富氧燃燒測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

蒲遠(yuǎn)洋 周明宇 王 非 游 龍 李 龍 曹 立

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 四川艾普熱能科技有限公司, 四川 成都 610041

0 前言

隨著工業(yè)的大力發(fā)展和環(huán)境保護(hù)要求更趨嚴(yán)格的現(xiàn)狀,能源的有效利用和開發(fā)新能源是目前發(fā)展的趨勢(shì),但同時(shí)環(huán)境保護(hù)技術(shù)也需要進(jìn)一步提升。在我國(guó)煤化工、天然氣化工和天然氣凈化中,二氧化硫、二氧化碳的排放是制約當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的兩大問(wèn)題,如何有效地解決這兩個(gè)問(wèn)題關(guān)系重大。我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó),根據(jù)《BP能源統(tǒng)計(jì)年鑒2018》[1]我國(guó)能源結(jié)構(gòu)總體趨勢(shì)是煤炭占比下降,天然氣前景廣闊。2017年我國(guó)一次能源消費(fèi)中,煤炭占比60%,預(yù)計(jì)2020年為56%,說(shuō)明以煤炭為主,同時(shí)開采天然氣作為清潔能源。煤和天然氣需要凈化處理回收硫和控制二氧化硫的排放。我國(guó)由于燃煤造成的二氧化硫和天然氣凈化排放的二氧化硫的總排放量居世界前列,二氧化硫的排放控制日趨嚴(yán)格。為減緩大氣污染,我國(guó)高度重視煤化工脫硫和天然氣凈化脫硫技術(shù),引進(jìn)和自建了大量的脫硫裝置回收硫,但還需要發(fā)展和應(yīng)用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)更有效的煙氣脫硫技術(shù),從而進(jìn)一步提高硫的回收率,并更有效地控制二氧化硫的排放。

在天然氣和煤化工脫硫中,常規(guī)克勞斯裝置均以空氣作為硫化氫的氧化劑,由于帶入了大量的氮?dú)獾榷栊詺怏w稀釋了過(guò)程氣,降低了裝置的總硫回收率。為此,20世紀(jì)80年代開發(fā)了以富氧空氣作為硫化氫氧化劑的富氧克勞斯工藝[2],提高裝置效率、擴(kuò)大裝置的處理能力,進(jìn)一步提升了對(duì)低硫化氫濃度酸氣的適應(yīng)性。由于較低的富氧程度可在較少的投入下獲得較多的收益,因此目前富氧克勞斯裝置大多在較低的富氧程度下運(yùn)行。

為了提高天然氣凈化中酸氣回收硫的回收率,在克勞斯硫黃回收工藝中,采用富氧/純氧技術(shù)。為了滿足富氧/純氧燃燒產(chǎn)生高溫對(duì)設(shè)備的要求,進(jìn)行測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì),解決設(shè)備耐高溫等實(shí)際工程問(wèn)題。

1 富氧燃燒技術(shù)現(xiàn)狀

富氧燃燒是用比通?？諝?含氧21%)含氧濃度高的富氧空氣進(jìn)行燃燒的統(tǒng)稱。

富氧燃燒的形式大致可分為:微富氧燃燒、富氧燃燒、純氧燃燒。

富氧燃燒的優(yōu)點(diǎn)是能加快燃燒速度,減少燃料燃盡時(shí)間;降低燃料的燃點(diǎn);提高燃燒的安全性;減少煙氣排放,同時(shí)縮小燃燒設(shè)備體積,減少工程投資成本[2]。

富氧燃燒的缺點(diǎn)是燃燒溫度高,對(duì)燃燒設(shè)備耐熱要求更高,特別是耐火材料選擇和其他降溫措施的開發(fā);因高溫問(wèn)題需要采用新監(jiān)測(cè)設(shè)備或新技術(shù);需要解決富氧點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定性等問(wèn)題。

富氧燃燒在多個(gè)行業(yè)都有成熟的應(yīng)用,如玻璃工業(yè)、冶金工業(yè),另外在熱能環(huán)保工程上也開展了研究及應(yīng)用。

1.1 國(guó)外富氧燃燒技術(shù)現(xiàn)狀

日本從20世紀(jì)80年代開始研究[2],歐美國(guó)家也相繼開展研究應(yīng)用,重點(diǎn)在于膜法制取富氧裝置的研究。膜法富氧用于助燃,提升熱利用率已廣泛應(yīng)用。

