潘培明

(中國(guó)石油化工股份有限公司廣州分公司)

國(guó)產(chǎn)低氮燃燒器在裂解爐輕烴適應(yīng)性改造中的工業(yè)應(yīng)用*

潘培明

(中國(guó)石油化工股份有限公司廣州分公司)

運(yùn)用火焰分散、多級(jí)燃料燒嘴、煙氣再循環(huán)及CFD模擬等技術(shù)，對(duì)裂解爐燃燒器進(jìn)行國(guó)產(chǎn)低氮技術(shù)改造,經(jīng)過(guò)3個(gè)周期的運(yùn)行表明：燃燒器工作良好，熱負(fù)荷符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，爐膛熱通量分布合理，NOx排放量降低48.8%，熱效率提高，排煙溫度大幅降低，延長(zhǎng)了運(yùn)行周期，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，節(jié)能環(huán)保效益顯著。

裂解爐 燃燒器 NOx排放技術(shù)改造

廣州石化乙烯裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，爐膛溫度高，隨著環(huán)保的要求越來(lái)越高，面臨減少污染物尤其是氮氧化物排放的重要挑戰(zhàn)，因此采用新技術(shù)對(duì)燃燒器進(jìn)行低氮燃燒改造就顯得非常必要和迫切。裂解爐的熱量全部由燃燒器所提供，燃燒器性能的優(yōu)劣決定了裂解爐的熱效率、安全環(huán)保和平穩(wěn)滿負(fù)荷生產(chǎn)。裂解爐所用的燃料氣經(jīng)過(guò)燃燒后產(chǎn)生的煙氣含有NOx、SO及CO等，近年來(lái)雖然通過(guò)技術(shù)攻關(guān)和操作優(yōu)化，煙氣中的CO和SO已大幅度降低，但由于裂解爐采用是擴(kuò)散式燃燒，7臺(tái)裂解爐排放煙氣NOx為129 ～199mg/Nm3之間，無(wú)法滿足GB 31571-2015規(guī)定的排放要求，筆者利用乙烯裝置原料輕質(zhì)化組成改造之機(jī)對(duì)裂解B爐和D爐進(jìn)行國(guó)產(chǎn)低氮燃燒器改造。

1 燃燒器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 改造前

廣州石化乙烯生產(chǎn)能力為200kt/a，采用S&W的裂解技術(shù)，原設(shè)計(jì)裂解原料為石腦油和柴油，每臺(tái)裂解爐輻射段共有28組U形爐管，采用底部燃燒器和側(cè)壁燃燒器聯(lián)合供熱方案，底部燃燒器為氣體燃燒器，每排8臺(tái)，共16臺(tái)，供熱能力為全爐的80%。側(cè)壁燃燒器為氣體燃燒器，每側(cè)有兩排，每排8列，兩側(cè)共32臺(tái)，供熱能力為全爐的20%。

改造前底部燃燒器包括2個(gè)一級(jí)燃料噴頭、2個(gè)二級(jí)燃料噴頭和1個(gè)長(zhǎng)明燈組件，燃燒所需助燃空氣由煙道一次供給，助燃空氣通過(guò)空氣預(yù)熱器預(yù)熱到90～130℃，和來(lái)自燃料噴頭的燃料氣在燃料氣磚中混合后燃燒。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為火焰穩(wěn)定緊湊、火焰較長(zhǎng)，基本不存在回火問(wèn)題，但需要的過(guò)?？諝饬枯^多，同時(shí)存在爐膛溫度分布不均勻，COT偏差大，個(gè)別爐管出現(xiàn)過(guò)度裂解，結(jié)焦速率大，影響裂解爐運(yùn)行周期等問(wèn)題。

1.2 改造后

1.2.1 改造方案

本次改造針對(duì)的裂解爐位號(hào)為B1110B和B1110D，爐子輻射段采用中石化 CBL-VI爐管，共分為4組爐管，由北京化工研究院對(duì)管內(nèi)裂解反應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算，天華院南京工業(yè)爐設(shè)計(jì)研究所對(duì)管外燃燒、流動(dòng)和傳熱進(jìn)行CFD模擬計(jì)算，依據(jù)以上計(jì)算結(jié)果對(duì)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造，燃燒器布置不變，供熱比例不變，燃燒器各接口不變。高壓甲烷供裂解爐底部燃燒器和長(zhǎng)明燈，低壓甲烷供裂解爐底部原油改氣燒嘴和側(cè)壁燃燒器。底部采用新型低NOx燃燒器，原爐底開(kāi)孔需要加大。側(cè)壁由于使用的是低壓甲烷，故仍采用半預(yù)混燃燒器。改造后的燃燒器布置如圖1所示。燃燒器的總供熱量為31.38MW，底部和側(cè)壁供熱比為80∶20。

