二甲苯塔重沸爐F401低氮燃燒器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

王艷麗

(中國(guó)石化股份有限公司天津分公司裝備研究院，天津 300271)

國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定“現(xiàn)有企業(yè)工藝加熱爐煙氣中氮氧化物，特別限值地區(qū)執(zhí)行100 mg/m3的排放限值”。因此，對(duì)于石化企業(yè)來說，降低加熱爐煙氣中的氮氧化物且實(shí)現(xiàn)加熱爐高效運(yùn)行是長(zhǎng)期所求【1】。

文章針對(duì)二甲苯塔重沸爐F401低氮燃燒器改造后存在開工點(diǎn)火困難、運(yùn)行中CO超標(biāo)的現(xiàn)象進(jìn)行了單臺(tái)低氮燃燒器的數(shù)值模擬，找出了燃燒器本身結(jié)構(gòu)方面存在的問題【2】，通過分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，對(duì)燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及今后的生產(chǎn)實(shí)踐提出了一些改進(jìn)建議。

1 低氮燃燒器結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)方案

1.1 低氮燃燒器原結(jié)構(gòu)

二甲苯塔重沸爐F401低氮燃燒器采用燃料分級(jí)和爐內(nèi)煙氣內(nèi)循環(huán)技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該燃燒器的所有燃燒用空氣均通過進(jìn)風(fēng)道進(jìn)入風(fēng)箱，然后通過耐火磚內(nèi)部的圓形通道進(jìn)入爐膛內(nèi)部。其燃料從燃料氣總管進(jìn)入集氣筒，然后再通過沿圓周均勻分布的6支Y型氣槍槍身進(jìn)入到噴嘴，分別從一次燃料噴嘴直接噴向燃燒區(qū)域和二次燃料噴嘴沿耐火磚噴向一次燃燒區(qū)域末端，與空氣摻混并燃燒。其中，一次燃料噴嘴位于耐火磚內(nèi)部，二次燃料噴嘴位于耐火磚外部。

圖1 二甲苯塔重沸爐F401燃燒器結(jié)構(gòu)

該燃燒器的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。一次燃料噴嘴包括一個(gè)豎直向上噴的直徑為2.2 mm的噴孔；二次燃料噴嘴包括5個(gè)噴孔，其中直徑為3.5 mm的噴孔3個(gè)、直徑為3 mm的噴孔2個(gè)，并且將燃料沿耐火磚表面噴向一次燃燒區(qū)域末端。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸

該燃燒器的最大功率為3.5 MW，正常為2.8 MW，最小為0.7 MW。

這種燃燒器的優(yōu)點(diǎn)是采用燃料分級(jí)技術(shù)，通過弱化燃料與空氣的摻混，可以實(shí)現(xiàn)低氮氧化物排放的目標(biāo)；缺點(diǎn)是燃燒器的結(jié)構(gòu)使得燃料和空氣摻混情況不好，容易導(dǎo)致燃燒不完全，而且噴嘴的加工要求較嚴(yán)格，加工難度較大。

1.2 低氮燃燒器原結(jié)構(gòu)存在的問題

對(duì)二甲苯塔重沸爐F401單臺(tái)低氮燃燒器進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果，找出了燃燒器原結(jié)構(gòu)存在的問題，即該燃燒器的結(jié)構(gòu)，使得燃料與空氣的摻混不好，容易導(dǎo)致燃燒不完全，且有可能出現(xiàn)CO和NO不能同時(shí)達(dá)標(biāo)的問題。

1.3 低氮燃燒器結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

針對(duì)上述分析結(jié)果，為解決燃料和空氣摻混不好以及實(shí)現(xiàn)CO和NOx的排放同時(shí)達(dá)標(biāo)兩個(gè)問題，在不改動(dòng)耐火磚的情況下，給出該燃燒器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案如下：

