芳烴重整爐應(yīng)用引射式扇形燃燒器的技術(shù)改造

李兵科，汪 濤，譚永華，錢永康

（1.北京航天動力研究所，北京100076；2.航天推進(jìn)技術(shù)研究院，陜西 西安710100）

重整是指烴類分子重新排列成新分子結(jié)構(gòu)的工藝過程，重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，重整加熱爐是芳烴聯(lián)合裝置的核心裝置[1]。芳烴重整爐的爐體結(jié)構(gòu)及重整工藝本身對配套燃燒器的熱功率及火焰形狀有苛刻要求[2]。燃燒器通過燃燒燃料為重整爐進(jìn)行重整反應(yīng)提供所需熱量，是重整加熱爐的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行負(fù)荷、對燃料的適應(yīng)性、火焰形狀及長度等性能直接影響重整加熱爐的工藝性能和生產(chǎn)運(yùn)行。

1 芳烴重整爐原燃燒器運(yùn)行狀況及存在問題

芳烴重整爐（BA-303爐）是某石化芳烴廠進(jìn)口UOP公司重整工藝的關(guān)鍵設(shè)備，該重整爐原燃燒器為進(jìn)口JONH-ZINK公司的自然通風(fēng)型式的圓筒形風(fēng)箱結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散式燃燒器，如圖1所示。燃料采用煉廠瓦斯氣，實(shí)際運(yùn)行過程中，廠內(nèi)瓦斯氣的壓力、組分等參數(shù)變化較大。特別地，瓦斯氣中含有較高的H2組分，其體積分?jǐn)?shù)波動范圍在45%～85%之間，高氫組分焚燒過程中火焰?zhèn)鞑ニ俣群芨撸绕洚?dāng)其組分發(fā)生波動時(shí)，對原燃燒器的熱功率和火焰結(jié)構(gòu)影響較大，對重整爐的工藝運(yùn)行穩(wěn)定性影響很大。

圖1 重整爐原燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

芳烴重整爐（BA-303爐）燃燒存在問題具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）重整爐排放煙氣中CO含量偏高；

（2）瓦斯氣壓力波動頻繁劇烈，燃燒器工作過程中發(fā)生脫火現(xiàn)象；

（3）原設(shè)計(jì)采用擴(kuò)散式燃燒器，使用過程中常有黑煙產(chǎn)生；

（4）瓦斯氣燃燒器出口火焰過長，剛度差；

（5）重整爐（BA-303爐）排放煙氣中NOx含量高。

由于以上問題，該芳烴重整爐（BA-303爐）原燃燒器未達(dá)到理想的使用效果，影響了重整爐的生產(chǎn)負(fù)荷，需要在不改變重整加熱爐的前提下，進(jìn)行燃燒器的技術(shù)改造，以期該重整爐達(dá)到穩(wěn)定工藝運(yùn)行狀態(tài)。

2 原因分析及解決措施

通過研究該芳烴重整爐（BA-303爐）及配套燃燒器的設(shè)計(jì)資料，借鑒相關(guān)重整爐改造的經(jīng)驗(yàn)[3-5]，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行問題和運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析原因并制訂應(yīng)對措施。

芳烴重整爐（BA-303爐）燃燒器使用的燃料氣為煉廠產(chǎn)瓦斯氣，其物性見表1。

表1 燃料氣參數(shù)

2.1 燃燒過程CO產(chǎn)生量高

2.1.1 原因分析

燃燒器所用燃料為煉廠瓦斯氣，由表1可知，瓦斯氣的壓力變化大。因?yàn)闅怏w燃料在爐膛內(nèi)燃燒屬于勻相化學(xué)反應(yīng)，壓力的變化會引起反應(yīng)物濃度的變化，當(dāng)壓力過低時(shí)，不完全燃燒產(chǎn)物CO的含量會因燃燒速度減緩而增加。