圖1 改造后的燃燒器布置示意圖

1.2.2 改造結(jié)構(gòu)

底部燃燒器采用天華院南京工業(yè)爐設(shè)計(jì)研究所專利技術(shù)。該燃燒器采用燃料分級(jí)和煙氣再循環(huán)技術(shù)降低NOx排放。一級(jí)燃料經(jīng)由一級(jí)燃料噴頭噴入燒嘴磚，與全部助燃空氣混合后在爐膛內(nèi)進(jìn)行貧燃料燃燒；二級(jí)燃料經(jīng)由二級(jí)燃料噴頭直接噴入爐膛，與剩余的助燃空氣在一級(jí)燃料燃燒區(qū)域的下游完成燃燒，火焰的最高溫度低于普通燃燒器的火焰溫度。燒嘴磚中部開(kāi)有引射孔，以便煙氣再循環(huán)，燒嘴磚上部設(shè)有穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)，利于燃燒穩(wěn)定。改造后的底部燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造后的底部燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

側(cè)壁燃燒器采用天華院南京工業(yè)爐設(shè)計(jì)研究所開(kāi)發(fā)的側(cè)壁氣體燃燒器其特點(diǎn)是在進(jìn)氣口端設(shè)有消音器，燃料氣進(jìn)口管的出口端設(shè)有置于引射器內(nèi)的燃?xì)鈬婎^，引射器前端接有燒嘴，燒嘴頭部為碗狀，其碗部周邊開(kāi)有數(shù)個(gè)矩形噴孔；引射器、燒嘴外圍設(shè)有燒嘴磚，風(fēng)箱側(cè)壁還設(shè)有二次風(fēng)門。引射器將燃料和助燃空氣在燃燒之前進(jìn)行預(yù)混和，形成貼壁火焰。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改造后的側(cè)壁燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3 技術(shù)特點(diǎn)

在燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)采用了世界最先進(jìn)的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算(CFD)模擬計(jì)算。在CFD模擬計(jì)算中可以預(yù)測(cè)燃燒器的燃燒情況，火焰的形狀是否成型,及火焰的尺寸；觀察熱場(chǎng)分布，熱通量曲線等。這就避免了在實(shí)際工況中出現(xiàn)空氣配比不合理、局部溫度過(guò)熱、火焰舔爐管以及火焰反卷等問(wèn)題。通過(guò)CFD模擬計(jì)算，可以對(duì)模擬模型中的燃燒器噴頭的角度、直徑等進(jìn)行多方案對(duì)比，預(yù)測(cè)NOx的排放濃度和排放量，使它獲得最優(yōu)結(jié)果。

通常，CFD模擬出的合理方案有多個(gè)，而最終采納的方案都是經(jīng)過(guò)燃燒器熱態(tài)試驗(yàn)后確定。熱態(tài)試驗(yàn)時(shí)，底部燃燒器和側(cè)壁燃燒器的布置與設(shè)計(jì)相符，燃燒器的能力和設(shè)計(jì)能力一致。在試驗(yàn)爐上設(shè)置有多個(gè)測(cè)試孔，對(duì)熱流密度，煙氣成分等重要參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，確保最終方案達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

根據(jù)API535，在燃燒器中降低NOx生成的主要燃燒技術(shù)有3種：空氣分級(jí)技術(shù)、燃料分級(jí)技術(shù)和煙氣再循環(huán)技術(shù)。本次改造中主要運(yùn)用了火焰多點(diǎn)分散燃燒、多級(jí)燃料燒嘴及煙氣再循環(huán)等技術(shù)。多點(diǎn)分散燃燒是將燃燒器的噴嘴分開(kāi)布置，分散燃燒火焰，從而避免了燃燒器火焰集中，有助于減少NOx的生成。分級(jí)燃料燃燒是通過(guò)噴嘴的布置和噴孔的方向?qū)⑷紵齾^(qū)域分成若干。助燃空氣一次全部引入第1燃燒區(qū)，但在第1燃燒區(qū)只有部分燃料被燃燒，剩余的燃料被分別引入到第2燃燒區(qū)和第3燃燒區(qū)，利用第1或第2燃燒區(qū)過(guò)剩的氧進(jìn)行燃燒。第1和第2燃燒區(qū)過(guò)剩的空氣稀釋了燃料，燃燒溫度較低，從而減少了NOx的生成。煙氣再循環(huán)是燃料通過(guò)燃料一級(jí)噴孔進(jìn)入燒嘴磚的側(cè)向通道中，從而吸引爐膛中的煙氣進(jìn)入燒嘴磚的中心空氣流道中。這樣可以降低火焰的燃燒溫度，減少NOx的生成。

