催化裂化催化劑助劑用焙燒爐燃燒系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)探討

雍春軍，呂保龍，張國(guó)冠，管升，毛影

（中國(guó)石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060）

1 基本概況

二套微球裝置焙燒爐采用的是目前催化劑行業(yè)常用的回轉(zhuǎn)式焙燒爐，自1996年建成投入使用后，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中存在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)了4次小規(guī)模的改造，能滿足當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)需求。由于產(chǎn)品升級(jí)和產(chǎn)能提高，自2019年開(kāi)始，焙燒爐出現(xiàn)了耐火材料脫落嚴(yán)重、火嘴頻繁熄滅、爐筒破裂、爐膛老化等問(wèn)題，導(dǎo)致焙燒爐熱效率降低，能耗增加，檢修頻繁。焙燒爐燃燒器為早期CEMW-D-N型油氣聯(lián)合燃燒器，由燃?xì)鉄臁⑷紵鞯馈⒄{(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)等部件組成，點(diǎn)火方式為手動(dòng)點(diǎn)火，手動(dòng)點(diǎn)火不但增加勞動(dòng)強(qiáng)度，而且增加安全風(fēng)險(xiǎn)。配風(fēng)方式為自然通風(fēng)，調(diào)風(fēng)精準(zhǔn)度不高，僅憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，火焰燃燒不均勻，造成爐筒燒損破裂。另外，燃燒系統(tǒng)沒(méi)有配備瓦斯減壓裝置，不能燃燒低壓瓦斯，也造成了瓦斯的浪費(fèi)，爐膛耐火材料脫落嚴(yán)重，修復(fù)困難，熱能損失嚴(yán)重，生產(chǎn)成本高。焙燒爐主要參數(shù)如下：內(nèi)爐筒直徑：φ1524mm；爐筒總長(zhǎng)：～16612mm；原爐膛總長(zhǎng)：14478mm；工作溫度：750℃；工作壓力：微負(fù)壓；爐筒材質(zhì)：Inconel625。

2 存在的問(wèn)題

2.1 CEMW-D-N型油氣聯(lián)合燃燒器缺少自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)

采用早期的CEMW-D-N型氣聯(lián)合燃燒器，由于設(shè)計(jì)或其制造工藝的不完善，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高能自動(dòng)點(diǎn)火功能，裝置開(kāi)工時(shí)需用火把進(jìn)行點(diǎn)爐，手動(dòng)點(diǎn)火需要明火作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，安全風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)缺少對(duì)應(yīng)的火焰檢測(cè)裝置，也在一定程度上增加了安全風(fēng)險(xiǎn)，在目前安全壓倒一切，一切服從安全的形勢(shì)下，該問(wèn)題就顯得更加突出。

2.2 CEMW-D-N型油氣聯(lián)合燃燒器拆裝困難、密封不良

燃燒器外輪廓結(jié)構(gòu)尺寸φ600×450mm，材質(zhì)為普通碳鋼。每次停工檢修需將11個(gè)燃燒器拆卸下來(lái)，清理火嘴及爐膛內(nèi)積料。另外，該型號(hào)燃燒器笨重，拆卸不方便，加上使用年限較長(zhǎng)，外輪廓部分螺栓銹蝕甚至斷裂在螺栓孔內(nèi)，無(wú)法取出，拆卸更加困難，增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了工作效率。此外其密封效果較差，筒體破損后部分助劑直接從燃燒器調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)及外輪廓冒出，造成儀器儀表、設(shè)備管線衛(wèi)生臟，現(xiàn)場(chǎng)粉塵大，清理困難，產(chǎn)品浪費(fèi)嚴(yán)重，更不符合環(huán)保要求。

2.3 CEMW-D-N型油氣聯(lián)合燃燒器火嘴調(diào)節(jié)精準(zhǔn)度不高

焙燒過(guò)程分為預(yù)熱段、升溫段與恒溫段三部分。原爐膛三個(gè)燃燒分區(qū)的火嘴布置不一致，預(yù)熱段和升溫段均布置4個(gè)火嘴，火嘴中心距為1180mm，火嘴高度為450mm。恒溫段布置3個(gè)火嘴，火嘴中心距為1200mm，火嘴高度為450mm。由于此火嘴的插深可以調(diào)整，所以在運(yùn)行過(guò)程中為了保證更好的焙燒效果，通常采用手動(dòng)操作來(lái)調(diào)整火嘴插深，操作精準(zhǔn)度不高，火焰燃燒不均勻，僅憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成爐筒局部受熱嚴(yán)重，爐筒不同程度的損壞，近年來(lái)，由于爐筒破裂導(dǎo)致的非計(jì)劃停工頻發(fā)。另外，在運(yùn)行過(guò)程中火嘴一旦熄滅，需重新手動(dòng)點(diǎn)火，此過(guò)程仍然需明火作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)高，工作效率低。