在2010年前,全球富氧燃燒技術(shù)試行與設(shè)計(jì)主要分布于北美洲、歐洲以及澳洲,該技術(shù)在硫回收領(lǐng)域得到了大量工業(yè)化應(yīng)用,國(guó)外已建設(shè)140多套裝置[3]。富氧燃燒產(chǎn)生的溫度極高,需要大量回流煙道氣以降低溫度避免損害爐體,但也因此增加了操作成本。國(guó)外公司研發(fā)高性能鍋爐,希望耐熱溫度可達(dá) 1 500 ℃,無(wú)需回流煙道氣,并提高熱效率。

1.2 國(guó)內(nèi)富氧燃燒技術(shù)現(xiàn)狀

2007年吉林大學(xué)建立了富氧助燃燃燒的數(shù)學(xué)模型[2],采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行理論計(jì)算及模擬分析,為富氧助燃技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。此實(shí)驗(yàn)及理論研究對(duì)實(shí)際鍋爐富氧助燃裝置的設(shè)計(jì)及改進(jìn)具有重要意義。

2010年,浙江大學(xué)和法國(guó)液化空氣集團(tuán)(AIR LIQUIDE S A)聯(lián)合在浙大玉泉校區(qū)共建了一套富氧燃燒聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,為當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的燃燒試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)瞄準(zhǔn)二氧化碳的捕獲,對(duì)富氧燃燒特性與控制以及其他污染物排放進(jìn)行一系列的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

2014年煙臺(tái)華盛燃燒設(shè)備工程有限公司已可生產(chǎn)富氧設(shè)備“膜法富氧助燃節(jié)能裝置”。該設(shè)備是當(dāng)時(shí)技術(shù)下富氧流量最大的。該設(shè)備可為富氧燃燒提供富氧,可提升15%左右節(jié)能效率。

2016年華中科技大學(xué)牽頭承擔(dān)的“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“35 MWth富氧燃燒碳捕獲關(guān)鍵技術(shù)、裝備研發(fā)及工程示范”順利通過(guò)驗(yàn)收。

國(guó)內(nèi)在富氧克勞斯工藝應(yīng)用上,也有多套裝置成功應(yīng)用。富氧克勞斯工藝的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)約裝置投資,提高生產(chǎn)能力,提高硫黃回收率;既有利于降低主燃燒爐中羥基硫、二硫化碳的生成,又能提高爐中氨的分解率[3-4]。

2 富氧燃燒測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

富氧燃燒測(cè)試平臺(tái)示意圖見圖1。

圖1 富氧燃燒測(cè)試平臺(tái)示意圖

富氧燃燒測(cè)試平臺(tái)由燃燒器、燃燒室、冷卻段、煙氣段組成。

測(cè)試平臺(tái)各段的功能:燃燒器內(nèi)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火控制、燃燒氣與富氧空氣預(yù)混合以及氣體燃燒;燃燒室區(qū)域?qū)崿F(xiàn)燃燒反應(yīng),并進(jìn)行煙氣測(cè)溫、煙氣采樣;冷卻段采用冷空氣摻和煙氣進(jìn)行降溫,并由煙囪排放;燃燒器錐段和冷卻段尾部安裝視鏡,觀察記錄燃燒實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2.2 燃燒室設(shè)計(jì)

燃燒室的設(shè)計(jì)按照“3 T”即煙氣停留時(shí)間(Time)、反應(yīng)溫度(Temperature)、絮流混合程度(Turbulance mixing)進(jìn)行工藝計(jì)算。

國(guó)外研究硫化氫灼燒的轉(zhuǎn)化率與過(guò)氧量、反應(yīng)溫度和停留時(shí)間存在關(guān)系[5],可以用公式[H2S]0=A×exp(B/T)×[H2S]i×T/([O2]i×t0)。王偉等人[6]給出了硫化氫反應(yīng)后尾氣中硫化氫濃度的系數(shù)公式[H2S]0=8.56×10-12×exp(25 300/T)×[SO2]0×T/(K[O2]0×t),張勇等人[7]總結(jié)出了燃燒室停留時(shí)間一般選取0.7～1.2 s,反應(yīng)溫度不宜超出 1 400 ℃,旋流系數(shù)一般大于0.65。

針對(duì)本富氧測(cè)試平臺(tái),考慮提升測(cè)試試驗(yàn)裝置的適用性,需要增加停留時(shí)間至3 s;同時(shí)反應(yīng)溫度需要根據(jù)富氧燃燒理論溫度計(jì)算確認(rèn),但需符合設(shè)備設(shè)計(jì)溫度。按照設(shè)計(jì)耐火材料設(shè)計(jì)溫度 1 750 ℃執(zhí)行,從而滿足試驗(yàn)反應(yīng)溫度 1 650 ℃的需要。旋流系數(shù)根據(jù)不同工況來(lái)確定，并通過(guò)研究不同的進(jìn)氣方式來(lái)滿足旋流系數(shù)。

