仲偉聰，劉　丹

（西安航天源動力工程有限公司，陜西西安710100）

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Claus燒氨硫回收燃燒器的研制

仲偉聰，劉丹

（西安航天源動力工程有限公司，陜西西安710100）

隨著燒氨硫回收技術(shù)的不斷發(fā)展，燒氨工藝技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但國產(chǎn)Claus燒氨硫回收燃燒器的發(fā)展比較緩慢。本文通過熱力計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗驗證等方法設(shè)計了一臺硫回收燒氨燃燒器，對燃燒器工作特性進(jìn)行評估，并對燃燒器設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

硫回收；燒氨；燃燒器

污水汽提裝置的含氨酸性氣對煉油廠硫磺回收裝置的正常運(yùn)行會產(chǎn)生較大的危害，例如形成銨鹽堵塞設(shè)備管道從而影響酸性氣輸送甚至迫使裝置停產(chǎn)，降低硫回收率，氨和氧化鋁反應(yīng)引起催化劑失活，副產(chǎn)物氮氧化物危害環(huán)境等［1-2］。美國于上世紀(jì)60年代就開始研究含氨酸性氣的焚燒技術(shù)，隨后經(jīng)過日本、歐洲及加拿大等發(fā)達(dá)國家的努力，硫磺回收裝置含氨酸性氣的焚燒技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，近年來燒氨技術(shù)也在我國得到重視［3］。目前國內(nèi)各大煉廠已經(jīng)陸續(xù)采用了燒氨技術(shù)，但其主要設(shè)備燒氨火嘴大多為意大利Lissone-Milan公司、荷蘭Duiker公司等生產(chǎn)的進(jìn)口火嘴，其設(shè)備價格昂貴，維修更換周期長，因此有必要研制國產(chǎn)燒氨燃燒器以替代進(jìn)口產(chǎn)品［4］。本文針對某煉廠研制了一種Claus燒氨硫回收燃燒器。

1　燒氨工藝

1.1燒氨工藝原理

燒氨即將酸性氣中的氨通過燃燒的方法使其完全分解成N2和H2O，以避免氨對后續(xù)工藝及設(shè)備的危害［5］。目前已確認(rèn)的燒氨反應(yīng)機(jī)理有三個：其一為燃燒分解，其二為熱分解，其三為SO2對NH3的氧化作用。這三個燒氨機(jī)理的主要反應(yīng)如下：

1.2燒氨影響因素

影響酸性氣燃燒爐燒氨效果的因素主要有三個：爐膛溫度、混合原料氣在爐膛的停留時間以及其充分混合程度，其中溫度是影響燒氨效果的最主要因素，根據(jù)多年的工程實踐，最適宜的燒氨溫度為1 250～1 300℃，最高不超過1 400℃，可以通過提高酸性氣及空氣的預(yù)熱溫度、補(bǔ)充燃料氣、采用富氧工藝等措施來提高燃燒溫度。而反應(yīng)時間通常約為0.7～1.2 s［7］。最后一個影響因素，即酸性氣與空氣的混合程度則直接取決于燒氨燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，這也是本文的研究方向。

1.3燒氨工藝分類

目前國內(nèi)硫磺回收裝置采用的燒氨技術(shù)主要有“直接注入”式和“分流注入”式，“直接注入”式是將低壓污水汽提裝置產(chǎn)生的富氨酸性氣與清潔酸性氣經(jīng)預(yù)熱混合后進(jìn)入反應(yīng)爐燒嘴，而“分流注入”式是將含氨酸性氣全部注入反應(yīng)爐前部的燒嘴，清潔酸性氣則分為兩部分，一部分注入燒嘴，另一部分注入反應(yīng)爐［7］。而不論采用何種工藝，對燒氨火嘴的要求都很高。

2　燒氨硫回收燃燒器研制

本文根據(jù)某石油化工廠的工藝數(shù)據(jù)，通過熱力計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗驗證等方法研制了一臺燒氨硫回收燃燒器，最終成功應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，代替了進(jìn)口火嘴。

2.1原料來源及性質(zhì)

硫磺回收裝置制硫部分原料為溶劑再生裝置等排放的清潔酸性氣，污水汽提裝置排放的含氨酸性氣，和FCC煙氣脫硫裝置尾氣，其組成及邊界條件見表1、表2、表3。

表1　清潔酸性氣組成

邊界條件：45℃，0.05 MPa（g），進(jìn)料量112.835 8 kmol/h。

表2　含氨酸性氣組成

邊界條件：90℃，0.05 MPa（g），進(jìn)料量48.358 2 kmol/h。

表3　煙氣脫硫裝置尾氣組成

邊界條件：45℃，0.06 MPa（g），進(jìn)料量7.154 7 kmol/h。

2.2原料處理方案及主要操作條件

本制硫工藝采用FCC煙氣脫硫尾氣進(jìn)一級轉(zhuǎn)化器入口，清潔酸性氣和含氨酸性氣進(jìn)制硫爐的流程。設(shè)計按照分流操作進(jìn)行，以滿足裝置操作的靈活性。即其中一部分清潔酸性氣進(jìn)入制硫燃燒爐爐膛中部，其余部分清潔酸性氣與含NH3酸性氣一起混合后，進(jìn)入制硫燃燒爐燒氨火嘴。為了保證燒氨效果，制硫燃燒爐燒氨區(qū)溫度按照1 300～1 350℃考慮。