2 工藝指標(biāo)分析比較

裂解爐于2015年10月開(kāi)始改造，2016年1月投料，運(yùn)行3個(gè)周期后對(duì)裂解爐進(jìn)行工藝過(guò)程測(cè)試，測(cè)試前已完成爐管燒焦和SLE水力清焦，測(cè)試期處于裂解爐運(yùn)行的第5～7天。

2.1 裂解爐投料量及裂解深度

NAP工況初期， COT設(shè)計(jì)值833℃；單程乙烯收率28.97%，丙烯收率14.54%，丙、乙烯收率比0.50。COT考核值838℃，分析急冷器后裂解氣氣相組成(體積分?jǐn)?shù))：乙烯34.98%；丙烯8.91%，丙、乙烯收率比為0.38，裂解深度高于設(shè)計(jì)值。

HVGO工況初期，COT設(shè)計(jì)值801℃；單程乙烯收率28.05%，丙烯收率16.75%，丙、乙烯收率比0.60。COT考核值808℃，分析急冷器后裂解氣氣相組成(體積分?jǐn)?shù))：乙烯39.34%；丙烯13.03%，丙、乙烯收率比為0.49，裂解深度高于設(shè)計(jì)值。

考慮到流量測(cè)定誤差，裂解負(fù)荷考核值趨近但略低于設(shè)計(jì)值?？己似陂g運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)流程及指標(biāo)參數(shù)瓶頸，輻射段爐管無(wú)晃動(dòng)，投料流量能達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷。

2.2 運(yùn)行周期

裂解爐設(shè)計(jì)運(yùn)行周期：NAP 80天，HVGO70天。測(cè)試前裂解爐已運(yùn)行3個(gè)周期，運(yùn)行期內(nèi)，爐管外壁溫度均未達(dá)到燒焦限制溫度1 115℃。第1周期，NAP和HVGO投料負(fù)荷90%左右，管壁最高溫度1 025℃左右，SLE后最高溫度接近530℃；第2周期屬于被動(dòng)停爐，不作周期考核；第3周期，HVGO投料負(fù)荷90%時(shí)，SLE最高溫度不到590℃，且穩(wěn)定在585℃左右，遠(yuǎn)低于SLE設(shè)計(jì)燒焦溫度650℃，運(yùn)行周期預(yù)計(jì)能大于70天。因此，裂解爐運(yùn)行周期能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.3 節(jié)能

裂解爐為乙烯裝置的核心，其能耗超過(guò)整個(gè)裝置的50%。表1、2為改造后初期(考核期間)與改造前裂解爐運(yùn)行工藝參數(shù)對(duì)比。

表1 HVGO工況運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

表2 NAP工況運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

加氫尾油工況下，排煙溫度受HVGO進(jìn)料溫度影響，當(dāng)進(jìn)料溫度在80℃以下時(shí)，排煙溫度最低至127℃，末期熱效率為93.5%，高于設(shè)計(jì)值。NAP工況下，初期排煙溫度最低至95℃左右，超過(guò)設(shè)計(jì)值10℃左右，熱效率在96%以上，高于設(shè)計(jì)值。排煙溫度受進(jìn)料溫度和對(duì)流段積灰的影響較大，特別是HVGO 進(jìn)料溫度經(jīng)常高于設(shè)計(jì)進(jìn)料溫度。裂解爐熱效率考核達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、降耗的目的。

