蒲遠洋 周明宇 王 非 游 龍 李 龍 曹 立

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 四川艾普熱能科技有限公司, 四川 成都 610041

0 前言

隨著工業(yè)的大力發(fā)展和環(huán)境保護要求更趨嚴格的現(xiàn)狀,能源的有效利用和開發(fā)新能源是目前發(fā)展的趨勢,但同時環(huán)境保護技術也需要進一步提升。在我國煤化工、天然氣化工和天然氣凈化中,二氧化硫、二氧化碳的排放是制約當今社會發(fā)展的兩大問題,如何有效地解決這兩個問題關系重大。我國是一個能源消耗大國,根據(jù)《BP能源統(tǒng)計年鑒2018》[1]我國能源結構總體趨勢是煤炭占比下降,天然氣前景廣闊。2017年我國一次能源消費中,煤炭占比60%,預計2020年為56%,說明以煤炭為主,同時開采天然氣作為清潔能源。煤和天然氣需要凈化處理回收硫和控制二氧化硫的排放。我國由于燃煤造成的二氧化硫和天然氣凈化排放的二氧化硫的總排放量居世界前列,二氧化硫的排放控制日趨嚴格。為減緩大氣污染,我國高度重視煤化工脫硫和天然氣凈化脫硫技術,引進和自建了大量的脫硫裝置回收硫,但還需要發(fā)展和應用新技術實現(xiàn)更有效的煙氣脫硫技術,從而進一步提高硫的回收率,并更有效地控制二氧化硫的排放。

在天然氣和煤化工脫硫中,常規(guī)克勞斯裝置均以空氣作為硫化氫的氧化劑,由于帶入了大量的氮氣等惰性氣體稀釋了過程氣,降低了裝置的總硫回收率。為此,20世紀80年代開發(fā)了以富氧空氣作為硫化氫氧化劑的富氧克勞斯工藝[2],提高裝置效率、擴大裝置的處理能力,進一步提升了對低硫化氫濃度酸氣的適應性。由于較低的富氧程度可在較少的投入下獲得較多的收益,因此目前富氧克勞斯裝置大多在較低的富氧程度下運行。

為了提高天然氣凈化中酸氣回收硫的回收率,在克勞斯硫黃回收工藝中,采用富氧/純氧技術。為了滿足富氧/純氧燃燒產生高溫對設備的要求,進行測試平臺設計,解決設備耐高溫等實際工程問題。

1 富氧燃燒技術現(xiàn)狀

富氧燃燒是用比通?？諝?含氧21%)含氧濃度高的富氧空氣進行燃燒的統(tǒng)稱。

富氧燃燒的形式大致可分為:微富氧燃燒、富氧燃燒、純氧燃燒。

富氧燃燒的優(yōu)點是能加快燃燒速度,減少燃料燃盡時間;降低燃料的燃點;提高燃燒的安全性;減少煙氣排放,同時縮小燃燒設備體積,減少工程投資成本[2]。

富氧燃燒的缺點是燃燒溫度高,對燃燒設備耐熱要求更高,特別是耐火材料選擇和其他降溫措施的開發(fā);因高溫問題需要采用新監(jiān)測設備或新技術;需要解決富氧點火、火焰穩(wěn)定性等問題。

富氧燃燒在多個行業(yè)都有成熟的應用,如玻璃工業(yè)、冶金工業(yè),另外在熱能環(huán)保工程上也開展了研究及應用。

1.1 國外富氧燃燒技術現(xiàn)狀

日本從20世紀80年代開始研究[2],歐美國家也相繼開展研究應用,重點在于膜法制取富氧裝置的研究。膜法富氧用于助燃,提升熱利用率已廣泛應用。

在2010年前,全球富氧燃燒技術試行與設計主要分布于北美洲、歐洲以及澳洲,該技術在硫回收領域得到了大量工業(yè)化應用,國外已建設140多套裝置[3]。富氧燃燒產生的溫度極高,需要大量回流煙道氣以降低溫度避免損害爐體,但也因此增加了操作成本。國外公司研發(fā)高性能鍋爐,希望耐熱溫度可達 1 500 ℃,無需回流煙道氣,并提高熱效率。

1.2 國內富氧燃燒技術現(xiàn)狀

2007年吉林大學建立了富氧助燃燃燒的數(shù)學模型[2],采用計算機進行理論計算及模擬分析,為富氧助燃技術研究奠定了基礎。此實驗及理論研究對實際鍋爐富氧助燃裝置的設計及改進具有重要意義。

2010年,浙江大學和法國液化空氣集團(AIR LIQUIDE S A)聯(lián)合在浙大玉泉校區(qū)共建了一套富氧燃燒聯(lián)合實驗室,為當時業(yè)內最先進的燃燒試驗平臺。該平臺瞄準二氧化碳的捕獲,對富氧燃燒特性與控制以及其他污染物排放進行一系列的基礎和應用研究。