2.3熱力計算

燒嘴設(shè)計時，需滿足兩個條件：

（1）主燒嘴燃燒溫度滿足燒氨要求；

（2）酸性氣與空氣的總體配比根據(jù)H2S與SO2比值2∶1選取。

根據(jù)以上要求，運(yùn)用我所自行研制的熱力學(xué)計算軟件CECS進(jìn)行熱力學(xué)匹配計算，根據(jù)計算，60%的清潔酸性氣進(jìn)主燒嘴可以滿足燒氨所需溫度要求。滿足主燒嘴燒氨溫度的熱力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果，如表4所示；加入分流清潔酸性氣后滿足總體配比的熱力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果，如表5所示。

表4　主燒嘴熱力學(xué)計算結(jié)果

從計算結(jié)果可以看出，燒嘴出口溫度為1 308℃，考慮熱損失溫度約1 288℃，可以滿足燒氨要求。爐膛混入分流后的清潔酸性氣后，溫度為1 202℃，H2S與SO2的比值滿足2∶1的要求，可以滿足后端工藝的要求。并且燃?xì)獬煞种?，氨、NOx和烴類含量均小于5×10-6，氨的分解比較完全。

表5　滿足總體配比熱力學(xué)計算結(jié)果

2.4燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)熱力計算結(jié)果，對燒嘴進(jìn)行了設(shè)計。對燒氨火嘴而言，需要嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度并保證空氣與酸性氣良好的摻混和足夠大的湍流強(qiáng)度。因此，需嚴(yán)格控制助燃空氣流量并采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)。

為了保證足夠大的湍流強(qiáng)度及穩(wěn)定的燃燒火焰和空氣與酸性氣的充分混合，采用雙旋流式預(yù)混燃燒器。本組合方式除了保證充分混合和穩(wěn)定燃燒外，還可以保證較短的火焰長度。主空氣通過徑向旋流器進(jìn)入燒嘴，60%的清潔酸性氣和全部含氨酸性氣預(yù)先混合后通過酸性氣燒嘴經(jīng)軸向旋流器進(jìn)入火嘴。與主空氣在預(yù)燃室混合并燃燒。

烘爐燒嘴單設(shè)燃料氣與助燃空氣來保證烘爐燒嘴的穩(wěn)定燃燒。通過總空氣流量與燃料的比值來控制整個烘爐過程的溫度。燒嘴采取二次點火方式，即由點火器點燃點火燒嘴，再由點火燒嘴點燃烘爐燒嘴和主燒嘴。點火燒嘴可以單獨控制，也可進(jìn)總控系統(tǒng)控制。點火燒嘴除了點火外，還可以作為長明燈使用。尤其在低工況燃燒時，長明燈可以保證燃燒的穩(wěn)定進(jìn)行。長明燈還可以根據(jù)不同的工況有選擇的開關(guān)。

在設(shè)計主空氣噴嘴和酸性氣噴嘴時，旋流裝置的設(shè)計在保證兩路能有效混合的基礎(chǔ)上還要控制壓力損失不要過大。酸氣路導(dǎo)流葉片為45度軸向旋流式，主空氣旋流器采用徑向?qū)Я魇?。另外，燃燒器還設(shè)置了1個點火器接口，2個視鏡接口及2個火檢接口，以確保燃燒器能安全穩(wěn)定運(yùn)行。主燒嘴三維模型如圖1所示。

圖1　主燒嘴三維造型圖

2.5燒氨燃燒器試驗驗證

考慮到某石油化工廠提供的工藝數(shù)據(jù)中，需要處理的酸性氣流量很大，需要的配風(fēng)量也很高，我所的試驗室條件目前還不具備進(jìn)行全尺寸試驗的能力，且為節(jié)省人力、物力和提高試驗效率，設(shè)計中對該燃燒器進(jìn)行了相似模化設(shè)計，其原理如下。

為了使模型的試驗結(jié)果接近于實際的燃燒過程，要遵守的相似條件和相似準(zhǔn)則很多，燃燒過程相似要具備下列條件：幾何相似，運(yùn)動學(xué)相似，動力學(xué)相似，熱力學(xué)相似，燃燒過程的工況組織要相似，英國學(xué)者斯帕爾丁對此做過統(tǒng)計，為了保持流動過程相似要遵守的相似準(zhǔn)則多達(dá)120個，事實上這些準(zhǔn)則之間有很多是相互矛盾、不可能實現(xiàn)的，要達(dá)到燃燒過程近似完全模化是比較困難的，在目前條件下只能遵循幾個有限的相似準(zhǔn)則，做到燃燒過程的近似或局部的?；Ｍ瑯釉谌紵髦幸袷亓鲃?、燃燒、傳熱傳質(zhì)的全部相似準(zhǔn)則是不可能的。通過上述分析，本試驗中將燃燒器相似?；瘻?zhǔn)則簡化如下：

