富氧推火燃燒技術在減壓蒸餾裝置加熱爐上的應用

魏 伯 卿

（洲利實業（上海）有限公司淄博晟安機電有限公司，上海200129）

富氧局部增氧助燃技術是中科院大連化學物理研究所國家“七·五”、“八·五”科技攻關研究成果，它是應用于燃煤燃氣燃油爐的節能減排技術，被稱之為“資源的創造性技術”［1］，是最新的節能環保技術之一［2－3］，近30年來發展非常迅速，用途愈來愈廣泛，并已取得較好的節能和環保效果［4－11］。但該技術有一個明顯的缺點就是無法通過改變燃燒火焰的形狀和分布來提高燃燒的熱輻射效率和燃燒的安全性。針對富氧局部增氧助燃技術存在的問題，開發了富氧推火燃燒技術，利用專用富氧噴嘴和射流技術匹配，將體積分數27%～40%的富氧氣體，直接送到燃燒火焰中心最需要氧氣的地方助燃，使燃料能在高氧環境下強化燃燒，并能在一定程度上改變燃燒火焰的形狀和分布，從而提高熱輻射效率。

富氧局部增氧助燃技術的應用在國內外都有不少成功案例，而富氧推火燃燒技術作為最新的研究成果，其工業應用在國內外尚屬首例，特別是將富氧推火燃燒技術應用于煉油裝置減壓爐這種安全性要求極高的加熱爐。本課題介紹了富氧推火燃燒技術在中國石油大港石化分公司（以下簡稱大港石化）5Mt/a原油減壓蒸餾裝置加熱爐上應用的結果。

1 富氧推火燃燒技術的節能減排機理

1.1 提高火焰溫度、火焰黑度和輻射熱

因氮氣量減少、空氣量及煙氣量均顯著減少，故火焰溫度、火焰黑度和輻射熱均隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而顯著提高，但富氧濃度不宜過高，國內外研究結果表明［8］，富氧體積分數在27%～33%時為最佳，因為氧濃度較高時，火焰溫度增加較少，而制氧投資等費用猛增。

1.2 加快燃燒速度，促進燃燒完全

燃料在空氣中和在純氧中的燃燒速度相差甚大，如氫氣在純氧中的燃燒速度是在空氣中的4.2倍，天然氣則高達10.7倍，故用富氧助燃，不僅能提高燃燒強度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導，同時由于溫度提高了，將有利于燃燒反應，促進燃燒完全，從而從根本上消除污染。

1.3 降低燃料的燃點溫度

燃料的燃點溫度不是常數，如CO在空氣中為609℃，在純氧中僅388℃，所以用富氧助燃能提高火焰強度。

1.4 減少燃燒后的排氣量

用普通空氣助燃，約占其4/5的氮氣不但不參與助燃，還要帶走大量的熱量。如用富氧助燃，氮氣量要減少，故燃燒后的排氣量亦減少，從而能提高燃燒效率等。

1.5 降低空氣過剩系數

用富氧代替空氣助燃，可適當降低空氣的過剩系數，這樣，燃料消耗就相應減少，從而節約能源。

2 工業應用

針對大港石化5Mt/a原油減壓蒸餾裝置加熱爐排煙氧含量偏高、燃料組分復雜，熱值偏低、燃料消耗偏高等問題，大港石化于2011年應用了富氧推火燃燒技術，在不改變加熱爐和燃燒器結構的情況下，在加熱爐內安裝富氧分管，并在爐內富氧分管上安裝富氧噴嘴。

