加熱爐燃燒控制技術(shù)改造分析

馬 杰，陳衛(wèi)軍

（中國(guó)石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750021）

加熱爐是煉化企業(yè)重要設(shè)備之一，是燃料消耗及能量轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備，也是煉化裝置環(huán)保排放物NOx、SOx等環(huán)境污染物的主要來源，在單套生產(chǎn)裝置中能耗占比達(dá)70%以上，加熱爐的優(yōu)化、管理以及操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，對(duì)于裝置的長(zhǎng)周期、節(jié)能降耗、高效環(huán)保運(yùn)行等有著十分重要的意義。因此，本公司常壓加熱爐在第三周期運(yùn)行末期，提出對(duì)加熱爐燃燒控制技術(shù)進(jìn)行改造，引進(jìn)基于CO控制理論配比燃燒技術(shù)。

1 常壓加熱爐基本情況

本公司常壓蒸餾裝置加熱爐（F-101）2011年建成投用，為立管箱式加熱爐，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷55 MW，熱效率為92%。加熱爐四路進(jìn)料，由輻射室、對(duì)流室、地面布置水熱媒余熱回收系統(tǒng)組成，有16臺(tái)低氮燃燒器，燃燒控制采用氧化鋯氧含量分析儀測(cè)量煙氣中O2含量控制鼓風(fēng)機(jī)入口蝶閥，來實(shí)現(xiàn)燃料氣和空氣的燃燒配比。前三周期的運(yùn)行中，在提高加熱爐熱效率、節(jié)能降耗、減少NOx排放等方面也進(jìn)行了一些改造。如：改造采用高效低氮、低噪聲的燃燒器，降低過剩空氣系數(shù)，減少NOx排放；燃料氣脫硫處理降低排煙溫度，減少腐蝕及排煙損失；對(duì)流室采用全封密結(jié)構(gòu)，減少爐體漏風(fēng)量等等。這些措施使加熱爐的運(yùn)行效率得到提升，排煙溫度控制在135 ℃左右，爐體表面溫度監(jiān)測(cè)小于60 ℃，NOx排放監(jiān)測(cè)小于100 mg/m3，熱效率監(jiān)測(cè)92.42%。

2 CO燃燒控制技術(shù)原理

加熱爐CO控制理論配比燃燒優(yōu)化系統(tǒng)包括了分析儀、控制策略、工程服務(wù)等。CO-3100-300T系列分析儀采用量子串級(jí)近紅外激光技術(shù)，運(yùn)用氣體對(duì)紅外光束選擇性吸收原理制作而成，對(duì)煙氣中的CO測(cè)量的進(jìn)度偏差為±2%，靈敏度為0.5%，響應(yīng)時(shí)間為7次/秒，測(cè)量范圍在0～0.1%，將控制策略整合到原有的DCS系統(tǒng)中，將煙氣中CO含量控制在微量狀態(tài)，靈活調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)入口擋板開度，燃料氣在加熱爐中處于完全燃燒和不完全燃燒的臨界，使加熱爐達(dá)到最佳的燃燒狀態(tài)，從而將過?？諝饨档阶畹停瑴p少排煙損失，以最小的燃料氣消耗來滿足同樣的工況，減少NOx的排放，實(shí)現(xiàn)加熱爐節(jié)能、安全、環(huán)保運(yùn)行。

3 CO控制燃燒技術(shù)應(yīng)用

3.1 CO控制技術(shù)改造

在常壓加熱爐（F-101）余熱回收系統(tǒng)空氣預(yù)熱器出口至引風(fēng)機(jī)入口水平煙道位置，橫向水平對(duì)開孔（120±3 mm）安裝CO分析儀，CO分析儀發(fā)射光源、接收裝置安裝在煙道，控制器安裝在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間（見圖1、圖2）?？刂破餍盘?hào)輸出至中控室DCS控制臺(tái)，建立煙氣CO含量與鼓風(fēng)機(jī)入口擋板的自動(dòng)控制，可手動(dòng)切換回原O2含量控制，CO分析儀故障或CO含量超高時(shí)自動(dòng)切回，并提高供風(fēng)量。

圖1 安裝示意圖

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)現(xiàn)有的硬件情況、安全儀表系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)），在不改變?cè)羞壿嬯P(guān)系的前提下進(jìn)行，將新的CO控制模塊引入現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)集成整合[1]，將煙氣中CO含量作為直接控制變量來調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)入口擋板開度，現(xiàn)有的加熱爐煙氣O2含量作為監(jiān)測(cè)或參考值，保證變量設(shè)定范圍安全可靠（見圖3）。

3.2 CO控制技術(shù)投用調(diào)節(jié)措施

用煙氣中CO含量控制鼓風(fēng)機(jī)入口蝶閥，考慮到其調(diào)整的靈敏性和精確度，在投用時(shí)采取以下調(diào)節(jié)措施[2]。

（1）采用減少一次風(fēng)門的開度，將鼓風(fēng)機(jī)入口蝶閥的開度開大（45%），以提高蝶閥的調(diào)節(jié)空間和CO控制調(diào)整精度。

