用數學模型測算燃料氣組成變化對加熱爐的影響

徐寶平

(中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 255400)

工業加熱爐是個耗能大戶，其能耗占全國總能耗的1/4，燃燒產生的煙氣更是大氣嚴重的污染源[1]。石化企業燃料氣的消耗占據企業總能耗和動力費用的60%～70%，是最為關鍵的節能管理環節。深入分析加熱爐燃燒機理、完善操作管理辦法是提高加熱爐熱利用效率、確保長周期運行的基礎工作。

1 燃料氣加熱爐燃燒過程的數學模型的建立和計算

石化企業的燃料氣主要來自生產過程中副產的小分子氣體，俗稱“煉廠氣”，主要由甲烷、乙烷、氫氣、硫化氫等物質組成。隨著生產波動和工藝調整，石化企業燃料氣的組成變化幅度比較大。即使是冬季與夏季，石化企業燃料氣也有較多不同的組成。

編制本軟件是為了精準驗算上述不同組成的燃料氣所產生的不同后果，從理論上計算出影響程度和預防方法。軟件編制的邏輯關系見圖1。

為了便于計算，本軟件需要將常規氣體燃燒的化學方程式變更為如下適合各種氣體的通用化學平衡式。

(1)

燃料氣中各組分對應上述化學平衡式中的各因子見表1。

表1 燃料氣中各組分因子

本軟件選擇表2的5種燃料氣進行計算。

表2 5種燃料氣體積分數組成 %

計算結果見表3。

表3 5種燃料氣的計算結果

2 計算結果分析

2.1 熱值的變化

上述計算表明，當燃料氣中甲烷、丙烷含量增加時，質量熱值差異在1%～2%之內，而體積熱值會增加1.5～3.0倍。

2.2 對供風與燃燒器配風的影響

加熱爐在“典型燃料氣”、“高甲烷燃料氣”、“高丙烷燃料氣”的體積熱值從34.63 MJ/m3分別提高至45.46 MJ/m3和82.29 MJ/m3，提高幅度分別為131%和238%；而體積需氧量分別為0.23 m3/m3、0.83 m3/m3和2.44 m3/m3，提高幅度分別達到100%、361%和1 061%，表明：

(1)燃料氣中甲烷、丙烷的比例增加后，加熱爐在既定的輸出功率下，供風會增加3～5倍，原有的風機功率或風道流通面積會影響加熱爐的正常運行。

(2)石化企業在冬季或應急狀況下緊急“補烴”是將富含丙烷、丁烷的液化氣組分添加到燃料氣系統。這種行為會使加熱爐供風不足，燃料燃燒不完全，煙囪冒黑煙。

2.3 對燃燒器功率的影響

已有的燃燒器功率取決于燃料流量和配風流量。針對“典型燃料氣”選擇的燃燒器，燃料氣管道直徑、流量或壓力控制閥門、噴嘴尺寸等都已經定型，當燃料氣組分發生變化時，會出現如下問題。

(1)在“高氫氣燃料氣”的工況下，由于燃料氣密度小，提供既定功率的熱量時，需要更大的燃料氣流量。原有的燃料氣管道直徑、流量或壓力控制閥門、噴嘴尺寸會限制加熱爐功率的輸出。

(2)在“高丙烷燃料氣”的工況下，由于燃料氣密度大，提供既定功率的熱量時，只需要較小的燃料氣流量。原有的燃料氣流量或壓力控制閥門、噴嘴尺寸過大，會造成爐膛超溫、爐出口溫度大幅波動、煙氣氧含量高、過?？諝庀禂蹈叩确N種不平穩現象。

(3)石化企業的應急“補烴”會嚴重擾亂加熱爐的平穩操作。

2.4 對火焰溫度和氮氧化物的影響

高溫有利于氮氧化物生成反應，在高溫區的停留時間越長，生成的T—N也越多[2]。燃燒產生的熱量最終分布于CO2、H2O、N2等燃燒產物上，燃燒產物越少，火焰溫度越高，這就是木柴火焰、煤炭火焰、乙炔+氧氣火焰和電弧火焰逐步升高的原因。上述計算結果中的“單位熱值排放量”是表示單位發熱值下煙氣排放數量的多少，數值越小則火焰溫度越高，也就越容易產生氮氧化物。