另外，原設(shè)計(jì)燃燒器采用自然通風(fēng)圓筒式燃燒器，燃燒器進(jìn)風(fēng)口未設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)器，進(jìn)風(fēng)量沒有調(diào)節(jié)控制手段，進(jìn)風(fēng)同瓦斯氣混合效果差，導(dǎo)致欠氧燃燒產(chǎn)生大量的CO，降低了燃燒的燃燒強(qiáng)度和熱效率。

2.1.2 應(yīng)對措施

燃燒器改造為預(yù)混式燃燒器，保證氧氣和瓦斯氣著火燃燒前的預(yù)混，提高燃燒強(qiáng)度；同時(shí)風(fēng)箱入口設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)器，用以保證瓦斯氣助燃風(fēng)的合適比例調(diào)節(jié)。這樣，避免瓦斯氣的不完全燃燒，減少燃燒產(chǎn)物中CO的產(chǎn)生，既保證重整爐可在最佳效率點(diǎn)運(yùn)行，又留有可調(diào)節(jié)的安全余量。

2.2 燃燒器的脫火

2.2.1 原因分析

氣體燃料的速度由壓力轉(zhuǎn)換而來，瓦斯氣壓力一直處于波動狀態(tài)，波動幅度大，現(xiàn)場運(yùn)行入爐燃?xì)鈱?shí)際壓力最低為0.017 MPa，最大為0.1 MPa，與此同時(shí)，瓦斯氣中氫組分含量很高，一般都在45%以上，據(jù)統(tǒng)計(jì)最高時(shí)可達(dá)到85%，為典型的高氫燃燒方式。氫氣作為反應(yīng)能力強(qiáng)的氣體，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，其組分在瓦斯氣中處于大幅度波動狀態(tài)，當(dāng)瓦斯氣壓力升至上限、氫組分含量低的工況下，燃燒器出口流速高于燃燒速度，著火點(diǎn)遠(yuǎn)離燃燒器而發(fā)生脫火，現(xiàn)場運(yùn)行表明，在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，爐溫偏低，脫火時(shí)有發(fā)生。

2.2.2 應(yīng)對措施

改造設(shè)計(jì)設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)器：風(fēng)門分一次調(diào)風(fēng)門和二次調(diào)風(fēng)門，依據(jù)理論計(jì)算，將風(fēng)道分為面積不同、互不相通的兩部分。通過控制配風(fēng)送入量，避免預(yù)混的燃?xì)夂涂諝庠谌紵鞒隹诹魉龠^大而引發(fā)脫火。

2.3 運(yùn)行過程產(chǎn)生黑煙

2.3.1 原因分析

燃燒器所燒燃料組分如表1所示，其所含碳?xì)浠衔镌谥卣麪t內(nèi)將發(fā)生（1）～（5）的化學(xué)反應(yīng)[6]。碳?xì)浠衔锶剂现鹑紵拔春脱醭浞只旌?，燃燒過程中發(fā)生（式（1）的反應(yīng)）熱分解產(chǎn)生炭黑，炭黑的燃燒比較困難，如果火焰的尾部溫度較低，或者氧氣不充分，炭黑燃燒不完全，形成黑煙。原設(shè)計(jì)燃燒器采用擴(kuò)散式燃燒，瓦斯氣中各組分碳?xì)浔扔直容^高，在一定程度上增加了擴(kuò)散燃燒過程中火焰中炭黑粒子的數(shù)量，從而導(dǎo)致了黑煙的產(chǎn)生。

相反的，只要碳?xì)淙剂显谌紵耙呀?jīng)和一定數(shù)量的氧進(jìn)行預(yù)混，氧氣充足的情況下，就可以完全燃燒，發(fā)生式（2）的反應(yīng)；即使氧不充分，不能保證完全燃燒，也可以使得碳?xì)淙剂贤耆趸?，而不至于產(chǎn)生炭黑，如式（3）～式（5）所示。

2.3.2 應(yīng)對措施

采用預(yù)混式燃燒器，保證燃料和空氣的預(yù)混，提高火焰燃燒強(qiáng)度，從而避免瓦斯氣碳?xì)浣M分熱分解產(chǎn)生炭黑、炭黑無法充分燃燒導(dǎo)致的黑煙。

