工

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

圖7 一級、二級燃料噴頭結(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、長明燈)，將按照改造方案設(shè)計(jì)的瓦斯槍、長明燈位置開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燃料槍開孔位置進(jìn)行定位開孔，開孔尺寸滿足燃料氣套管直徑要求，并能夠順利穿過風(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；

5) 安裝長明燈；

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) 對燃燒器殼體與耐火磚利舊，通過大比例燃料分級設(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。