徐凱

（中國石油塔里木油田公司塔西南化肥廠，新疆 澤普 844804）

烴類蒸汽轉化爐燃燒器的研究與應用

徐凱

（中國石油塔里木油田公司塔西南化肥廠，新疆 澤普 844804）

針對KBR烴類蒸汽轉化爐爐頂燃燒器工況惡化的現(xiàn)狀，數(shù)值模擬計算了燃料組分、混合方式對燃燒特性的影響，對燃燒器形式及結構參數(shù)等關鍵因素進行了研究。在原有 “燃料分段”加“煙氣再循環(huán)”技術的基礎上，提出了“空氣分段”加“煙氣再循環(huán)”的國產(chǎn)化改造方案。將原有“圓筒型燃料器”改造為新型超低NOx排放設計的“扁平式燃燒器”。通過改造，燃燒狀況得到明顯改善，達到了節(jié)能減排的目的。

烴類蒸汽轉化爐；扁平式火焰；燃燒器；NOx；國產(chǎn)化改造

烴類蒸汽轉化爐在石油化工裝置中的制氫、合成氨、甲醇工藝中應用廣泛。烴類（如天然氣）與水蒸汽混合，進入轉化爐在鎳催化劑作用下進行吸熱的轉化反應，熱量通過爐頂燃燒器供給。某廠使用KBR烴類蒸汽轉化爐，將3.5MPa、621℃混合氣通過156根轉化管加熱到813℃。由于生產(chǎn)的復雜性，燃燒器的燃料經(jīng)常不穩(wěn)定。燃燒氣組分的大幅變化，會造成轉化爐燃燒狀況惡化、燃燒效率下降、NOx排放量增加、影響設備安全運行等多種問題[1]。

1 基本情況

1.1 基本設計

KBR烴類蒸汽轉化爐-天然氣蒸汽轉化爐是一座大型組合式管式爐，由輻射段、對流段、輔助鍋爐和通風系統(tǒng)等組成。爐頂燃燒氣設計由天然氣和工藝弛放氣混合組成，此外補充煉油廠重整裝置的煉返氣。爐內(nèi)布置3排×52根爐管(共156根)。爐頂布置4排×18個圓筒型燃燒器(共72個)，與3排爐管間隙排列。燃燒器由美國UOP Callidus公司生產(chǎn)，型號為LE-CSG-2PDF，燃燒器總熱負荷為228GJ/h。

1.2 存在的問題

2014年1月，燃料氣源由“柯克亞”天然氣全部更換為“和田河”天然氣，燃燒氣組分發(fā)生大幅變化，詳見表1。燃燒工況出現(xiàn)以下主要問題：①一段爐燃燒器前壓力上漲近40kPa，達到200kPa，接近燃料氣壓力高高聯(lián)鎖；②一段爐燃燒器燃燒火焰呈黃紅色，混濁不通透，爐膛內(nèi)可見明顯的火焰舔管現(xiàn)象；③部分爐管表面溫度超過設計溫度908℃，最高溫度達到937℃。通過增加助燃空氣量等措施，燃燒狀況無明顯改善，嚴重威脅轉化爐的安全運行。

表1 燃料天然氣組成Table 1 Composition of the fuel natural gases

由表1可知，和田河天然氣中的N2和CO2等惰性物質(zhì)含量遠高于柯克亞天然氣。

2 原因分析

2.1 燃燒特性計算及分析

通過應用數(shù)值模型研究不同燃料的擴散燃燒，計算了燃燒器的速度場和溫度場[2]，分析了各種燃料氣工況條件下的燃燒特性，結果見表2。

通過研究對比，得出以下結論：①不同燃料氣所需理論空氣量、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊忍匦圆町愝^大；②惰性物質(zhì)的含量增加，直接影響燃燒溫度從而影響燃燒速度，使最大的火焰?zhèn)鞑ニ俣戎迪蛉剂隙栊晕镔|(zhì)含量較小的方向移動[3]；③當燃料的進口速度不同時，燃燒器內(nèi)的流場分布就會發(fā)生變化，而流場的情況決定了燃燒的穩(wěn)定性，和田河氣熱值僅相當于柯克亞天然氣的83%，在滿足工藝條件的熱負荷條件下流速變大，導致火焰后移并且遠離穩(wěn)焰板；④和田河天然氣的傳播速度比設計值下降13.8%，而燃氣流速度卻增加12%，造成氣流速度接近火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰長度因此變長，火焰剛性下降，發(fā)飄無力，同時排煙熱損失大幅增加，熱效率下降。

