李 凱，李長(zhǎng)春，楊 洋，楊幸儒

(中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628000)

川氣東送項(xiàng)目是繼西氣東輸工程之后我國(guó)天然氣管網(wǎng)建設(shè)歷程中的又一標(biāo)志性事件，元壩凈化廠作為川氣東送項(xiàng)目中高含硫氣田的重要凈化基地，每年的凈化氣量均超過35億m3(20 ℃、101.325 kPa，下同)，在2019年，凈化廠的天然氣凈化量達(dá)到40.5億m3，業(yè)已成為“川氣東送”持續(xù)發(fā)展的核心陣地【1】，對(duì)促進(jìn)中西部產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和沿江區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。

元壩凈化廠凈化的原料氣中H2S含量較高(平均濃度：5.55vol,%)，為了保證尾氣中SO2等廢氣排放達(dá)到國(guó)家要求， 元壩凈化廠通過工藝對(duì)比， 選擇加氫還原再胺液吸收的尾氣處理辦法，加氫燃燒器即為該工藝的核心設(shè)備。加氫燃燒器在面臨高含硫、高腐蝕環(huán)境的同時(shí)還面臨著高溫、臨氫等惡劣環(huán)境【2】，長(zhǎng)期被元壩凈化廠列為重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備。監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，4套聯(lián)合裝置均出現(xiàn)不同程度的加氫燃燒器外壁超溫的共性問題。加氫爐外壁溫度持續(xù)升高已經(jīng)給凈化廠的安全生產(chǎn)帶來較大安全隱患，一旦險(xiǎn)情蔓延，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置和搶修形勢(shì)將十分嚴(yán)峻，這些問題已成為制約元壩氣田安全、 平穩(wěn)、 高效運(yùn)行的瓶頸， 因此分析加氫燃燒器局部超溫原因并制定出相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施，對(duì)加氫燃燒器的后期維護(hù)保養(yǎng)，甚至整個(gè)凈化廠的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)都具有重要意義。加氫燃燒器局部超溫的原因較多，本文僅討論其主要原因——加氫燃燒器的燃燒室溫度對(duì)加氫燃燒器局部超溫的影響。

1 加氫燃燒器運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 加氫燃燒器工作原理

元壩凈化廠尾氣處理單元采用的是還原吸收工藝，在加氫燃燒器內(nèi)使燃料氣發(fā)生如下次氧化反應(yīng)生成還原性氣體H2與CO：

CO+H2O(氣)→CO2+H2

來自硫磺單元的尾氣進(jìn)入加氫燃燒器，與燃燒器中次氧化反應(yīng)產(chǎn)生的還原性氣體進(jìn)行混合，并將溫度升高至280 ℃，再進(jìn)入加氫反應(yīng)器內(nèi)使尾氣中所含的SO2等與還原性氣體在催化劑作用下發(fā)生如下反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為可用MDEA(甲基二乙醇胺)進(jìn)行吸收的H2S。

SO2+3H2→H2S+2H2O

Sx+xH2→xH2S

尾氣處理單元中，需正確控制加氫燃燒器燃燒空氣的流量以達(dá)到控制燃燒室溫度的目標(biāo)。尾氣中的硫化物與加氫爐所產(chǎn)生的還原性氣體(CO、H2)發(fā)生還原反應(yīng)生成H2S氣體，H2S氣體再經(jīng)過E-401冷卻器冷卻后進(jìn)行胺液吸收，從而達(dá)到降低尾氣排放的環(huán)保要求。

為保證加氫燃燒器能在高溫、高含硫條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，元壩凈化廠對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外多家廠商燃燒器的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了由荷蘭Duiker公司設(shè)計(jì)的燃燒器。該燃燒器的主體結(jié)構(gòu)由1個(gè)帶耐火內(nèi)襯噴嘴燃燒區(qū)的氣體箱、1個(gè)空氣調(diào)節(jié)器、1把燃料氣槍和1個(gè)氣鼻組成。

