利用裝置副產(chǎn)物與 油氣聯(lián)合低氮燃燒器實現(xiàn)管式爐油氣混燒

徐夢倩(江蘇金桐化學(xué)工業(yè)有限公司，江蘇 南京 210046)

0 引言

輕質(zhì)油是本裝置副產(chǎn)物之一，裝置投產(chǎn)后一直被儲存于中間罐區(qū)至一定量后進(jìn)行銷售。隨著近年國家對危化品運輸安全的進(jìn)一步嚴(yán)格化管理，輕質(zhì)油在裝卸及運輸過程中存在較大安全隱患。同時近幾年輕質(zhì)油銷售價格一路下滑，與原料相比虧損較大。綜合考慮，決定將輕質(zhì)油引入本裝置管式加熱爐作為其燃料補充。該管式加熱爐原先使用的是14臺以天然氣為燃料的低NOx氣體燃燒器，現(xiàn)更換其中2臺為油氣聯(lián)合低NOx燃燒器。改造后通過優(yōu)化調(diào)整油氣聯(lián)合低氮燃燒器的操作參數(shù)，實現(xiàn)了該管式爐安全穩(wěn)定、低NOx排放、長周期運行的油氣混燒模式。

1 油氣聯(lián)合低氮燃燒器的技術(shù)特點及設(shè)計參數(shù)

1.1 油氣聯(lián)合低氮燃燒器的技術(shù)特點

本裝置所用油氣聯(lián)合低NOx燃燒器，與原低NOx氣體燃燒器相比，除燃?xì)廨o槍外，增加了中心內(nèi)混式“Y”型噴油槍，可實現(xiàn)天然氣和輕質(zhì)油的切換使用。

燒氣時，直接利用原低NOx氣體燃燒器的爐前天然氣管線，通過金屬軟管接入該油氣聯(lián)合低氮燃燒器的燃?xì)廨o槍。這兩種低氮燃燒器均采用了分級燃燒、煙氣再循環(huán)等技術(shù)降低NOx排放量。分級燃燒可直接拉大火焰集中區(qū)，降低局部火焰熱強度，從而抑制熱力型NOx的產(chǎn)生；煙氣再循環(huán)使得空氣混合部分煙氣后可以回流、重新混合并再次供給燃燒，以降低燃燒區(qū)溫度及氧氣濃度來抑制NOx的產(chǎn)生。經(jīng)統(tǒng)計，在改造和應(yīng)用低NOx燃燒器后，本裝置管式爐煙氣中的氮氧化物排放量可穩(wěn)定控制在30～50 mg/m3， 與GB 31570—2015 《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的排放值相比，降低了近50%～70%，滿足環(huán)保排放指標(biāo)。

燒油時，由于輕質(zhì)油的汽化溫度遠(yuǎn)低于其著火溫度，因此它只能在被蒸發(fā)成為油蒸汽的前提下，再和空氣中的氧氣相互擴散摻混后著火燃燒，而油蒸汽和氧的擴散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其燃燒的化學(xué)反應(yīng)速度，因此輕質(zhì)油的蒸發(fā)和擴散速度成為了決定其燃燒速度的最重要因素。該油氣聯(lián)合燃燒器利用“Y”型噴油嘴的氣動霧化技術(shù)來增加輕質(zhì)油的總表面積，從而達(dá)到快速蒸發(fā)、摻混和燃燒的目的。1 kg呈球形的輕質(zhì)油經(jīng)霧化成為直徑幾十微米的油霧時，其總表面積可增加近4000余倍，霧化機理是利用高壓氣體沖擊油流，使其變成細(xì)小分散的油滴，它們在高速飛行中因振動而發(fā)生破裂，破裂的油滴在周圍介質(zhì)的阻力作用下進(jìn)一步粉碎破裂，最終形成只有幾十至幾百微米大小的油滴。同時噴嘴的噴孔張角可使得霧化能流向適當(dāng)?shù)姆较虿⑿纬删鶆蚍植嫉挠挽F，以促進(jìn)與周圍助燃空氣的均勻混合，以此提高燃油的燃燒強度和燃燒效率。

1.2 油氣聯(lián)合低氮燃燒器的設(shè)計參數(shù)

為保證本裝置輕質(zhì)油火嘴能實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行，因此在設(shè)計油氣聯(lián)合燃燒器負(fù)荷時，是以裝置日均輕質(zhì)油產(chǎn)量為依據(jù)來計算得出輕質(zhì)油的燃燒量在190～210 kg/h。經(jīng)核算，按此燃燒量設(shè)計的燃燒器，其放熱量可滿足本裝置管式爐熱負(fù)荷的運行要求。