2014年煙臺華盛燃燒設備工程有限公司已可生產富氧設備“膜法富氧助燃節(jié)能裝置”。該設備是當時技術下富氧流量最大的。該設備可為富氧燃燒提供富氧,可提升15%左右節(jié)能效率。

2016年華中科技大學牽頭承擔的“十二五”國家科技支撐計劃項目“35 MWth富氧燃燒碳捕獲關鍵技術、裝備研發(fā)及工程示范”順利通過驗收。

國內在富氧克勞斯工藝應用上,也有多套裝置成功應用。富氧克勞斯工藝的優(yōu)點在于節(jié)約裝置投資,提高生產能力,提高硫黃回收率;既有利于降低主燃燒爐中羥基硫、二硫化碳的生成,又能提高爐中氨的分解率[3-4]。

2 富氧燃燒測試平臺設計

2.1 測試平臺設計

富氧燃燒測試平臺示意圖見圖1。

圖1 富氧燃燒測試平臺示意圖

富氧燃燒測試平臺由燃燒器、燃燒室、冷卻段、煙氣段組成。

測試平臺各段的功能:燃燒器內實現(xiàn)點火控制、燃燒氣與富氧空氣預混合以及氣體燃燒;燃燒室區(qū)域實現(xiàn)燃燒反應,并進行煙氣測溫、煙氣采樣;冷卻段采用冷空氣摻和煙氣進行降溫,并由煙囪排放;燃燒器錐段和冷卻段尾部安裝視鏡,觀察記錄燃燒實時狀態(tài)。

2.2 燃燒室設計

燃燒室的設計按照“3 T”即煙氣停留時間(Time)、反應溫度(Temperature)、絮流混合程度(Turbulance mixing)進行工藝計算。

國外研究硫化氫灼燒的轉化率與過氧量、反應溫度和停留時間存在關系[5],可以用公式[H2S]0=A×exp(B/T)×[H2S]i×T/([O2]i×t0)。王偉等人[6]給出了硫化氫反應后尾氣中硫化氫濃度的系數(shù)公式[H2S]0=8.56×10-12×exp(25 300/T)×[SO2]0×T/(K[O2]0×t),張勇等人[7]總結出了燃燒室停留時間一般選取0.7～1.2 s,反應溫度不宜超出 1 400 ℃,旋流系數(shù)一般大于0.65。

針對本富氧測試平臺,考慮提升測試試驗裝置的適用性,需要增加停留時間至3 s;同時反應溫度需要根據(jù)富氧燃燒理論溫度計算確認,但需符合設備設計溫度。按照設計耐火材料設計溫度 1 750 ℃執(zhí)行,從而滿足試驗反應溫度 1 650 ℃的需要。旋流系數(shù)根據(jù)不同工況來確定，并通過研究不同的進氣方式來滿足旋流系數(shù)。

由于燃燒溫度過高,對耐火材料耐高溫性能要求苛刻,為了保護耐火材料和延長耐火材料壽命,需要從燃燒室結構設計上想辦法,降低耐火材料因直接接觸火焰或受火焰熱輻射產生的壁溫。目前已有的技術包括冷膜風環(huán)壁保護技術[8]、煙氣回環(huán)技術等。在設計此類燃燒室時,需要進行工程數(shù)據(jù)測試,為設計提供參數(shù)依據(jù)。

富氧燃燒反應溫度的提升,從氮氧化物反應機理[9-10]上會造成熱力型氮氧化物濃度提升,因此測試平臺還需要控制氮氧化物的生成,并進行監(jiān)控測試。因此燃燒室采用旋流結構進輔助氣體,在耐火襯里壁面形成一道冷氣膜來控制耐火襯里壁溫。另外燃燒器還需要采用旋流設計[8]。在旋流燃燒研究上,邵杰[11]分析了NOx旋流的燃燒性能,提出了NOx旋流燃燒的空氣動力場,并進行模擬試驗,分析了各參數(shù)對空氣動力場的影響,建立了三維模型。另外李永華、董永勝等人[12-13]在模擬狀態(tài)和應用裝置上進行了旋流空氣動力學研究。

2.3 高溫材料選擇

富氧燃燒產生高溫火焰和熱輻射,燃燒充分且燃燒時間短,燃燒室需要耐高溫。所以燃燒室耐火材料、燃燒室附件材料的性能,決定了富氧燃燒應用的范圍及可行性。

從設計上看,首先要保證材料的耐火性能滿足高溫要求，采用高鋁或氧化鋯耐火材料來保障耐火溫度要求。耐火襯里厚度需要根據(jù)傳熱和壁溫條件進行計算來確定。

高富氧燃燒,過程氣燃燒溫度可達到 1 650 ℃,因此,耐火材料使用溫度 1 760 ℃以上。在實際的富氧克勞斯工業(yè)裝置中,過程氣的溫度沒有達到理論溫度，在耐火材料的選擇上可選余地大,可解決 1 760 ℃高溫耐火材料的選擇難題。在標準HG/T 20683《化學工業(yè)爐耐火、隔熱材料設計選用規(guī)定》[14]中規(guī)定了不同溫度下許用的耐火材料類型。對于過程氣的實際溫度,可以在測試平臺上進行試驗核實,再與工業(yè)裝置進行核對,探討兩者存在差異的原因。