燃燒器殼體材質(zhì)為歐標(biāo)ASTM A-516Gr.70，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)碳鋼材料Q345R，殼體厚度為14 mm，耐熱溫度為425 ℃。燃燒室內(nèi)澆筑有耐火隔熱襯里，厚度為251 mm。耐火襯里設(shè)計(jì)耐熱最高溫度為1 750 ℃，在正常操作條件下燃燒室內(nèi)燃燒溫度預(yù)計(jì)為1 600 ℃；燃燒器殼體溫度為170～300 ℃，其設(shè)計(jì)最高溫度為350 ℃。

1.2 加氫燃燒器外壁局部超溫問題

日常巡檢測(cè)溫發(fā)現(xiàn)，四聯(lián)合加氫燃燒器觀火孔根部溫度高達(dá)470 ℃，為了解其他聯(lián)合觀火孔情況，對(duì)另外3套聯(lián)合裝置也進(jìn)行了全面檢測(cè)。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，三聯(lián)合爐頭觀火孔根部附近溫度達(dá)到481 ℃，二聯(lián)合達(dá)到355 ℃，一聯(lián)合為200 ℃(正常溫度)，并且三聯(lián)合加氫燃燒器觀火孔處殼體外壁已過燒發(fā)黑(如圖1所示)，第一、二、四聯(lián)合沒有發(fā)黑情況。

圖1 三聯(lián)合加氫燃燒器觀火孔及其根部過燒情況

1.3 外壁局部超溫原因確認(rèn)

圖2(a)～圖2(b)為燃燒器內(nèi)部襯里情況。由圖2(a)可見，加氫燃燒器襯里出現(xiàn)明顯裂紋，該裂紋基本貫穿整個(gè)耐火磚層，使?fàn)t膛內(nèi)的高溫氣體可通過耐火磚縫隙直接滲透至耐火磚層，并且部分位置澆筑層縫隙處的耐火材料存在如圖2(b)所示的破碎并從本體脫落的現(xiàn)象。根據(jù)爐頭襯里的失效情況，同時(shí)結(jié)合加氫爐襯里設(shè)計(jì)資料分析得知，襯里材料出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致加氫爐金屬外壁超溫的原因有燃燒室溫度偏高、自身材質(zhì)、大氣腐蝕等，其中燃燒室溫度影響較大，故本文主要討論燃燒室溫度偏高對(duì)加氫燃燒器外殼超溫的影響。

圖2 燃燒器內(nèi)部襯里情況

2 分析討論

加氫燃燒器燃燒室溫度主要受配風(fēng)比和降溫蒸汽流量的影響，故從這兩個(gè)方面進(jìn)行討論。

2.1 燃料氣配風(fēng)比的影響

加氫爐運(yùn)行過程中，燃料氣為欠氧燃燒，燃燒空氣與燃料氣配比過大會(huì)造成加氫燃燒器爐膛溫度過高。根據(jù)剛玉耐火磚的基本性質(zhì)可知，聯(lián)合裝置加氫爐剛玉磚的最高運(yùn)行溫度為1 600～1 670 ℃。

2.1.1 配風(fēng)比對(duì)溫度的影響

為使加氫燃燒室工作溫度處于耐火磚能夠承受的溫度范圍內(nèi)，采用調(diào)整加氫爐原料氣配風(fēng)比的方法進(jìn)行控制。本文分別計(jì)算了燃料氣的配風(fēng)比(摩爾比)為7.5∶1、 7.9∶1、 8.3∶1、 8.7∶1、 9.1∶1和9.5∶1的情況下燃燒室內(nèi)火焰溫度，得到燃燒室中間剖面上的溫度分布云圖，如圖3(a)～圖3(f)所示。