由于燃燒溫度過(guò)高,對(duì)耐火材料耐高溫性能要求苛刻,為了保護(hù)耐火材料和延長(zhǎng)耐火材料壽命,需要從燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上想辦法,降低耐火材料因直接接觸火焰或受火焰熱輻射產(chǎn)生的壁溫。目前已有的技術(shù)包括冷膜風(fēng)環(huán)壁保護(hù)技術(shù)[8]、煙氣回環(huán)技術(shù)等。在設(shè)計(jì)此類燃燒室時(shí),需要進(jìn)行工程數(shù)據(jù)測(cè)試,為設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

富氧燃燒反應(yīng)溫度的提升,從氮氧化物反應(yīng)機(jī)理[9-10]上會(huì)造成熱力型氮氧化物濃度提升,因此測(cè)試平臺(tái)還需要控制氮氧化物的生成,并進(jìn)行監(jiān)控測(cè)試。因此燃燒室采用旋流結(jié)構(gòu)進(jìn)輔助氣體,在耐火襯里壁面形成一道冷氣膜來(lái)控制耐火襯里壁溫。另外燃燒器還需要采用旋流設(shè)計(jì)[8]。在旋流燃燒研究上,邵杰[11]分析了NOx旋流的燃燒性能,提出了NOx旋流燃燒的空氣動(dòng)力場(chǎng),并進(jìn)行模擬試驗(yàn),分析了各參數(shù)對(duì)空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響,建立了三維模型。另外李永華、董永勝等人[12-13]在模擬狀態(tài)和應(yīng)用裝置上進(jìn)行了旋流空氣動(dòng)力學(xué)研究。

2.3 高溫材料選擇

富氧燃燒產(chǎn)生高溫火焰和熱輻射,燃燒充分且燃燒時(shí)間短,燃燒室需要耐高溫。所以燃燒室耐火材料、燃燒室附件材料的性能,決定了富氧燃燒應(yīng)用的范圍及可行性。

從設(shè)計(jì)上看,首先要保證材料的耐火性能滿足高溫要求，采用高鋁或氧化鋯耐火材料來(lái)保障耐火溫度要求。耐火襯里厚度需要根據(jù)傳熱和壁溫條件進(jìn)行計(jì)算來(lái)確定。

高富氧燃燒,過(guò)程氣燃燒溫度可達(dá)到 1 650 ℃,因此,耐火材料使用溫度 1 760 ℃以上。在實(shí)際的富氧克勞斯工業(yè)裝置中,過(guò)程氣的溫度沒有達(dá)到理論溫度，在耐火材料的選擇上可選余地大,可解決 1 760 ℃高溫耐火材料的選擇難題。在標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20683《化學(xué)工業(yè)爐耐火、隔熱材料設(shè)計(jì)選用規(guī)定》[14]中規(guī)定了不同溫度下許用的耐火材料類型。對(duì)于過(guò)程氣的實(shí)際溫度,可以在測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)核實(shí),再與工業(yè)裝置進(jìn)行核對(duì),探討兩者存在差異的原因。

另外在煤化工硫回收中還需要考慮燒氨問(wèn)題,金洲[10]、馬恒亮等人[15]論述了燒氨的反應(yīng)機(jī)理,反應(yīng)溫度是基礎(chǔ),同時(shí)考慮硫化氫、二氧化硫濃度對(duì)其的影響。馬恒亮等人還闡述了在硫黃回收裝置中燒氨條件的優(yōu)化。燒氨溫度要求在 1 250 ℃以上,因此在富氧燃燒測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)中,需要考慮燒氨問(wèn)題,包括燒氨溫度、反應(yīng)停留時(shí)間和絮流混合程度。

2.4 煙氣參數(shù)監(jiān)測(cè)

由于燃料氣流量、燃燒配比不同,需要測(cè)量不同燃燒時(shí)間段的煙氣參數(shù)。在對(duì)燃燒高溫區(qū)煙氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí),要求實(shí)時(shí)采集且保證煙氣瞬時(shí)屬性不變,這對(duì)設(shè)計(jì)和測(cè)量技術(shù)提出了更高的要求。