1)如圖3(a)～圖3(b)所示，將一次燃料噴孔抬高到幾乎齊平于二次燃料噴孔的位置，可以在確保燃料氣氣流不直接沖擊到耐火磚斜面的情況下進(jìn)一步增加燃料與空氣的摻混，實(shí)現(xiàn)CO和NOx的排放同時(shí)達(dá)標(biāo)。

圖3 改進(jìn)前后的Y型噴槍一次噴孔位置對(duì)比

2)如圖4所示，將一次燃?xì)鈬姌寚娍字睆接?.2 mm增加到2.6 mm，同時(shí)將二次燃?xì)鈬姌寚娍字睆接?和3.5 mm均減小到2.3 mm，從而將一次燃料的比例從不到10%提高到接近18%，使得摻混不好的狀態(tài)得到改善，有利于燃料的完全燃燒，減少CO的排放。

圖4 噴孔改進(jìn)后孔徑尺寸示意

上述改進(jìn)一方面保證了一次燃料在不受氣流沖擊影響情況下燃燒器的燃料與空氣的摻混效果，另一方面又增加了一次燃料的比例。這將有利于燃燒器達(dá)到較為合理的分段燃燒模式，從而在保持NOx低排放的同時(shí)達(dá)到燃料完全燃燒的效果【3】。

2 全爐膛數(shù)值模擬

依據(jù)上述結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，進(jìn)行全爐燃燒數(shù)值模擬驗(yàn)證。首先對(duì)二甲苯塔重沸爐F401爐膛進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分，并輸入工況和燃料組分值，得出全爐膛數(shù)值模擬結(jié)果。

2.1 爐膛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

二甲苯塔重沸爐包含兩排平行排列的底部燃燒器，共有36臺(tái)。由于整爐燃燒區(qū)域太大，數(shù)值模擬計(jì)算量超大，而整個(gè)爐膛又可以根據(jù)燃燒器的排布特點(diǎn)分為若干個(gè)單元，并且每個(gè)單元內(nèi)的燃燒特性類似，所以選取包含3臺(tái)燃燒器、18根爐管的單元作為一個(gè)計(jì)算單元對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的區(qū)域足以反映燃燒器之間的相互影響。簡(jiǎn)化后的爐膛幾何結(jié)構(gòu)和尺寸分別見圖5和圖6。

圖5 簡(jiǎn)化后爐膛結(jié)構(gòu)

圖6 簡(jiǎn)化后爐膛尺寸

2.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化之后，對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，如圖7(a)～圖7(c)所示。對(duì)爐管附近及燃燒區(qū)域進(jìn)行了加密，并且完全保留了燃燒器耐火磚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，足夠?qū)υ撊紵鞯谋憩F(xiàn)做出合理的計(jì)算。該網(wǎng)格包含873.6萬個(gè)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并且包含了3臺(tái)燃燒器的完整結(jié)構(gòu)。這是綜合考慮計(jì)算機(jī)計(jì)算成本、幾何結(jié)構(gòu)尺度及復(fù)雜度、計(jì)算精度的最優(yōu)選擇。

圖7 爐膛網(wǎng)格劃分

2.3 工況介紹

燃料為天然氣的情況下，單臺(tái)燃燒器燃料壓力與功率對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 燃料為天然氣的單臺(tái)燃燒器燃料壓力 與功率對(duì)應(yīng)表

2.4 燃料組分

燃料組分見表2。

表2 燃料組分(體積百分比)

2.5 全爐膛數(shù)值模擬結(jié)果

針對(duì)二甲苯重沸爐F401，分別設(shè)定不同的空氣過剩系數(shù)、不同的空氣預(yù)熱溫度和不同的燃料壓力，共編寫了12個(gè)算例，采用數(shù)值模擬的手段，討論不同因素對(duì)于二甲苯重沸爐F401的出口氮氧化物排放量的影響，計(jì)算結(jié)果見表3。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的驗(yàn)證

針對(duì)二甲苯重沸爐F401，本文采用典型工況下該燃燒器數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，研究了燃燒室內(nèi)的溫度場(chǎng)、CO濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)，以此來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的合理性。