（2）由于是在線調(diào)節(jié)，為了保證加熱爐的穩(wěn)定安全運(yùn)行，將一次風(fēng)門開度減小，鼓風(fēng)機(jī)出口壓力由1.2 kPa左右提到2.3 kPa左右，遠(yuǎn)離聯(lián)鎖點(diǎn)，一次風(fēng)門的開度西側(cè)35%/東側(cè)37.5%。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)安裝位置

（3）將AIC2101設(shè)為自動(dòng)，設(shè)定值由“2.8”改為“2.2”，鼓風(fēng)機(jī)入口蝶閥下降，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)火焰的燃燒狀況調(diào)整各燃燒器的二次風(fēng)門，使其燃燒保持基本一致。

（4）調(diào)整過程中，對(duì)部分二次風(fēng)門的完好性和開度方向進(jìn)行了診斷和鑒別，并提出了相應(yīng)的整改措施。

（5）對(duì)所有燃燒器的燃料閥進(jìn)行調(diào)整（未工作燃燒器的燃料閥全關(guān)），對(duì)正常工作的燃燒器的燃料閥依據(jù)四路爐出口溫度逐漸開至最大，這樣不僅能使得配風(fēng)更合理，同時(shí)也能減小高壓瓦斯對(duì)閥門的侵蝕。

（6）在線投用中控室DCS操作臺(tái)CO自動(dòng)控制之前，考慮加熱爐（F-101）的穩(wěn)定運(yùn)行，將鼓風(fēng)機(jī)入口蝶閥開度進(jìn)行高低限位（60%/42%），同時(shí)調(diào)整了負(fù)壓控制P/I/D值，使其煙道擋板的變化能適應(yīng)進(jìn)風(fēng)量和負(fù)壓的變化。

（7）CO控制（AIC1111）投自動(dòng)，設(shè)定CO控制值為0.005%，并不斷的調(diào)整P/I/D值，最終實(shí)現(xiàn)CO控制理論配比燃燒，O2含量穩(wěn)定在0.9左右，火焰呈淡藍(lán)色，且剛硬正直，加熱爐運(yùn)行穩(wěn)定。

圖3 加熱爐自控示意圖

3.3 CO/O2控制技術(shù)效果對(duì)比

經(jīng)過一段時(shí)間考核驗(yàn)證，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)及考核指標(biāo)明顯提升（見表1）。

表1 CO/O2控制技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1可以看出O2含量由實(shí)施前的3%左右下降到0.9%左右，CO含量控制在0～0.005%，排煙溫度降低7 ℃，大大降低了排煙損失，燃料氣降低了200 m3/h，節(jié)省了燃料氣，能耗下降，CO2排放量降低，加熱爐熱效率提高約1%，NOx下降60%，實(shí)施效果比較明顯。

兩種控制方式比較，通過數(shù)據(jù)對(duì)比，傳統(tǒng)的O2控制燃燒配比存在著不足之處，如：氧化鋯O2含量分析儀測(cè)輻射室頂部煙氣中的氧含量，觀火窗、防爆門及其他密封部位漏風(fēng)的情況不能客觀的反映，影響測(cè)量日常生產(chǎn)中燃料組分的變化對(duì)加熱爐燃燒造成擾動(dòng)也較大，氧化皓分析儀測(cè)量是基于電化學(xué)原理，測(cè)量比較滯后，加熱爐燃燒控制也相對(duì)滯后，帶來因不能充分燃燒損失；加熱爐的操作會(huì)考慮將O2含量控制高于理論值，防止貧氧燃燒造成安全事故。相比之下，CO控制燃燒可以很好解決以上問題，CO分析儀是直接安裝在引風(fēng)機(jī)入口的煙道上，測(cè)量的是混合均勻的煙氣，不受氧含量變化的影響，CO的波動(dòng)可以被紅外激光迅速的捕捉到。

4 結(jié)論與建議

（1）CO控制理論配比燃燒優(yōu)化技術(shù)在本公司常壓加熱爐上的應(yīng)用取得了較好的效果，總投資178萬元，按節(jié)省燃料、降低生產(chǎn)成本估算，投資回收期1～2年。

（2）通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，常壓加熱爐CO2、NOx等環(huán)境污染物排放下降，環(huán)保減排效果明顯，實(shí)現(xiàn)加熱爐的節(jié)能、環(huán)保、安全運(yùn)行，該技術(shù)具有推廣價(jià)值。

（3）改造、實(shí)施過程是在加熱爐運(yùn)行線實(shí)現(xiàn)，設(shè)備故障情況下也可自動(dòng)或手動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制方式切換，不影響裝置的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

（4）從儀表設(shè)備控制的靈敏度及安全性能方面考慮，建議后期將加熱爐鼓風(fēng)機(jī)改變頻，實(shí)現(xiàn)CO含量控制鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的理論配比燃燒會(huì)更加安全穩(wěn)定。