2.4 CEMW-D-N型油氣聯(lián)合燃燒器為自然式進(jìn)風(fēng)無(wú)法精準(zhǔn)調(diào)節(jié)風(fēng)量

助燃風(fēng)量的大小直接影響火嘴的燃燒效率，其精準(zhǔn)的控制既能保證燃燒更加充分又可降低風(fēng)能消耗。原油氣聯(lián)合燃燒器采用圓周式自然通風(fēng)和爐膛微負(fù)壓供風(fēng)，風(fēng)量大小不可控，無(wú)法達(dá)到精確的空燃比，憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)，隨意性大，精準(zhǔn)度不高，燃料不能充分燃燒，火焰較長(zhǎng)、成形度差，從而影響催化劑助劑的焙燒效果及產(chǎn)品性能。

2.5 原焙燒爐爐膛排煙性能不強(qiáng)耐火材料脫落嚴(yán)重

焙燒爐爐膛的作用是，通過(guò)加熱爐筒間接加熱物料，其合理的結(jié)構(gòu)和尺寸，使得熱能更加有效的利用。原焙燒爐下?tīng)t膛，預(yù)熱段、升溫段和恒溫段均開(kāi)有300mm×300mm的方形安裝孔，用來(lái)安裝CEMW-D-N型油氣聯(lián)合燃燒器，孔徑大，密封效果差，熱能損失多。原下?tīng)t膛內(nèi)壁（火嘴對(duì)側(cè)）按照部分半圓加爐膛外圓切線設(shè)計(jì)，內(nèi)壁涂有耐火材料，整體類似于直線型設(shè)計(jì)，煙氣流動(dòng)性不強(qiáng)，熱能不能有效利用，甚至?xí)斐蓺饬麂鰷u，煙氣不能及時(shí)排出，爐筒局部受熱嚴(yán)重，爐筒損壞破裂。

上下?tīng)t膛內(nèi)壁采用傳統(tǒng)耐火材料，耐火材料質(zhì)量重，易脫落，修復(fù)困難，設(shè)備基礎(chǔ)負(fù)荷大。自1996年建成投用以來(lái)，至今也連續(xù)運(yùn)行25年，耐火材料多次脫落，脫落后修復(fù)無(wú)法達(dá)到出廠前良好狀態(tài)，修復(fù)困難，增加檢修成本，同時(shí)耐火材料的脫落造成部分熱能損失，熱效率降低，能耗增加，焙燒效果不良，爐膛有效利用容積小，爐膛外表面溫度高（70℃）左右，增加生產(chǎn)成本的同時(shí)也增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 燃燒系統(tǒng)改進(jìn)措施

3.1 選用高壓自動(dòng)點(diǎn)火裝置及控制系統(tǒng)

通過(guò)分廠、車間及研究院確定，采用新型的高壓點(diǎn)火裝置及自動(dòng)控制系統(tǒng)，高壓點(diǎn)火裝置是由高壓包、點(diǎn)火槍、高壓電纜等三部分組成。控制系統(tǒng)包括：高壓點(diǎn)火裝置、火焰監(jiān)測(cè)裝置、燃?xì)怆姶砰y、燃?xì)鈮毫Α⑷紵骷蓖１Ｗo(hù)等功能，對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行控制。

高壓點(diǎn)火裝置原理，利用電流在一定條件下接觸引弧，在強(qiáng)磁場(chǎng)下獲得穩(wěn)定功率的空氣等離子體，當(dāng)電火花通過(guò)時(shí)，燃料由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，兩極間電壓增高，電場(chǎng)增強(qiáng)，燃料中的帶電體被電場(chǎng)加速，帶電粒子與分子發(fā)生非彈性碰撞，當(dāng)碰撞到一定程度，分子被電離，變成帶電粒子，帶電粒子以指數(shù)增加，電流被放大幾百萬(wàn)倍，最終產(chǎn)生一個(gè)大電流，形成高溫區(qū)，從而點(diǎn)燃燃料。

控制系統(tǒng)采用PLC控制，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，功耗低。現(xiàn)場(chǎng)配備3臺(tái)PLC控制柜，主控制柜和分控制柜，主控制柜主要控制總點(diǎn)火條件和總緊急停止及預(yù)熱段的點(diǎn)火控制，其余兩臺(tái)則控制焙燒段、恒溫段的點(diǎn)火程序以及緊急停止，操作簡(jiǎn)便，工作效率高，現(xiàn)場(chǎng)清潔。三臺(tái)控制柜緊急停止和DCS緊急停止同步進(jìn)行，使得運(yùn)行更加安全可靠。