另外在煤化工硫回收中還需要考慮燒氨問題,金洲[10]、馬恒亮等人[15]論述了燒氨的反應機理,反應溫度是基礎,同時考慮硫化氫、二氧化硫濃度對其的影響。馬恒亮等人還闡述了在硫黃回收裝置中燒氨條件的優(yōu)化。燒氨溫度要求在 1 250 ℃以上,因此在富氧燃燒測試平臺設計中,需要考慮燒氨問題,包括燒氨溫度、反應停留時間和絮流混合程度。

2.4 煙氣參數(shù)監(jiān)測

由于燃料氣流量、燃燒配比不同,需要測量不同燃燒時間段的煙氣參數(shù)。在對燃燒高溫區(qū)煙氣參數(shù)進行測量時,要求實時采集且保證煙氣瞬時屬性不變,這對設計和測量技術提出了更高的要求。

富氧燃燒測溫主要技術包括接觸式測溫法和非接觸式測溫法[16]。在常規(guī)測量溫度參數(shù)時,多采用熱電偶溫度計接觸式測溫法。而在測試平臺,溫度可能超過 1 400 ℃,熱電偶溫度計需選擇TCBTCS型,在測試平臺裝置中,溫度要求更加精確,因此選擇TCB型,滿足溫度小于 1 800 ℃下范圍的測量。在條件許可的情況下,要求更高精度和位置準確性時,可采用非接觸式測溫法。

需要研究測試裝置不同燃燒點瞬間的火焰狀態(tài),需要檢測的煙氣參數(shù)包括氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、氧氣等組分的瞬間值。在燃燒狀態(tài),煙氣中的成分會瞬間發(fā)生變化,如何準確檢測瞬間值是檢測的難點。

瞬間測定煙氣中的組分,可參考HJ/T 76-2017《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及監(jiān)測方法》[17]及HJ/T 75-2017《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術規(guī)范》[18]執(zhí)行,首先進行煙氣預處理,達到檢測儀器的進氣要求[19]。目前氣體在線檢測儀器基本要求是無塵、干基狀態(tài)、低溫態(tài),因此煙氣預處理要具備快速除塵、除濕、降溫三種功能,使高溫煙氣在極短時間內從高溫高濕含塵狀態(tài)轉換到低溫干燥無塵狀態(tài),并能夠使煙氣氣體組分基本保持不變。

對于煙氣分析,除了一體化的CEMS系統(tǒng)(煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng))外,在測試平臺,可采用便攜式氣質聯(lián)用儀快速測定CEMS測量外的氣體組分[20]。

通過燃燒煙氣數(shù)據(jù)檢測,為設計優(yōu)化研究提供參數(shù)依據(jù)。

2.5 檢測系統(tǒng)設計

為了檢測不同高溫煙氣停留時間、不同燃燒溫度條件下的煙氣組分,在設計燃燒室時需考慮能夠準確采集煙氣的取樣接口及取樣頭。為了達到采樣目的,在設計燃燒室時,需要根據(jù)富氧工況,測算不同時間與采樣位置的關系,從而確定采樣設置點。作為測試平臺,在設計時還需要考慮多因素及備用點。另外采樣槍頭可設計為可微調位置的裝置,采樣裝置設計可參考目前市場上采樣器原理設計及連續(xù)煙氣探頭[21],并增加調控位移裝置,便于試驗參數(shù)精細化調整。

本裝置由于需要采集燃燒區(qū)域的煙氣,其中存在溫度超過 1 400 ℃的煙氣,因此設計采樣探頭時需要保證采樣探頭的耐溫性能,另外采用不固定的采樣方式,避免探頭連續(xù)高溫而損壞。

3 結論

在設計富氧燃燒測試平臺時,需要研究不同時間段煙氣組分、煙氣溫度、煙氣流速等參數(shù)的情況,同時還要考慮到富氧燃燒產生高溫對材料選擇(特別是耐火材料的選擇)和設備設計的影響,。

為了避免富氧燃燒產生的高溫對設備造成損壞，可以優(yōu)化設備結構設計以降低設備壁溫，從而降低設備選材的難度,如采用旋流燃燒和冷膜保護技術來保護耐火襯里,降低設備襯里內壁溫度。

在設計測試平臺時要充分考慮檢測手段和相應的設計措施,用煙氣在線檢測技術和氣質聯(lián)用的在線檢測方式,達到取樣實時可靠、分析數(shù)據(jù)準確的目的。