該典型工況參數(shù)如下：燃料為天然氣，燃料壓力為130 kPa，空氣過剩系數(shù)為1.15，空氣預(yù)熱溫度為300 K。

另外，下列分析涉及到3臺(tái)燃燒器在爐底的布置情況，其中爐膛高度方向上的z軸顯而易見，而爐膛底部的燃燒器的各截面參數(shù)已經(jīng)詳細(xì)地標(biāo)明，如圖8所示。

圖8 二甲苯塔重沸爐F401幾何模型爐膛底部坐標(biāo)

x=1.05 m、x=-1.05 m、y=0分別為3臺(tái)燃燒器在x和y方向上的中心截面，是分析該爐膛內(nèi)詳細(xì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，也就是說其他的截面都是由這幾個(gè)基礎(chǔ)中心截面偏移得到的截面。

3.1 溫度場(chǎng)分析

如圖9所示，在一組燃燒單元的中心面y=-0.1 m、y=0和y=0.1 m的截面上，均可以看出燃燒的高溫區(qū)有所重疊，即燃燒高溫區(qū)之間存在相互影響。高溫區(qū)域的重疊會(huì)增加該重疊區(qū)域的溫度，根據(jù)氮氧化物的生成機(jī)理，這顯然不利于抑制氮氧化物的生成?；鹧嬷胁繙囟群艿?，沒有燃燒起來，說明在火焰中部區(qū)域燃?xì)馀c空氣仍然摻混不好。

圖9 y=-0.1 m、y=0 m和y=0.1 m截面上的溫度分布

3.2 CO濃度場(chǎng)分析

燃燒過程中，CO作為最普遍的烴類燃料燃燒中間產(chǎn)物，對(duì)于常規(guī)燃燒器而言，其濃度分布基本可以表征燃燒的火焰形態(tài)，有助于判斷火焰的燃燒狀況。

圖10所示為z軸截面的CO濃度分布。從z=2 m和z=3 m兩個(gè)截面可以看出，兩邊的燃燒器分別與中間的燃燒器的火焰發(fā)生重疊，火焰形態(tài)相互影響。

圖10 z軸截面上CO濃度分布

3.3 NO生成速率場(chǎng)分析

圖11所示為y截面上NO生成速率場(chǎng)。由圖11可以看出，爐內(nèi)NO生成區(qū)域主要在爐子下部的高溫區(qū)域。

圖11 y=-0.1 m、y=0 m和y=0.1 m截面上的NO生成速率場(chǎng)

對(duì)比圖12所示的y=-0.1 m、y=0 m和y=0.1 m截面上溫度場(chǎng)高溫區(qū)域以及高NO生成速率的區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，NO主要在燃燒區(qū)域中的高溫區(qū)域生成，這與NO的生成機(jī)理相符。

由圖12還可以看出，由于燃燒器的排布以及現(xiàn)有條件的限制，燃燒器之間火焰重疊，造成了高溫區(qū)域的重疊和相互影響，使得一組燃燒器單元里3臺(tái)燃燒器產(chǎn)生的NO有所增加。這也同時(shí)印證了本文之前所述的火焰重疊的高溫區(qū)域不利于抑制氮氧化物的生成的判斷。

3.4 速度場(chǎng)分析

圖13所示為燃燒器結(jié)構(gòu)改進(jìn)前速度場(chǎng)分布。由圖13可以看出，燃料和空氣的速度方向基本平行。這種流動(dòng)不利于燃料和供風(fēng)的摻混，使得燃燒不完全。圖14為結(jié)構(gòu)改進(jìn)前速度場(chǎng)分布的三維示意。從圖14中可以清楚地看出，雖然二次燃料與燃燒器一次燃燒的煙氣呈一定的角度，但是在正常工況下，該燃料氣射流并沒有穿透到一次燃料氣尾部進(jìn)行燃燒。從速度場(chǎng)分析可以看出，該燃燒器的確使得燃料和供風(fēng)摻混減弱，面臨燃燒不完全的風(fēng)險(xiǎn)。