2.4 煙氣監(jiān)測(cè)及各工況下NOx的排放

2.4.1 煙氣測(cè)試結(jié)果

對(duì)照燃燒器數(shù)據(jù)表，Low-NOx燒嘴改造后最大允許NOx排放量為100mg/Nm3，最大允許CO排放量65mg/Nm3?？己似陂g根據(jù)裂解爐現(xiàn)狀，本次測(cè)試前取消原煙氣擋流塊。進(jìn)入煙道冷空氣由方孔處噴出，與原流向相反，客觀上對(duì)底部主、副燒嘴起到一定冷卻作用，由于不滿足同等條件下的測(cè)試對(duì)比，在上述限制條件下，將負(fù)荷提至設(shè)計(jì)值，NAP：16.733t/h，COT：838℃，不共裂。穩(wěn)定后由當(dāng)?shù)丨h(huán)保監(jiān)測(cè)站檢測(cè)結(jié)果顯示NOx最高/平均排放量分別為94/90mg/Nm3，CO排放量低于65mg/Nm3，符合排放要求。

2.4.2 空氣預(yù)熱溫度對(duì)NOx的影響

目前，底燒燃燒器預(yù)熱空氣溫度達(dá)到132℃。美國(guó)John Zink公司粗略核算，如果不預(yù)熱，應(yīng)用COOLstar+LPMW燃燒器組合，NOx排放可以保證在90mg/Nm3，而預(yù)熱空氣達(dá)到130℃以上時(shí)，NOx排放量勉強(qiáng)保證99mg/Nm3。

在加氫尾油工況和相同過(guò)剩空氣系數(shù)條件下，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)多工況測(cè)試，結(jié)果如下：不投用空氣預(yù)熱器，底燒進(jìn)空氣溫度32℃左右，NOx生成量穩(wěn)定在80mg/Nm3左右；投用空氣預(yù)熱器后，預(yù)熱溫度短時(shí)間升高至132℃，空氣密度下降，過(guò)?？諝庀禂?shù)降低，煙氣中CO升高，燃燒不充分，需要調(diào)大風(fēng)門使氧含量穩(wěn)定，NOx生成量就保證在92mg/Nm3左右。

采取投用空氣預(yù)熱器穩(wěn)定后再停用，隨溫度降低分階段測(cè)試。停用空氣預(yù)熱器后溫度下降速率太快，并要及時(shí)進(jìn)行過(guò)?？諝庀到y(tǒng)調(diào)整，在80～90℃測(cè)得NOx生成量約88mg/Nm3左右；溫度繼續(xù)下降，NOx生成量的變化趨勢(shì)不明顯。

2.4.3 長(zhǎng)明燈和低壓甲烷壓力對(duì)NOx的影響

長(zhǎng)明燈和低壓甲烷燒嘴位于火盆內(nèi)，熄滅長(zhǎng)明燈和降低低壓甲烷壓力能降低底燒的燃燒溫度，理論上也降低了NOx生成量。長(zhǎng)明燈滅12只，剩4只，同等條件下NOx生成量降低5mg/Nm3。將低壓甲烷進(jìn)中心槍的壓力從30kPa降至20kPa左右，同等條件下NOx生成量降低5mg/Nm3左右。

3 低氮燃燒器改進(jìn)措施和建議

側(cè)壁燃燒器為預(yù)混式燃燒器，燃燒溫度較高，相同工況下產(chǎn)生的NOx量約為擴(kuò)散式燃燒器的兩倍，因此，在保證正常供熱的條件下，建議關(guān)閉一排側(cè)壁燃燒器。同時(shí)，側(cè)壁燒嘴燃燒負(fù)荷是設(shè)計(jì)負(fù)荷的兩倍。

長(zhǎng)明燈實(shí)際上也是預(yù)混式燃燒器，它產(chǎn)生的NOx不容忽視，熄滅部分長(zhǎng)明燈不會(huì)影響裂解爐安全運(yùn)行。據(jù)了解，同類裝置如揚(yáng)子、齊魯乙烯裂解爐為降低NOx生成量已熄滅全部長(zhǎng)明燈。

低氧燃燒能夠確保低NOx排放量，建議實(shí)際操作過(guò)程中，將氧含量控制在0.8%～1.2%之間。CO、H2絕熱溫度高，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOx量較大，應(yīng)避免采用CO、H2含量高的煉廠氣和尾氣作燃料。

空氣預(yù)熱器溫度對(duì)NOx生成量影響較大。投用空氣預(yù)熱器后雖然燃料氣用量降低50～100kg/h左右，但溫度升高，空氣密度降低，爐膛抽力增大，風(fēng)機(jī)能耗也會(huì)上升，且現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)門調(diào)節(jié)困難，操作空間狹小，負(fù)荷調(diào)整后COT響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