3.2 選用紫外火焰檢測(cè)裝置

火焰檢測(cè)裝置主要包括火焰監(jiān)測(cè)探頭、火檢處理器兩部分組成。9個(gè)火嘴和3個(gè)長(zhǎng)明燈都采用SUV紫外火檢，探頭安裝在燃燒器頭部，能始終保證在燃燒器火焰后面進(jìn)行監(jiān)測(cè),火檢處理器主要對(duì)探頭反饋的信號(hào)進(jìn)行處理，將信號(hào)處理后發(fā)出有火信號(hào)，安裝在就地控制柜內(nèi)部。選用SUV紫外檢測(cè)器，其探頭與火嘴控制器或火焰監(jiān)測(cè)器配合使用，對(duì)燃?xì)饣鹱爝M(jìn)行火焰檢測(cè)。配備火焰檢測(cè)裝置，更加精準(zhǔn)的對(duì)火焰燃燒情況進(jìn)行檢測(cè)，提高了燃燒效率，避免了由于其他火焰影響造成檢測(cè)不精確，同時(shí)也降低了火嘴熄滅帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 選用兩級(jí)減壓及空燃比例調(diào)節(jié)裝置

焙燒爐瓦斯是從煉油廠引至裝置總瓦斯線，再到焙燒爐進(jìn)行點(diǎn)火。原瓦斯沒(méi)有經(jīng)過(guò)減壓，直接點(diǎn)燃，很大程度上造成了燃料的浪費(fèi)。此次技術(shù)改造，增加兩級(jí)減壓裝置。一級(jí)減壓閥選用活塞式減壓閥，二級(jí)減壓閥選用薄膜式減壓閥。一級(jí)減壓是將主瓦斯從0.4MPa減壓至60kPa,再經(jīng)過(guò)二級(jí)減壓后為4～12kPa，較原燃燒系統(tǒng)有了大幅度的下降，此壓力滿足點(diǎn)火要求，也能達(dá)到良好的焙燒效果。兩級(jí)減壓裝置，穩(wěn)定了燃?xì)鈮毫Γ苊饬艘蛉細(xì)鈮毫Σ▌?dòng)造成的燃燒效率低、燃燒不充分等問(wèn)題，得到穩(wěn)定了的空燃比，使燃?xì)飧影踩⒔?jīng)濟(jì)、高效利用。二級(jí)減壓閥后設(shè)置高壓、低壓壓力變送器，主要用于監(jiān)控燃?xì)夤苈穳毫Σ▌?dòng)情況，有效的檢測(cè)焙燒爐燃燒所用瓦斯的壓力。

選用3個(gè)空燃比例調(diào)節(jié)閥，空燃比例調(diào)節(jié)閥用于實(shí)現(xiàn)恒定的空燃比，獲得不同狀態(tài)下火嘴燃燒所需的燃?xì)鈮毫Α１苊饬巳細(xì)夂惋L(fēng)的浪費(fèi)，能夠根據(jù)燃?xì)庀牧孔詣?dòng)配比風(fēng)量，使得燃燒更充分，效率更高，操作更精準(zhǔn)。

3.4 選用新型燃燒器、長(zhǎng)明燈并合理布局

焙燒爐燃燒器采用低氮燃燒器。型號(hào)為：RQQ-1,額定功率為230kW，排放量≤80mg/Nm3，燃燒器效率大于99%，火嘴便于安裝拆卸，密封性能好，抗干擾能力強(qiáng)，不產(chǎn)生振動(dòng)，無(wú)噪音，清潔安全。取消11個(gè)火嘴設(shè)置，保持三個(gè)燃燒區(qū)，每個(gè)分區(qū)均設(shè)置3個(gè)火嘴，其中心距為1370mm，高度為450mm,高度與原高度一致，使得三個(gè)分區(qū)的燃燒更加均勻，避免了爐筒局部溫度過(guò)高導(dǎo)致的爐筒破裂事故的發(fā)生，降低了設(shè)備故障率，減少了非計(jì)劃停工的次數(shù)。

3.5 增加助燃風(fēng)系統(tǒng)