2.4 火焰偏斜舔燒爐管

2.4.1 原因分析

原燃燒器采用擴(kuò)散式燃燒方式，只設(shè)置一個燃?xì)鈽寚娮?，輔助燃?xì)庵袣浣M分含量高，火焰較長且剛度較差，實(shí)際運(yùn)行過程中火焰向爐膛上部偏斜，造成爐膛內(nèi)溫度場不均勻，以燃燒器為界，出現(xiàn)明顯的爐膛上部溫度高，下部溫度低的狀態(tài)。同時(shí)，火焰偏斜還會舔燒爐管，影響加熱爐的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4.2 應(yīng)對措施

預(yù)混式燃燒器的燃燒方式采用引射預(yù)混式燃燒（部分預(yù)混式，或稱大氣式），燃料和空氣的部分預(yù)混，燃料氣和空氣比例可調(diào)，火焰長度可調(diào)整變化。設(shè)置兩個扇形預(yù)混燃?xì)鈬娮?，增加火焰燃燒面積，從整體上將燃燒器火焰形狀由細(xì)長變粗短，增加了火焰剛度，縮短火焰長度，同重整爐結(jié)構(gòu)要求相適應(yīng)。

2.5 重整爐排放煙氣中NOx含量高

2.5.1 原因分析

重整爐燃料氣為煉廠瓦斯氣，沒有含氮元素組分，不會產(chǎn)生燃料型NOx，重整爐排放煙氣中NOx為熱力型NOx[7]。燃料氣中氫組分含量高，由于氫氣易燃、熱值高的特點(diǎn)，瓦斯氣中氫濃度高的燃燒區(qū)域易形成火焰高溫區(qū)，燃燒器火焰存在溫度差異大的高低溫區(qū)域。當(dāng)溫度高于1 500℃時(shí)，空氣中氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)生成的氮氧化物即為熱力型NOx。

2.5.2 應(yīng)對措施

采用預(yù)混式燃燒器，燃料和空氣的部分預(yù)混，空氣的摻入降低了混合燃料氣的熱值，同時(shí)降低了氫組分的濃度，增加了混合燃料氣各組分的均勻性。混合燃料氣與剩余空氣的混合、燃燒，增加了燃燒火焰中溫度的均勻性，減小了燃燒火焰中的高溫區(qū)域，從而降低了熱力型NOx的生成量。同時(shí)調(diào)節(jié)一、二級風(fēng)門調(diào)整過量空氣系數(shù)，引射器內(nèi)燃?xì)夂涂諝獠糠诸A(yù)混形成混合燃?xì)?，降低了混合燃?xì)獾臒嶂?，有利于降低火焰中高溫區(qū)域的比例，混合燃?xì)鈬姵鰢娮旌笤偻Ｓ嘀伎諝膺M(jìn)一步燃燒，實(shí)現(xiàn)分級供風(fēng)達(dá)到降低NOx的目的。

3 重整爐燃燒器技術(shù)改造要求

芳烴重整爐（BA-303爐）爐體不變，只進(jìn)行燃燒器技術(shù)改造，燃燒器使用的燃料氣不變。燃燒器技術(shù)改造，需要滿足重整爐所需的全部熱量及其分配要求，同時(shí)要滿足新的國家環(huán)保排放要求。芳烴重整爐燃燒器具體的技術(shù)改造要求如下：

（1）改造燃燒器的負(fù)荷

重整爐（BA-303爐）的結(jié)構(gòu)形狀、容積不變，新燃燒器的設(shè)計(jì)改造需要滿足重整爐的容積熱負(fù)荷。重整爐配套24臺燃燒器，包括兩種規(guī)格燃燒器：單臺熱負(fù)荷為2.58×106×4.18 kJ/h的燃燒器8臺，單臺熱負(fù)荷為2.01×106×4.18 kJ/h的燃燒器16臺。