富氧燃燒測(cè)溫主要技術(shù)包括接觸式測(cè)溫法和非接觸式測(cè)溫法[16]。在常規(guī)測(cè)量溫度參數(shù)時(shí),多采用熱電偶溫度計(jì)接觸式測(cè)溫法。而在測(cè)試平臺(tái),溫度可能超過(guò) 1 400 ℃,熱電偶溫度計(jì)需選擇TCBTCS型,在測(cè)試平臺(tái)裝置中,溫度要求更加精確,因此選擇TCB型,滿足溫度小于 1 800 ℃下范圍的測(cè)量。在條件許可的情況下,要求更高精度和位置準(zhǔn)確性時(shí),可采用非接觸式測(cè)溫法。

需要研究測(cè)試裝置不同燃燒點(diǎn)瞬間的火焰狀態(tài),需要檢測(cè)的煙氣參數(shù)包括氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、氧氣等組分的瞬間值。在燃燒狀態(tài),煙氣中的成分會(huì)瞬間發(fā)生變化,如何準(zhǔn)確檢測(cè)瞬間值是檢測(cè)的難點(diǎn)。

瞬間測(cè)定煙氣中的組分,可參考HJ/T 76-2017《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及監(jiān)測(cè)方法》[17]及HJ/T 75-2017《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[18]執(zhí)行,首先進(jìn)行煙氣預(yù)處理,達(dá)到檢測(cè)儀器的進(jìn)氣要求[19]。目前氣體在線檢測(cè)儀器基本要求是無(wú)塵、干基狀態(tài)、低溫態(tài),因此煙氣預(yù)處理要具備快速除塵、除濕、降溫三種功能,使高溫?zé)煔庠跇O短時(shí)間內(nèi)從高溫高濕含塵狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低溫干燥無(wú)塵狀態(tài),并能夠使煙氣氣體組分基本保持不變。

對(duì)于煙氣分析,除了一體化的CEMS系統(tǒng)(煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng))外,在測(cè)試平臺(tái),可采用便攜式氣質(zhì)聯(lián)用儀快速測(cè)定CEMS測(cè)量外的氣體組分[20]。

通過(guò)燃燒煙氣數(shù)據(jù)檢測(cè),為設(shè)計(jì)優(yōu)化研究提供參數(shù)依據(jù)。

2.5 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了檢測(cè)不同高溫?zé)煔馔Ａ魰r(shí)間、不同燃燒溫度條件下的煙氣組分,在設(shè)計(jì)燃燒室時(shí)需考慮能夠準(zhǔn)確采集煙氣的取樣接口及取樣頭。為了達(dá)到采樣目的,在設(shè)計(jì)燃燒室時(shí),需要根據(jù)富氧工況,測(cè)算不同時(shí)間與采樣位置的關(guān)系,從而確定采樣設(shè)置點(diǎn)。作為測(cè)試平臺(tái),在設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮多因素及備用點(diǎn)。另外采樣槍頭可設(shè)計(jì)為可微調(diào)位置的裝置,采樣裝置設(shè)計(jì)可參考目前市場(chǎng)上采樣器原理設(shè)計(jì)及連續(xù)煙氣探頭[21],并增加調(diào)控位移裝置,便于試驗(yàn)參數(shù)精細(xì)化調(diào)整。

本裝置由于需要采集燃燒區(qū)域的煙氣,其中存在溫度超過(guò) 1 400 ℃的煙氣,因此設(shè)計(jì)采樣探頭時(shí)需要保證采樣探頭的耐溫性能,另外采用不固定的采樣方式,避免探頭連續(xù)高溫而損壞。

3 結(jié)論

在設(shè)計(jì)富氧燃燒測(cè)試平臺(tái)時(shí),需要研究不同時(shí)間段煙氣組分、煙氣溫度、煙氣流速等參數(shù)的情況,同時(shí)還要考慮到富氧燃燒產(chǎn)生高溫對(duì)材料選擇(特別是耐火材料的選擇)和設(shè)備設(shè)計(jì)的影響,。

為了避免富氧燃燒產(chǎn)生的高溫對(duì)設(shè)備造成損壞，可以優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以降低設(shè)備壁溫，從而降低設(shè)備選材的難度,如采用旋流燃燒和冷膜保護(hù)技術(shù)來(lái)保護(hù)耐火襯里,降低設(shè)備襯里內(nèi)壁溫度。

在設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)時(shí)要充分考慮檢測(cè)手段和相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施,用煙氣在線檢測(cè)技術(shù)和氣質(zhì)聯(lián)用的在線檢測(cè)方式,達(dá)到取樣實(shí)時(shí)可靠、分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的目的。