計算結果表明：

(1)火焰溫度或氮氧化物產生量從高到低依次排序是：高氫燃料氣>典型燃料氣>富甲烷燃料氣>高甲烷燃料氣>高丙烷燃料氣。

(2)忽略煙氣組成，以高氫燃料氣的火焰溫度1 250 ℃計算，典型燃料氣、富甲烷燃料氣、高甲烷燃料氣、高丙烷燃料氣的火焰溫度分別是1 249 ℃、1 110 ℃、968 ℃、622 ℃。

(3)同時也說明，高丙烷燃料氣的體積熱值高，但是火焰溫度低，不適合加熱300 ℃以上的工藝物料。

2.5 對加熱爐燃燒效率的影響

單位熱值排放量不僅能與火焰溫度、氮氧化物產生量相關聯，也能與加熱爐熱利用效率相關聯?！皢挝粺嶂蹬欧帕俊痹酱螅訜釥t的煙氣排放量也越多，在相同的熱負荷和傳熱效率下，加熱爐的熱效率也越低。

計算結果表明：

(1)燃燒效率依次是：高氫燃料氣>典型燃料氣>富甲烷燃料氣>高甲烷燃料氣>高丙烷燃料氣。

(2)忽略煙氣組成，以高氫燃料氣火焰溫度為92%計算，典型燃料氣、富甲烷燃料氣、高甲烷燃料氣、高丙烷燃料氣的火焰溫度分別是92%、91%、90%和84%。

(3)由此也可以判斷，石化企業在冬季或應急狀況下緊急“補烴”，不僅會擾亂加熱爐的平穩操作，更會大幅降低加熱爐的燃燒效率。

2.6 對露點溫度和露點腐蝕的影響

煙氣露點一般是指煙氣的露點溫度，其定義是：在保持壓力和煙氣中水汽含量不變的條件下，使煙氣冷卻達到飽和時的溫度稱露點溫度。實際上也就是水蒸氣與水達到平衡狀態的溫度。

熱電燃煤企業的煙氣組成富含粉塵，一般用經驗公式來表征氣煙氣的露點溫度。世界上這類經驗公式有數十種之多，適用性和差異性在20～80 ℃之間。石化企業燃氣加熱爐無粉塵，本軟件用理想氣體性質進行計算，計算結果與現場測得的數據基本吻合。

露點溫度計算結果見表4。

表4 燃氣加熱爐煙氣露點溫度計算結果

計算結果表明：

(1)燃氣加熱爐的露點溫度普遍低于80 ℃。實際現場加熱爐在100 ℃時，會因保溫效果差、煙氣流動速度不均和冷空氣竄入煙氣等原因而出現局部結露現象。這種現象并不表明煙氣的露點溫度在100 ℃，而是工程實施導致的局部溫度不均問題，應該通過工程設計和現場施工加以完善。

(2)高丙烷燃料氣中碳含量高、氫含量低，使得其煙氣中水含量只有典型燃料氣的一半，其煙氣需要降低到更低的溫度下，才能使水蒸氣冷凝成液。

(3)計算結果也說明，在較低的壓力下，煙氣的露點溫度也較低，更加有利于低溫余熱的回收利用。在工程設計時，可以合理放大引煙機的功率，降低空氣預熱器煙氣側的壓力，避免煙氣冷凝水的出現和預熱器的露點腐蝕。

(4)既使用自產燃料氣，又使用外購天然氣的石化企業，需要將加熱爐分類管理，使用天然氣的加熱爐可以采用比使用自產燃料氣的加熱爐更低的排煙溫度。

需要補充說明的是，夏季爐用空氣水含量高于冬季，根據氣象學露點測算，夏季露點溫度一般比冬季露點溫度提高20 K。

進一步拓展本軟件的計算功能，還可以計算出煙氣溫度低于露點后冷凝液的SO2和CO2含量，由此推測露點的腐蝕情況。

3 結論

通過本軟件的編制和計算，詳細表征了燃氣加熱爐燃燒過程的質量、熱量和溫度變化情況，為精準設計和操作加熱爐提供較全面的技術支撐。通過驗算表明：

(1)本軟件具有化學、熱力學和物理相變等過程的計算功能；

(2)軟件計算所得的熱值、火焰溫度、加熱爐熱效率和露點溫度等數據符合工業應用的加熱爐現狀；

(3)燃料氣組成變化會嚴重影響火焰溫度、氮氧化物排放量、加熱爐熱效率等；

(4)石化企業應該慎重變更燃料氣的組成，尤其是向燃料氣系統“補烴”時，會嚴重擾亂加熱爐的正常操作，出現煙囪冒黑煙、爐效下降等嚴重后果；

(5)石化企業應該深入研究煙氣露點溫度，深入開展加熱爐低溫煙氣的充分利用。