圖13 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前速度場(chǎng)分布

圖14 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前速度場(chǎng)分布三維示意

在耐火磚不變的限制條件下對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后燃燒器速度場(chǎng)分布如圖15所示。由圖15可以看出，燃料和空氣的速度方向夾角相對(duì)于改進(jìn)之前變化較明顯，改進(jìn)后的燃燒器在無法改變耐火磚結(jié)構(gòu)的情況下，燃料和空氣摻混不佳的情況有所改善，但仍有可提升的空間。

圖15 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后速度場(chǎng)分布

3.5 內(nèi)部流場(chǎng)分析小結(jié)

根據(jù)該燃燒器改進(jìn)后的全爐燃燒數(shù)值模擬結(jié)果的詳細(xì)數(shù)據(jù)分析可知，其在二甲苯塔重沸爐F401內(nèi)的燃燒特性有：

1)在不改動(dòng)耐火磚的情況下，將一次燃料噴孔抬高到幾乎齊平于二次燃料噴孔的位置，并且改變噴孔直徑來重新分配一次和二次燃料比例，雖然在火焰中部摻混情況改善不大，仍然有未反應(yīng)的供風(fēng)，但是爐內(nèi)的煙氣循環(huán)在一定程度上加強(qiáng)了燃料與空氣的混合，對(duì)于原燃燒器結(jié)構(gòu)的氣流組織形式造成的燃燒摻混不完全問題有一定程度的改善，使燃料燃燒得更充分，降低了CO的排放量(見圖16)，但仍然有可提升的空間。

圖16 煙氣中CO排放的對(duì)比

2)針對(duì)1)中所述火焰中部摻混情況改善不大、仍然有未反應(yīng)的供風(fēng)情況，可采取加設(shè)中心槍的設(shè)計(jì)解決。

3)通過溫度場(chǎng)、CO濃度場(chǎng)、NO生成速率場(chǎng)以及速度場(chǎng)的對(duì)比分析可以看出，3臺(tái)燃燒器相互之間氣流以及火焰形態(tài)存在相互影響，這導(dǎo)致了溫度場(chǎng)相互影響并產(chǎn)生更高溫的區(qū)域。這種情況雖不利于抑制氮氧化物的生成，但全爐數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)顯示，NO排放水平變化并不大(見圖17)。這是由于一方面強(qiáng)化了燃料與空氣的摻混，使燃燒更加完全、爐內(nèi)溫度更高，從而增加了NO的生成，而另一方面多燃燒器之間存在相互影響導(dǎo)致煙氣循環(huán)流動(dòng)，又有利于抑制NO生成，兩方面因素協(xié)同作用使得NO排放水平基本持平。總體來說，該燃燒器的NO排放水平低于環(huán)保要求，空氣過剩系數(shù)在1.1～1.15范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)該燃燒器的NO排放影響很小。

圖17 煙氣中NO排放的對(duì)比

4 低氮燃燒器結(jié)構(gòu)改進(jìn)結(jié)論

1)首先，目前的改進(jìn)使得該燃燒器穩(wěn)定地運(yùn)行在合理的燃燒器壓力范圍之內(nèi)，并且能夠在NO排放達(dá)到要求時(shí)，顯著降低CO的排放。

2)在不能夠改動(dòng)耐火磚的前提之下，若需進(jìn)一步降低CO排放，就需要加入中心槍的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)將解決火焰中心仍然存在未反應(yīng)空氣的問題，彌補(bǔ)該燃燒器分級(jí)燃燒承接不好的問題，并且有利于強(qiáng)化燃料與空氣的摻混，解決燃燒器火焰剛性不足的問題。

3)但是加入中心槍的設(shè)計(jì)，在強(qiáng)化燃料與空氣摻混的同時(shí)，會(huì)增加爐內(nèi)溫度，進(jìn)而削弱其抑制NO排放的能力，因此，加入該設(shè)計(jì)后，燃燒器的氮氧化物排放情況需要另行評(píng)估。