（2）改造燃燒器的設(shè)計(jì)要求

新燃燒器能夠適應(yīng)瓦斯氣的壓力變化和組分變化，避免運(yùn)行過程發(fā)生脫火和回火現(xiàn)象；燃燒性能良好，降低重整爐排放煙氣中CO含量，避免黑煙生成；設(shè)置風(fēng)門要求調(diào)節(jié)靈活、方便；火焰剛度好，長度合理，確?；鹧娌惶驙t管；火焰形狀適應(yīng)爐體結(jié)構(gòu)以及重整工藝需求；同時(shí)降低重整爐排放煙氣中的NOx含量。

（3）噪音要求

單臺燃燒器運(yùn)行噪音≤75 dB。

（4）NOx排放指標(biāo)

保證重整爐排放指標(biāo)滿足GB 31571-2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》重點(diǎn)地區(qū)要求的排放限值：工藝加熱爐煙氣中NOx排放量＜100 mg/m3。

4 重整爐燃燒器改造研制

根據(jù)重整爐燃燒器新的設(shè)計(jì)范圍及要求，結(jié)合燃燒器燃燒工況分析，首先確定重整爐新燃燒器的方案，然后進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算，完成重整爐新燃燒器的改造研制。

4.1 重整爐燃燒器方案確定

相比擴(kuò)散式燃燒，預(yù)混式燃燒能提高燃燒強(qiáng)度，促進(jìn)氣體燃料的完全燃燒。通過控制摻混比，可以使得燃燒溫度低于理論燃燒溫度，也低于或略高于熱力氮氧化物生成的起始溫度，可以降低氮氧化物的生成量。

根據(jù)重整爐的改造要求，新燃燒器的燃燒方式采用預(yù)混式燃燒。從節(jié)約能源角度出發(fā)，考慮充分利用燃料氣的壓力，采用引射式預(yù)混方式（部分預(yù)混式，或稱大氣式），用燃料氣壓力引射部分環(huán)境空氣形成預(yù)混氣，然后預(yù)混氣與剩余空氣進(jìn)行燃燒。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了燃料氣的所需空氣分級供應(yīng)，燃料氣引射部分環(huán)境空氣形成預(yù)混燃?xì)?，降低了預(yù)混燃?xì)獾臒嶂?，有利于降低火焰中高溫區(qū)域的比例，抑制NOx生成。

燃料氣引射空氣的引射器帶有混合管，引射器混合管與其后的燃?xì)馍刃螄娮旖M成引射式扇形燃?xì)鈬娮?，每臺燃燒器設(shè)置兩件引射式扇形燃?xì)鈬娮?。預(yù)混燃?xì)馀c剩余空氣的燃燒采用扇形多孔燃燒器，既考慮了預(yù)混燃?xì)怏w積流量的增加需要?dú)怏w噴射孔面積的增加，又考慮了燃燒器火焰長度的調(diào)節(jié)。燃燒器采用了長方形風(fēng)門外置式設(shè)計(jì)，而非傳統(tǒng)的圓筒形結(jié)構(gòu)，方便了風(fēng)門調(diào)節(jié)裝置及消音器的設(shè)計(jì)安裝，為實(shí)現(xiàn)提高熱負(fù)荷、降低生產(chǎn)噪音創(chuàng)造了條件。

燃燒具體結(jié)構(gòu)方案如下：

（1）風(fēng)道：方形風(fēng)道內(nèi)表面加裝消音層，采用法蘭結(jié)構(gòu)與風(fēng)量調(diào)節(jié)器相聯(lián)。消音層由50 mm超細(xì)玻璃棉及30目金屬濾網(wǎng)組成，由12根內(nèi)置螺栓固定。