原風(fēng)-8提供助燃風(fēng)的同時(shí)提供爐膛微負(fù)壓，一機(jī)兩用，使得火嘴燃燒不充分，熱效率低，燃料浪費(fèi)，所以取消原風(fēng)-8供風(fēng)流程，保留供送爐膛微負(fù)壓（約-0.1kPa）功能，單獨(dú)增加一臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)，型號(hào)為WG-37,其葉輪為機(jī)翼型葉片，工作效率高、運(yùn)行平穩(wěn)。使得風(fēng)能更加充足。增加主助燃風(fēng)壓力開(kāi)關(guān)。以檢測(cè)助燃風(fēng)壓力是否滿足點(diǎn)火條件，確保燃燒連續(xù)穩(wěn)定。設(shè)助燃風(fēng)壓力滿足報(bào)警器和助燃風(fēng)機(jī)故障報(bào)警器等報(bào)警顯示。保障了焙燒爐的安全平穩(wěn)運(yùn)行，更加安全可靠。設(shè)置助燃風(fēng)閥（T-301、T-302、T-303），此助燃風(fēng)閥有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，操作簡(jiǎn)單方便，降低了火嘴熄滅的頻次，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的空燃比，預(yù)熱段最佳空燃比為1:1.3，焙燒段最佳空燃比為1:1.1，恒溫段最佳空燃比為1:1.2。設(shè)溫度控制系統(tǒng)。根據(jù)爐膛內(nèi)的實(shí)際溫度，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)助燃風(fēng)閥的開(kāi)度，DCS和現(xiàn)場(chǎng)都能控制，燃燒更加充分，控制更加精準(zhǔn)，減少了燃料和風(fēng)的浪費(fèi)。

3.6 對(duì)爐膛重新設(shè)計(jì)提高熱能利用率

爐膛的形狀及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)焙燒效果至關(guān)重要，原焙燒爐爐膛在煙氣流動(dòng)和蓄能方面存在一定缺陷。由于原下?tīng)t膛內(nèi)壁（火嘴對(duì)側(cè)）是按照部分半圓加爐膛外圓切線設(shè)計(jì)，整體類似于直線，煙氣流動(dòng)性不強(qiáng)，熱能效率不高，爐筒局部受熱嚴(yán)重，爐膛破裂。現(xiàn)針對(duì)以上問(wèn)題對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)。焙燒爐鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)利舊，此次爐膛設(shè)計(jì)后的總重量不能超過(guò)原設(shè)計(jì)總重量，否則焙燒爐基礎(chǔ)及裝置樓面受到損壞。經(jīng)過(guò)核算，擴(kuò)大容積后爐體總重量沒(méi)有超過(guò)原設(shè)計(jì)，所以此方案可行。

通過(guò)研究得出，改造后上下?tīng)t膛寬度均增加664mm，上爐膛高度增加10mm，下?tīng)t膛高度降低10mm,燃燒器對(duì)側(cè)爐膛容積增大。

通過(guò)圖1可知，新?tīng)t膛火嘴對(duì)側(cè)內(nèi)壁為曲線型設(shè)計(jì)，爐膛內(nèi)壁弧度增大，曲線性好，煙氣流動(dòng)增強(qiáng)，熱能更加合理利用，避免了局部過(guò)熱造成的爐筒損壞事故的發(fā)生，降低了設(shè)備故障率和檢修成本。

圖1 改造前及改造后爐膛尺寸

新?tīng)t膛采用上下模塊設(shè)計(jì)，便于拆裝，爐膛采用Q235-B殼體，耐火材料采用高鋁陶瓷纖維模塊，爐膛三個(gè)加熱區(qū)由耐火材料分隔開(kāi)，每個(gè)分區(qū)單獨(dú)設(shè)置煙氣出口及防爆門(mén)，保障了每個(gè)區(qū)煙氣不受其他區(qū)干擾，爐膛采用蝸殼型爐膛，便于氣流的流動(dòng)，減少了流動(dòng)損失，提高了熱能利用率，經(jīng)測(cè)定爐膛表面溫度從以前70℃左右降低至現(xiàn)在的室溫，使得熱能更加合理有效的利用，降低了生產(chǎn)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）新燃燒系統(tǒng)自投用以來(lái)運(yùn)行平穩(wěn)，提高了燃燒效率，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，達(dá)到了節(jié)能效果，改善了工作環(huán)境，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，滿足了生產(chǎn)要求。（2）通過(guò)改進(jìn)自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)，提高了點(diǎn)火效率，降低了火嘴熄滅的頻次，減少了由于火嘴熄滅帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，使得運(yùn)行更加高效平穩(wěn)。（3）通過(guò)合理布局燃燒器，避免了火嘴直接灼傷爐筒，降低了檢修成本，保證了設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行，提高了設(shè)備的利用率。（4）通過(guò)選用兩級(jí)減壓及空燃比例調(diào)節(jié)裝置。獲得了最佳空燃比，減少了燃料和助燃風(fēng)的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本，操作更加精準(zhǔn)簡(jiǎn)便。（5）通過(guò)增加助燃風(fēng)系統(tǒng)。降低了風(fēng)能的浪費(fèi)，提高了火嘴的燃燒效率，使得風(fēng)能更加有效利用。（6）通過(guò)重新設(shè)計(jì)爐膛，選用新型保溫材料，增加了爐膛的有效使用容積，減少了熱量的損失，提高了熱能利用率，降低了爐膛表面溫度，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。