表2 燃料氣燃燒特性Table 2 Combustion characteristics of the fuel gases

2.2 圓筒型燃燒器原理及結構分析

2.2.1 原理分析

圓筒型燃燒器結構示意圖如圖1所示。從圖1看出，該燃燒器是一種典型的低NOx燃燒器，采用的是稱為“燃料分段”和“煙氣再循環(huán)”的低NOx燃燒技術[4]。

該燃燒器有一中心火道，助燃空氣全部由此供入。火道外設置6只燃氣噴頭，沿圓周三長三短，間隔、均勻布置在中心火道周圍，向火道中以不同的角度噴射燃氣，燃氣在不同高度位置與空氣相遇著火燃燒?；鸬乐行脑O置一穩(wěn)焰罩，以防止發(fā)生脫火。其中3只位置較短的噴頭區(qū)域屬于“貧燃料區(qū)”。另外3只位置較長的噴頭區(qū)域屬于“貧氧區(qū)”。這就是所謂“燃料分段”低NOx燃燒技術。

圖1 圓筒型燃燒器結構示意圖Fig.1 Schematic structure diagram of the cylinder burner

由于6只噴頭都處于火道外的煙氣環(huán)境中，所以燃氣高速噴射會卷吸部分相對火焰溫度低很多的爐內(nèi)煙氣。煙氣的混入稀釋了燃氣濃度，其結果有兩個：一是降低燃燒反應的速度，火焰峰值溫度降低；二是混入的煙氣也能降低火焰溫度。這就是通常采用的“煙氣再循環(huán)”低NOx燃燒技術。

燃氣噴出的動能決定卷吸煙氣的流量，動能越大，卷吸煙氣的量也越大。更換燃料氣后，燃氣流量從6751kg/h增加到7308kg/h，導致卷吸煙氣量隨之增加，和田河天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺旧砭捅瓤驴藖喬烊粴獾鸵恍嗟臒煔饣烊氡貙⑦M一步造成燃燒反應速度降低、火焰速度也降低，這一方面延長燃燒過程，火焰加長；另一方面著火點推遲，甚至產(chǎn)生輕微的脫火。

2.2.2 結構分析

這種燃燒器的結構在降低NOx的排放上具有明顯效果，但從操作維護上看存在很多不足：①結構上設置有6個噴頭，噴孔數(shù)量少、直徑小，容易造成堵塞，燃氣流量分布難以均勻；②噴頭處于高溫煙氣圍繞的環(huán)境，長期烘烤及開停工的冷熱變化容易造成引導管變形、噴頭本身燒蝕，這將造成燃氣噴射角改變；③燃料氣與助燃空氣的混合比例偏離最優(yōu)值，使得燃燒不能在理想高度范圍燃盡。由于以上三個原因，火焰形狀不規(guī)整，在爐膛內(nèi)飄散甚至舔燒爐管，從而造成溫度場不合理，影響傳熱效率，同時影響爐管和襯里壽命。

3 國產(chǎn)化改造

3.1 改造原理

降低燃燒器NOx排放最主要的措施就是降低燃燒火焰的峰值溫度，因為NOx的生成與火焰溫度成指數(shù)變化關系，火焰溫度越高，生成的NOx量成指數(shù)增加。因此如何降低反應溫度，同時滿足燃燒器對操作彈性大、適應性強的操作特性要求，是改造的關鍵所在。通過研究，在原有的“燃料分段”加“煙氣再循環(huán)”技術的基礎上，提出了“空氣分段”加“煙氣再循環(huán)”低NOx燃燒技術的國產(chǎn)化改造方案，即由“燃氣分段”改為“空氣分段”方式。同時，將原有“圓筒型燃燒器”改造為新型超低NOx排放設計的“扁平式燃燒器”。具體結構參照圖2。

圖2 扁平式燃燒器改造示意圖Fig.2 Schematic diagram of flat burner modification

3.2 扁平式燃燒器特點

(1)采用分段二次配風結構形式。二次風配入位置在火道出口處，并且分成多股氣流分開送入，補充足夠燃氣完全燃燒所需的空氣量。兩段燃燒反應都處于偏離其化學當量比，降低反應速度和溫度。