霧化介質(zhì)的選擇一般有蒸汽和空氣兩種，而空氣霧化又可細(xì)分為高風(fēng)壓空氣霧化和低風(fēng)壓空氣霧化。蒸汽霧化的霧化能力強，但成本較高，由于本裝置不自產(chǎn)過熱蒸汽，外引蒸汽需要投入新的設(shè)備及相應(yīng)配套的管線儀表等，同時蒸汽價格較高，熱損較大。考慮到本裝置輕質(zhì)油的黏度較小，燃燒量較少，而本裝置現(xiàn)有的工業(yè)風(fēng)，即壓縮空氣壓力較高(0.65 MPa)且源頭壓力穩(wěn)定。使用高風(fēng)壓的壓縮空氣作為霧化介質(zhì)，比全部僅使用以低風(fēng)壓的助燃空氣(助燃空氣壓力僅約50～100 kPa)相比，前者霧化能力更強。此外現(xiàn)場具備現(xiàn)成的可輸送壓縮空氣的管道，在工藝設(shè)計上亦簡便可行，在能達(dá)到較高霧化能力的同時，前期改造投入成本及后續(xù)蒸汽耗用成本都大大降低。因此綜合考慮，選擇直接使用本裝置的壓縮空氣作為輕質(zhì)油的霧化介質(zhì)。

以上條件確認(rèn)后，油氣聯(lián)合低氮燃燒器的的主要設(shè)計參數(shù)如下：(1)輕質(zhì)油燃燒量在190～210 kg/h；(2)油嘴操作壓力在0.35～0.4 MPa; (3)輕質(zhì)油與霧化空氣的壓差(下簡稱“油氣壓差”)在0.1 MPa，即霧化空氣壓力在0.45～0.5 MPa。

2 油氣聯(lián)合低氮燃燒器的操作參數(shù)優(yōu)化實驗

2.1 霧化空氣與輕質(zhì)油的壓差優(yōu)化

該燃燒器的“Y”型油噴嘴為內(nèi)混式霧化噴嘴，輕質(zhì)油通過內(nèi)管的中心油孔射入混合室，霧化空氣則經(jīng)外套管通過油孔周圍的氣孔噴入混合室，并以一定的夾角角度沖擊油流形成充分混合的油-氣乳濁液。為達(dá)到良好的霧化效果，霧化空氣與輕質(zhì)油的壓差控制是保證燃燒器油嘴穩(wěn)定燃燒的重要操作參數(shù)之一。一般規(guī)定油壓需比氣壓低0.1 MPa，最高操作參數(shù)為油壓、氣壓相等，以保證在燃燒過程中不會出現(xiàn)倒氣或倒油現(xiàn)象。

優(yōu)化本裝置管式爐油氣聯(lián)合燃燒器油氣壓差的實驗過程如下：控制輕質(zhì)油油壓穩(wěn)定在0.38 MPa，該壓力下輕質(zhì)油燃燒量能較好地控制在設(shè)計燃燒量的范圍內(nèi)。在管式爐的燃?xì)饧叭加徒M分、燃燒器風(fēng)門、環(huán)境溫度、加熱爐熱負(fù)荷等因素基本不變的條件下，調(diào)節(jié)油氣差壓由高到低進(jìn)行試驗，其對應(yīng)的加熱爐運行參數(shù)變化如表1所示。

從表1對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油氣壓差大于0.08 MPa時，霧化效果雖好，但增加了進(jìn)料阻力。隨著霧化空氣量地上升，輕質(zhì)油進(jìn)料量以較快的速度降低，同時還直接加大了進(jìn)爐的空氣量，造成爐膛過剩空氣系數(shù)升高，霧化劑量的增大還會帶走較多的熱量，以上因素綜合導(dǎo)致了爐效率的降低。在燃燒狀況方面，其火焰剛度符合要求但火焰長度過短。當(dāng)油氣壓差低于0.06 MPa時，雖然爐膛氧含量可維持在合理的控制范圍內(nèi)，但輕質(zhì)油的霧化效果不良，火焰剛度不足導(dǎo)致火焰上飄，頂部發(fā)散，易舔爐管。而當(dāng)油氣壓差控制在0.07～0.08 MPa之間時，可以得到良好的霧化效果，火焰形狀剛直有力，顏色中蘭上黃，呈穩(wěn)定的塔柏樹型，同時限制了進(jìn)爐空氣量，使得爐膛氧含量亦在合理的控制范圍內(nèi)。

表1 不同油氣壓差下對應(yīng)的加熱爐運行參數(shù)變化

因此，當(dāng)輕質(zhì)油壓力控制在0.38 MPa時，油氣壓差相較于設(shè)計參考值(0.1 MPa)，調(diào)整控制在0.07～0.08 MPa后，能優(yōu)化該油氣聯(lián)合燃燒器的實際操作性能，同時有效控制了爐膛氧含量。