（1）燃燒器中的流動是穩(wěn)定的，均時性準(zhǔn)則可以不考慮；

（2）模化燃燒器與原型燃燒器應(yīng)幾何相似，本試驗中?；紵髋c原型燃燒器的相似比為1∶30；

（3）流動相似，原型燒氨燃燒器實際工作中各路氣體流動的雷諾數(shù)Re＞105，燃燒器中的氣流流動達(dá)到了第二自?；瘏^(qū)，燃燒器中湍流流動準(zhǔn)則亦基本達(dá)到自模，因此?；娜紵髦懈髀窔怏w流動只需保證雷諾數(shù)Re＞105即可保證與原型燃燒器的流動相似；

（4）動力相似，燃燒器中各流體的動量比應(yīng)與原型燃燒器中各流體的動量比相等。

該硫回收燒氨燃燒器縮尺?；囼灱娜S造型如圖2所示：主體結(jié)構(gòu)包括燃料氣供應(yīng)，空氣供應(yīng)以及燃燒組織等結(jié)構(gòu)。采用內(nèi)外雙層同向旋流原理，使空氣與燃料氣得到充分混合，本試驗中燃料管上的接口有三個，分別是甲烷接口、氨氣接口和氮氣接口。試驗中根據(jù)需要，這三種氣體均可從燃料管中通入，經(jīng)過燃料路旋流器后進(jìn)入擴(kuò)張段中。空氣則直接通入到空氣旋流器中，經(jīng)收斂段出來后隨即進(jìn)入擴(kuò)張段中與燃料氣混合?；鹧娼Y(jié)構(gòu)及剛性、穩(wěn)定性由燃料氣與空氣流量聯(lián)合控制。

圖2　模化試驗件三維造型圖

試驗現(xiàn)場與試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　試驗現(xiàn)場圖

焚燒爐包括預(yù)混段與焚燒爐主體兩部分，焚燒爐壁面上加裝有耐火澆注料，有利于防止熱量散失，保持爐溫。焚燒爐主體上留有熱電偶溫度測孔與煙氣成分分析儀測孔，其結(jié)構(gòu)如圖4所示：測孔①與②為熱電偶測孔，對爐膛溫度進(jìn)行測量；測孔③與④為煙氣成分分析儀預(yù)留測孔，試驗中根據(jù)需要，其測量裝置可在③與④中進(jìn)行位置調(diào)整。熱電偶材料為鉑銠金屬材料，表面套有剛玉套管，其最高測量溫度為1 600℃，誤差為5%；煙氣成分分析儀型號為ECOM-J2KN。

圖4　焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

燃燒試驗中，對燃料流量在0.8～4.78 g/s范圍內(nèi)進(jìn)行了多次點火試驗，低工況下和高工況條件下均成功點火并進(jìn)行了燒氨試驗。試驗中火焰明亮，剛性強(qiáng)、燃燒穩(wěn)定性好，氨氣分解率達(dá)99%以上，尾氣中NOx濃度小于1 700×10-6，火焰溫度達(dá)到理想高溫。

3　結(jié)語

本文根據(jù)某煉廠提供的工藝數(shù)據(jù)，選用“分流注入”式燒氨工藝，通過熱力學(xué)匹配計算，在保證燒氨溫度條件及爐膛出口H2S與SO2比值為2∶1的條件下，確定了進(jìn)入主燒嘴的清潔酸性氣氣量。根據(jù)各路氣體流量等參數(shù)設(shè)計了雙旋流式燒氨燃燒器，其中酸性氣路采用徑向旋流葉片，空氣路選用切向旋流葉片，保證酸性氣與空氣的充分摻混。最后，根據(jù)相似原理，設(shè)計了一臺結(jié)構(gòu)形式相同的縮尺試驗件，并進(jìn)行了燒氨試驗，試驗結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)形式的燒氨燃燒器火焰剛性好、燃燒穩(wěn)定性好，氨氣分解徹底，火焰溫度能達(dá)到理想溫度，可以應(yīng)用于生產(chǎn)實踐以替代進(jìn)口燒氨燒嘴。

［1］Turbulence and a Generalized Eddy Dissipation Concept for Chemical Reaction in Turbulent Flow.Nineteeth AIAA Meeting，St. Louis，1981.

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［7］程乃良.純物質(zhì)熱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊 ［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

Development of Ammonia-Burning Claus Sulfur Recovery Burner

ZHONG Weicong，LIU Dan
（Xi'an Aerospace Source Power Engineering Co.，Ltd，Xi’an 710100，China）

As the rapidly development of ammonia-burning sulfur recovery technology，the ammoniaburning processing is widely used in domestic.The homemade ammonia-burning Claus sulfur recovery burner develops slowly.An ammonia-burning Claus sulfur recovery burner is developed according to thermodynamic calculation，mechanism design and experimental verification，and its characteristics are evaluated，which has guiding significance for the design of the burner.

sulfur recovery；ammonia-burning；burner

TE963

B

1001-6988（2016）02-0028-05

2015-12-30

仲偉聰（1977—），男，高級工程師，主要研究方向為燃燒技術(shù)和流場分析.