(2)采用煙氣再循環(huán)技術。扁平火焰的周長大，與煙氣接觸面積大，能夠卷吸更多的低溫煙氣量，稀釋氧濃度，降低反應速度，進一步降低火焰溫度。

(3)改造施工及檢修維護工作量小。新燃燒器的主要結構和安裝尺寸與原燃燒器一致，無需改動爐頂板及供風系統(tǒng)即可完成設備升級改造。扁平式燃燒器只有一根燃氣引導管，不會發(fā)生變形與偏流，配管簡單，安裝、拆卸與操作維護簡單方便。燃燒器耐火磚未使用金屬部件，在延長燃燒器使用壽命的同時還可以提供更好的熱膨脹性能。

(4)扁平形火焰輻射散熱面積大，散熱條件更好，有利于降低火焰溫度?；鹧嫘螤钍怯扇紵鞔u、噴頭開孔和燃燒器的空氣動力學決定的。扁平形火焰周長較圓形火焰增加20%～30%，使各爐管在水平方向受熱均勻，不易舔燒爐管。

(5)可適用于更加寬泛的燃料組分范圍。由于卷吸煙氣的是火焰氣流而不是燃氣氣流，所以能夠適應燃氣組分大幅變化。同時，在燃氣噴頭設置恰當?shù)姆€(wěn)焰結構保證火焰不發(fā)生脫火。

(6)燃燒穩(wěn)定性及剛度較好。采用緊湊集中的火焰形式，火焰湛藍，火體通透，形狀規(guī)整、短而有力。燃燒器運行非常穩(wěn)定，在20%～100%燃料量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)性能可靠。

3.3 扁平式燃燒器操作性能曲線

圖3 燃燒器釋熱量與燃氣表力和空氣壓降關系曲線Fig.3 Heat release vs fuel gas gage pressure and air pressure drop

4 結語

(1)由于燃料組分及低發(fā)熱值的不同，燃燒器中的溫度場和流場也有所不同?？梢愿鶕?jù)計算結果對燃燒器燃料波動范圍提供技術指導，在保證燃燒穩(wěn)定性和轉化爐工作負荷的前提下，提高燃燒效率，降低NOx排放量。

(2)扁平式燃燒器可用于升級改造傳統(tǒng)的最初設計配套無分級的燃燒器和預混式燃燒器。

(3)所有噴嘴孔徑的設計均須通過精心的工程計算和試驗驗證，以實現(xiàn)最佳的熱通量操作曲線。

(4)燃料氣中的氫含量及高碳不飽和物(C4+)含量升高，NOx的濃度提高。主要原因是導致火焰溫度的升高，從而產(chǎn)生更多的NOx。采用分段配風燃燒器NOx生成量比標準燃燒器降低30%。

(5)外混式氣體燃燒器適用于燃料氣中φ(H2)超過70%、燃料氣組分持續(xù)波動或燃料氣中惰性組分較多(φ＞15%)的工況。

(6)燃料與空氣的良好混合對火焰穩(wěn)定至關重要。混合情況影響燃料與空氣比、點火溫度和燃燒速度。使用非流線型的穩(wěn)焰器建立局部低紊流區(qū)能促進燃料與空氣的混合。

[1]張斌全.燃燒理論基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社,1990.

[2]王應時,范維澄,周力行,等.燃燒過程數(shù)值計算[M].北京：科學出版社,1986.

[3]金大祥,蔡隆展,陸磐谷.扁平火焰燃燒器數(shù)值模擬[J].石油化工設備,2005,34(1)：20-24.

[4]阮靜師.降低管式爐NOx排放量的途徑 [J].煉油設計, 1996,26(5)：54-56.

Research and application of hydrocarbon steam reformer’s burners

XU Kai
(Taxinan Fertilizer Factory,PetroChina Tarim Oilfield Company,Zepu 844804,China)

According to the present situation of condition deterioration in the KBR hydrocarbon steam reformer's arch burners, the influences of fuel composition and mixed mode on the combustion characteristics were calculated by numerical simulation,and the key factors such as the form and structure parameters of the burner were studied.On the basis of the original"Staged-Fuel Burners"and"Flue Gas Recirculation"technology,a localized modification plan of"Staged-Air Burners”and"Flue Gas Recirculation"was proposed.The original"Cylinder Type Burner"was transformed into a new type of"Flat Flame Burner for the Design of Ultra Low NOxEmissions".By means of modification,the combustion state could be improved obviously,achieving the purpose of energy-saving and emission reduction.

hydrocarbon steam reformer;flat flame;burner;NOx;localized modification

TQ113.2

：B

：1001-9219(2016）04-73-04

2015-06-25；

：徐凱(1974-)，男，碩士，高級工程師，主要從事天然氣化工技術管理工作，電話 0998-7520828，電郵xukai-txn@petrochina.com.cn。