（2）風(fēng)量調(diào)節(jié)器：風(fēng)門分一次調(diào)風(fēng)門和二次調(diào)風(fēng)門，依據(jù)理論計(jì)算，將風(fēng)道分為面積不同、互不相通的兩部分。手柄加裝分度盤及彈簧，轉(zhuǎn)軸底帽可以調(diào)節(jié)風(fēng)門轉(zhuǎn)動阻力。風(fēng)量調(diào)節(jié)器內(nèi)表面也加裝消音層，進(jìn)一步降低噪音。

（3）風(fēng)箱：方形風(fēng)箱為整臺燃燒器的主體部分，內(nèi)裝兩只氣槍及一只長明燈，側(cè)面接風(fēng)量調(diào)節(jié)器，前端面與爐墻聯(lián)接。為了保證瓦斯噴槍的位置度公差，槍尾部安裝了瓦斯噴槍墊板，槍前端有瓦斯槍固定環(huán)。

（4）瓦斯噴槍：瓦斯噴槍由進(jìn)氣管、定位環(huán)、瓦斯噴頭、混合管、噴火口五個部件組成，定位環(huán)的前端凸面與混合管末端凹面相配合，保證與定位環(huán)內(nèi)表面配合的瓦斯噴頭中心線與瓦斯噴槍中心線重合。扇形噴頭前端開7個等徑圓孔，兩側(cè)外緣內(nèi)翻，翻邊內(nèi)各藏六個等徑小孔，來保證主火焰燃燒穩(wěn)定、不脫火。因普通加工手段難于滿足設(shè)計(jì)要求，扇形噴頭采用了熔膜鑄造，以保證表面質(zhì)量及加工精度。

（5）長明燈：長明燈由噴頭、調(diào)風(fēng)片、混合器、長明燈頭、穩(wěn)火罩等零件組成，供開車時(shí)點(diǎn)火及避免主燃燒氣突然波動熄火等緊急情況下確保爐子的安全。

（6）重整反應(yīng)加熱爐在實(shí)際運(yùn)行中，很難穩(wěn)定地運(yùn)行在“最高”熱效率點(diǎn)，因此在實(shí)際操作中，首先確定一個合適的負(fù)壓，通過隨時(shí)調(diào)節(jié)煙道擋板，使其盡量保持穩(wěn)定，然后，通過稍開大進(jìn)風(fēng)量，檢測并使煙氣中CO含量很低。其后，再逐漸關(guān)小進(jìn)風(fēng)門，檢測并觀察CO含量變化情況，當(dāng)CO含量急劇增加，說明此時(shí)空氣量合適，爐子熱效率最高，最后，再稍開進(jìn)風(fēng)門，降低CO含量，使CO含量不超過100 mL/m3，讓爐子在這個點(diǎn)運(yùn)行，熱效率比較高，又留有可調(diào)節(jié)的安全余量，這便是加熱爐的“最佳”熱效率點(diǎn)。

引射式扇形燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 引射式扇形燃燒器結(jié)構(gòu)

預(yù)混式燃燒存在回火的可能性，調(diào)節(jié)比有限。本引射式扇形燃燒器設(shè)計(jì)中，設(shè)置了燃料空氣供應(yīng)量恒定的擴(kuò)散燃燒長明燈，保持長明燈擴(kuò)散火焰作為穩(wěn)定的點(diǎn)火源，同時(shí)預(yù)混空氣與燃料氣的預(yù)混具有可調(diào)節(jié)性，共同作用來擬制燃燒器回火的發(fā)生。

4.2 引射式扇形燃燒器設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)重整爐燃燒器熱負(fù)荷及燃料氣物性，利用氣體燃燒及氣氣引射公式（6）～（8）[8-10]及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)燃燒器（引射器）關(guān)鍵參數(shù)及尺寸：瓦斯噴嘴孔直徑及數(shù)量、引射器喉管直徑、預(yù)混燃?xì)鈬娮炜字睆郊皵?shù)量，空氣過量系數(shù)取1.15，設(shè)計(jì)空氣進(jìn)口相關(guān)尺寸等，完成引射式扇形燃燒器設(shè)計(jì)。