本次改造對(duì)對(duì)流段管排進(jìn)行了優(yōu)化排布，新增6 排原料預(yù)熱盤管(FPH-N)，減少兩排鍋爐給水(BWPH)，利用此位置新增兩排盤下原料預(yù)熱段(LFPH-N)。根據(jù)原爐子運(yùn)行參數(shù)，原料預(yù)熱后溫度應(yīng)為氣液兩相臨界點(diǎn)即200℃左右，然后與DS混合后再全部汽化。原料預(yù)熱超溫有可能導(dǎo)致對(duì)流段盤管結(jié)焦堵塞。SEI工藝設(shè)計(jì)人員分析超溫的直接原因是原料預(yù)熱面積增大導(dǎo)致，并將作進(jìn)一步核算后提出整改方案和操作指導(dǎo)。 燃燒器預(yù)留蒸汽接口為裂解爐燃焦期間降低NOx使用，該燃燒器除了使用分級(jí)燃料燃燒和煙氣再循環(huán)技術(shù)，還采用向火焰中噴射水或水蒸氣的方法，利用水的蒸發(fā)潛熱和水蒸氣使火焰溫度降低，同時(shí)還會(huì)引起氧、氮分壓的降低，進(jìn)一步降低NOx生成量。

4 結(jié)束語(yǔ)

從改造前、后數(shù)據(jù)對(duì)比看，國(guó)產(chǎn)低NOx的燃燒器燃燒情況良好，爐內(nèi)熱場(chǎng)分布均勻，火焰剛直有力，爐子各組爐管的外壁溫度較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)火焰翻卷和舔爐管等現(xiàn)象。爐子自改造后在滿負(fù)荷工況下已運(yùn)行超過(guò)一個(gè)設(shè)計(jì)周期 (80天)，爐管出口外壁金屬溫度維持在1 040℃左右，遠(yuǎn)未達(dá)到燒焦溫度1 080℃，說(shuō)明該燃燒器實(shí)際熱負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)值，熱通量分布合理。更為重要的是通過(guò)運(yùn)用了低NOx燃燒技術(shù)中的燃料分級(jí)和煙氣再循環(huán)技術(shù)，改造后同比降低了49mg/Nm3的NOx排放，節(jié)能減排效果非常明顯，具有十分重要的環(huán)保意義。裂解爐用低NOx燃燒器已在廣州石化乙烯裂解爐裝置上成功投運(yùn)一年多。目前，低NOx燃燒器運(yùn)行平穩(wěn)，NOx排放由之前的150mg/Nm3左右，下降至80mg/Nm3以下。這標(biāo)志著我國(guó)裂解爐用燃燒器技術(shù)又邁上了一個(gè)新臺(tái)階。

在B1110B裂解爐裂解性能考核過(guò)程中，裂解爐操作控制正常，原料進(jìn)料量和蒸汽進(jìn)料量控制平穩(wěn)。通過(guò)考核數(shù)據(jù)可以看出，裂解B爐經(jīng)過(guò)改造后，其裂解性能關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)考核達(dá)到了設(shè)計(jì)值。解決了運(yùn)行過(guò)程中COT偏差大的問(wèn)題，使COT偏差小于15℃，運(yùn)行周期延長(zhǎng)5天以上，每臺(tái)爐子節(jié)約燃料20kg/h。改造后輻射室傳熱效率大為提高，裂解爐排煙溫度降低了11%，大幅度降低了NOx排放量，延長(zhǎng)了裂解爐的運(yùn)行周期，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，節(jié)能環(huán)保效益顯著，乙烯裂解爐上成功應(yīng)用，提高了裝置經(jīng)濟(jì)效益，具有極高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

TheIndustrialApplicationofDomestically-madeLow-nitrogenBurnerinImprovingLightHydrocarbonAdaptabilityofCrackingFurnace

PAN Pei-ming

(SinopecGuangzhouPetrochemicalCorporation)

Applying technologies of flame dispersion,multi-stage fuel burners,flue gas recirculation and CFD

潘培明(1963-)，工程師，從事石化靜設(shè)備管理工作，panpeiming.gzsh@sinopec.com。

TQ038

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0254-6094(2017)04-0402-06

2017-05-03)

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