2.2 爐效率優(yōu)化

當(dāng)本裝置管式爐使用低NOx氣體燃燒器及油氣聯(lián)合燃燒器的氣嘴時，即管式爐的14臺燃燒器都處于燒氣模式時，各燃燒器的負(fù)荷相當(dāng)，其供風(fēng)風(fēng)門的開度統(tǒng)一控制在45%時，可維持爐膛氧含量在2.0%～2.5%。而在投用油氣聯(lián)合燃燒器的油嘴時，即管式爐處于油氣混燒模式(12臺燃燒器燒氣和2臺燃燒器燒油時)，考慮到由于輕質(zhì)油需要空氣霧化，該部分霧化空氣同時也作為助燃空氣的一部分參與了燃燒，因此在燃燒器的風(fēng)門控制過程中應(yīng)充分識別到該因素，需要在操作中對風(fēng)門開度有一個適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，這也直接影響爐效率的重要因素之一。

優(yōu)化本裝置管式爐效率的實驗過程如下：在加熱爐的燃?xì)饧叭加徒M分、環(huán)境溫度、加熱爐熱負(fù)荷等因素基本不變的條件下，控制保持油壓穩(wěn)定在0.038 MPa、油氣壓差穩(wěn)定在0.08 MPa進(jìn)行試驗，通過調(diào)節(jié)油氣聯(lián)合燃燒器的風(fēng)門開度(自開度45%依次降低10%直至開度為15%)，同時觀察對應(yīng)爐膛氧含量及燃燒火焰的變化情況。

實驗發(fā)現(xiàn)，油氣聯(lián)合燃燒器燒油時風(fēng)門開度控制在45%時，加熱爐氧含量為2.81%，該風(fēng)門開度下的火焰因供風(fēng)量過大導(dǎo)致回流循環(huán)區(qū)周圍的氣流溫度降低，不利于形成穩(wěn)定的保持高溫的中心溫度場，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，火焰易熄，同時爐膛氧含量過高，爐效率降低明顯；當(dāng)風(fēng)門開度控制在35%時，火焰剛度有所增加，火焰頂部輕微發(fā)紅，加熱爐氧含量在2.62%，爐膛氧含量較高；當(dāng)風(fēng)門開度控制在25%時，可達(dá)到滿意的燃燒狀態(tài)，火焰剛直有力呈明黃色，形狀呈穩(wěn)定的塔柏樹型，高溫?zé)煔饽芑亓鲗τ挽F進(jìn)一步進(jìn)行加熱、汽化和強迫點燃，實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的目的，該狀態(tài)下爐膛內(nèi)氧含量為2.43%，符合控制要求，且計算發(fā)現(xiàn)加熱爐效率相較于風(fēng)門開度在45%時提高了約0.3%；當(dāng)風(fēng)門開度繼續(xù)降低至15%時，爐膛氧含量雖降低至2.38%，但此風(fēng)門開度下的火焰無力發(fā)飄，剛度不足，燃燒狀態(tài)不佳。因此，在油氣聯(lián)合燃燒器燒氣時，風(fēng)門可控制在45%，在其切換燃料為輕質(zhì)油后，將其風(fēng)門開度降至25%，可在保證穩(wěn)定燃燒的同時降低爐膛氧含量，提高爐效率約0.3%。

3 效益核算

按輕質(zhì)油低熱值41.648 MJ/kg，天然氣(以CH4粗算)低熱值35.906 MJ/m3計算，每噸輕質(zhì)油的熱值相當(dāng)于1159 m3的天然氣。

根據(jù)每立方天然氣的售價，可通過熱值換算得出每噸輕質(zhì)油折算成天然氣后的費用為A。該費用A與輕質(zhì)油每噸的銷售凈收益B之差，即為每噸輕質(zhì)油作為燃料補充時產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益與其外銷時產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益之差。經(jīng)核算，相較于外銷，使用輕質(zhì)油作為燃料補充，每年可為本裝置節(jié)省近200萬元的燃?xì)赓M用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語

正常使用狀況下油壓控制在0.038 MPa，油氣壓差控制在0.07～0.08 MPa，可使得該低NOx油氣聯(lián)合燃燒器的油嘴達(dá)到最佳燃燒狀態(tài)，實現(xiàn)了本裝置管式爐低污染物、安全高效、長周期運行的油氣混燒模式。當(dāng)?shù)蚇Ox油氣聯(lián)合燃燒器切換為燒輕質(zhì)油時，將其風(fēng)門開度從正常燒天然氣時的45%降至25%左右，可降低爐膛氧含量。加熱爐過剩空氣系數(shù)在1.15左右，提高爐率約0.3%。本裝置引進(jìn)油氣聯(lián)合低氮燃燒器，利用裝置副產(chǎn)物—輕質(zhì)油作為燃料補充，不僅滿足環(huán)保排放要求，同時經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，每年可節(jié)省近200萬元燃料費用。