式中：Fp—火孔總面積，mm2

Q—燃燒器熱負(fù)荷，kW

vp—火孔出口氣流速度，m/s

H1—燃?xì)獾蜔嶂?，kJ/m3

α′—空氣過量系數(shù)

V0—理論空氣需要量，m3/m3

Lg—噴嘴流量，m3/h

u—噴嘴流量系數(shù)，無量綱

d—噴嘴直徑，mm

H—燃?xì)鈮毫?，Pa

S—燃?xì)庀鄬γ芏?，無量綱（空氣取1）

DT—引射器喉管直徑，mm

Dg—燃?xì)鈬娮熘睆?，mm

K—引射器系數(shù)，無量綱

4.3 引射式扇形燃燒器技術(shù)特點(diǎn)

新研制的引射式扇形燃燒器主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）采用燃?xì)猓ㄍ咚箽猓┡c一次風(fēng)空氣引射預(yù)混，增強(qiáng)混合程度，提高燃燒強(qiáng)度，一次風(fēng)需要量少，流速低，利于穩(wěn)定火焰，二次風(fēng)空氣為火焰外部供風(fēng)，使火焰充分燃燒。

（2）用了扇形帶穩(wěn)焰孔的新型噴火口，火焰燃燒穩(wěn)定、剛勁、充滿度好、燃燒效率高。

（3）燃燒強(qiáng)度提高，加上進(jìn)風(fēng)管內(nèi)壁消音器的設(shè)置，可大大減低燃燒器運(yùn)行噪音。

（4）一、二次風(fēng)門采用了外置式結(jié)構(gòu)，風(fēng)門、手柄采用了新型設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)靈活方便，穩(wěn)定可靠。

（5）燃燒器瓦斯噴頭為快裝式結(jié)構(gòu)，便于操作、清理，整個燃燒器外形美觀、實(shí)用。

5 燃燒器改造運(yùn)行情況

芳烴重整爐（BA-303爐）24臺引射式扇形燃燒器開始使用以來，運(yùn)行情況良好，燃燒器改造前后對比見表2。

表2 改造前后燃燒器參數(shù)及運(yùn)行效果對比

引射式扇形燃燒器現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行過程中：

（1）燃燒穩(wěn)定，淺藍(lán)色火焰明亮干凈，火焰外形與錐角合理，不舔燒爐管和風(fēng)磚，有利于重整爐長期運(yùn)行。

（2）燃燒適應(yīng)性強(qiáng)，在生產(chǎn)過程中能適應(yīng)煉廠瓦斯氣的組分變化，燃燒效果理想。

（3）燃燒負(fù)荷調(diào)節(jié)比大，對煉廠瓦斯氣的壓力變化適應(yīng)性強(qiáng)。當(dāng)瓦斯氣壓力在0.017～0.10 MPa之間變化時(shí)，扇形燃?xì)鉄烊钥杀３址€(wěn)定燃燒，火焰不發(fā)散，火焰外形與錐角合理。

（4）扇形燃?xì)鈬娮觳欢驴住⒉唤Y(jié)焦。

（5）燃燒充分，煙氣中一氧化碳和氧含量很低，運(yùn)行過程中煙氣中CO含量低于100 mg/m3，重整爐膛內(nèi)積灰明顯減少。

（6）重整爐排放煙氣中NOx含量低于50 mg/m3，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 31571-2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》環(huán)保要求。

6 結(jié)論

針對芳烴重整爐燃燒器實(shí)際使用中的問題，改造研制了全新的引射式扇形燃燒器，實(shí)際運(yùn)行以來，有效地解決了原燃燒器使用過程中出現(xiàn)的煙氣中CO含量偏高、燃燒器脫火、火焰剛度差尺寸變化引發(fā)的舔燒爐管、煙氣中產(chǎn)生黑煙及煙氣中NOx含量高等問題，引射式扇形燃燒器各項(xiàng)性能達(dá)到了改造要求，提高了燃燒強(qiáng)度和熱效率，保證了在瓦斯氣壓力、組分大范圍波動下的重整爐連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。