2.1 技術要點

富氧推火燃燒技術最關鍵的技術點在于富氧氣體送入到燃燒火焰的位置、角度、線速度。大港石化減壓蒸餾裝置加熱爐為立式加熱爐，直徑11 000mm，有12個燃燒器環形分布在爐膛底部，12個燃燒器的外邊緣距離靠近爐膛內壁立式安裝的物料加熱管的距離為800mm，燃燒火焰較分散、火焰較長，為2 000～3 500mm，加熱爐的反平衡熱效率為89.83%；國內外的對稱燃燒加熱爐實施富氧助燃時，富氧噴嘴的安裝大多都是從燃燒器的附近打孔安裝，每一個富氧噴嘴需要打一個安裝孔。大港石化減壓蒸餾裝置加熱爐有12個燃燒器，設計配置24組富氧噴嘴，如果按常規的安裝方式，必須從12個燃燒器的附近打24個富氧噴嘴安裝孔，這對熱效率較高且易燃易爆的加熱爐來說，帶來的破壞太大。為了減少對加熱爐的破壞，設計4根富氧分管從爐底打4個直徑Φ100mm的孔伸入爐內，在爐內富氧分管組成4個扇形狀，使每個扇形弧管內側均勻分布3個燃燒器，這樣既可在這4根富氧分管上安裝多個富氧噴嘴，同時，這4根富氧分管又是富氧氣體在爐內的預熱管；在爐內富氧分管弧管的內側靠近燃燒器位置對稱安裝24組富氧噴嘴，每個富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸成26°～30°的α夾角，如圖1所示。每個燃燒器外側的富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸的夾角α都不一樣，而且每個富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸的夾角α都是由該燃燒器的燃燒狀況、火焰長度、爐膛高度、加熱管的分布、煙氣在爐膛內的停留時間、燃料噴射的擴散角等參數計算確定的，因為這個減壓爐的爐膛高，火焰長，火焰比較分散，煙氣在爐內的停留時間不夠長，因此在設計安裝富氧噴嘴的角度時，加大了富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸的夾角α，使富氧氣體將燃燒火焰推向爐膛中心方向較小的距離，從而使火焰更直、更集中地燃燒，進而形成更高溫度的燃燒火焰。同時，盡量縮短燃燒火焰的長度，并將燃燒火焰的最高溫度區向下移，即在保證燃料能夠燃燒完全的條件下，縮短燃燒火焰的長度，使燃料在最短的時間內燃燒完全，從而能增加煙氣在爐膛內的停留時間即煙氣在爐膛內的流經時間，進而提高煙氣的熱交換效率。根據實驗和應用經驗在富氧噴嘴口與燃料噴口之間的距離一定的情況下，推火燃燒技術計算出來的富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸的夾角α推，在實際安裝時要增加一個小角度修正值Δα推，Δα推＝0.2°～0.7°。24組富氧噴嘴的D推（富氧噴嘴口與燃料噴口之間的距離）、α推和小角度修正值Δα推見表1。所有富氧噴嘴設計為扁形富氧噴嘴。

圖1 推火燃燒富氧噴嘴夾角與火焰長度示意

表1 富氧噴嘴口與燃料噴口之間的距離D推和富氧噴嘴與燃燒火焰中心軸的夾角α推及修正值Δα推

2.2 標定結果

為了檢驗富氧推火燃燒技術性能，大港石化于2011年8月27—29日對減壓蒸餾裝置加熱爐進行了考核標定，標定前后數據分別見表2和表3。

表2 富氧推火燃燒技術使用前減壓爐統計平均數據

表3 富氧推火燃燒技術使用后減壓爐標定數據

從表2和表3可以看出：使用富氧推火燃燒技術前減壓爐燃料平均能耗為260.11MJ/t，排煙氧體積分數為4.54%，使用富氧推火燃燒技術后減壓爐燃料平均能耗為244.63MJ/t，排煙中氧氣體積分數為2.14%，使用后燃料能耗降低了5.95%，排煙中氧氣體積分數降低了52.8%；另外實施富氧推火燃燒技術后，原來比較分散的燃燒火焰有明顯的集中變亮，燃燒狀況明顯好轉，燃燒火焰長度縮短。

2.3 運行情況

自2011年9月1日富氧推火燃燒技術投入使用至今的兩年多時間里，裝置運行穩定，節能減排效果明顯。

（1）該裝置工藝簡單，設備運行平穩可靠，不必配備專職操作人員，從運行到目前，該系統尚未出現過設備問題，維修費用極少。

（2）該工藝的安裝不改變加熱爐原有結構和工作狀態，僅爐內富氧分管和富氧噴嘴與加熱爐接觸，對加熱爐的性能和安全沒有任何影響；由于提高了燃燒效率，使燃料燃燒更加完全，排煙氧體積分數明顯降低。

（3）富氧氣體加入區，火焰亮度明顯增強，爐溫顯著上升，爐膛燃燒區溫度升高10～30℃，促進完全燃燒，在爐膛溫度一定的情況下，燃料消耗明顯下降。

（4）采用富氧推火燃燒技術助燃后，加熱爐總進入空氣量明顯減少。

（5）采用富氧推火燃燒技術助燃后，加熱爐燃燒火焰長度有較大的縮短。

3 經濟效益分析

富氧推火燃燒技術實施共增加投資約170萬元，其中設備投資為152萬，安裝費用為18萬，運行費用主要為電機電費，按照燃氣價格為2.2元/m3、電價為0.72元/kWh、降低燃料能耗5.95%計算，年節能收益為251.3萬元，年電耗費用為35.7萬元，年節能凈收益為215.6萬元，投資回收期為9.5個月。

4 結 論

（1）實施富氧推火燃燒技術后，原來比較分散的燃燒火焰有明顯的集中變亮，燃燒狀況明顯好轉，燃燒火焰長度縮短。

（2）實施富氧推火燃燒技術后，減壓爐燃料能耗降低了5.95%，排煙中氧氣體積分數降低了52.8%。

（3）富氧推火燃燒技術投資少、效益高，年節能凈收益為215.6萬元，投資回收期不到10個月。

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