圖3 燃燒室中間剖面上的溫度分布云圖

由圖3(a)～圖3(f)可知，隨著配風(fēng)比的增大，高溫區(qū)域不斷增大，火焰的長(zhǎng)度不斷增加，燃燒室出口端溫度也逐漸升高。這也進(jìn)一步證明,提高配風(fēng)比可以獲得更高的燃燒溫度。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是爐膛內(nèi)部燃料燃燒充分從而釋放出了更多的熱量。另外隨著配風(fēng)比的增大，火焰有一定程度的向上傾斜，這是因?yàn)镃H4燃燒后形成的煙氣密度較小、向上流動(dòng)，從而導(dǎo)致火焰向上偏斜。這與裝置現(xiàn)場(chǎng)燃燒室上部耐火磚失效情況一致。再者隨著加氫爐配風(fēng)比的增大，火焰長(zhǎng)度明顯增大，當(dāng)加氫爐配風(fēng)比超過8.3∶1時(shí)，火焰會(huì)對(duì)燃燒室尾部造成沖擊，且因燃料氣存在波動(dòng)，使得火焰對(duì)加氫爐法蘭連接處耐火磚高溫沖擊及長(zhǎng)周期不穩(wěn)定火焰沖擊強(qiáng)度增加，由于加氫燃燒器與加氫爐爐膛采用的是法蘭連接，而該法蘭連接處采用防火棉進(jìn)行密封，長(zhǎng)期的火焰沖擊會(huì)加快防火棉失效，使得該法蘭連接處溫度偏高。上述分析表明，在日常操作中，燃燒室存在配風(fēng)比過大導(dǎo)致燃燒室超溫的情況，長(zhǎng)時(shí)間在超溫工況下運(yùn)行則進(jìn)一步導(dǎo)致了加氫燃燒器結(jié)構(gòu)損壞。為了避免加氫燃燒器因完全燃燒而超溫，將配風(fēng)比嚴(yán)格控制在8.3∶1左右較為合適。

2.2 降溫蒸汽流量的影響

在加氫爐正常運(yùn)行時(shí)，通過低壓降溫蒸汽吸熱來降低燃燒室內(nèi)的反應(yīng)溫度。蒸汽流量過小，燃燒室內(nèi)溫度無法下降至工藝參數(shù)要求的爐膛溫度，會(huì)降低爐頭的使用壽命；蒸汽流量過大則會(huì)導(dǎo)致燃燒室溫度過低，且燃燒室內(nèi)H2S與降溫蒸汽結(jié)合形成酸性氣體，腐蝕燃燒室內(nèi)耐火材料，降低耐火材料的使用壽命。

加氫燃燒器燃燒室耐火磚的化學(xué)成分主要是Al2O3,其次是SiO2。研究結(jié)果認(rèn)為【3】：當(dāng)有大量蒸汽存在時(shí)，SiO2會(huì)發(fā)生溶解；溫度在816 ℃以上時(shí)，SiO2則會(huì)從耐火材料中被蒸餾出來。耐火材料的強(qiáng)度降低程度隨蒸汽分壓的增加和溫度的提高而增大。因此，生產(chǎn)中需要嚴(yán)格控制進(jìn)入加氫爐燃燒室的降溫蒸汽量。

在正常條件下，凈化廠加氫爐燃燒室內(nèi)的溫度約為1 600 ℃，降溫低壓蒸汽溫度約為150 ℃。為確定正常工作條件下的蒸汽流量，需要對(duì)燃燒室內(nèi)的熱量進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。通過分析可知，在加氫爐燃燒室內(nèi)存在燃燒反應(yīng)、多種熱傳遞反應(yīng)等復(fù)雜工況，因此根據(jù)火用的概念來進(jìn)行計(jì)算。

火用效率=Ex(收益)/Ex(支付)

(1)

根據(jù)熱量火用的概念【4】，可以推出表達(dá)式中含有熱效率與水蒸氣平均吸熱溫度的燃燒室火用效率公式。燃燒室水蒸氣工質(zhì)的有效吸熱效率為：

Qg=BQyΓg

式中：Qg——燃燒室有效吸熱量，kJ；

B——燃料消耗量，kg；

Qy——燃料應(yīng)用極低位發(fā)熱量，kJ；

Γg——燃燒室的熱效率，%。

水蒸氣平均吸熱溫度Tm為：

(2)

式中：Tm——水蒸氣平均吸熱溫度,K；

h——降溫蒸汽的焓值，kJ/kg；

s——降溫蒸汽的熵值，kJ/(kg·K)。

查詢水蒸氣的焓熵圖可以得知，蒸汽壓力0.06 MPa、溫度150 ℃、焓值為2 796.2 kJ/kg時(shí)的熵值為s=7.8 kJ/(kg·K)。由此計(jì)算可得：

燃燒室水蒸氣工質(zhì)獲得的熱量火用為：

(3)

式中：EQ——燃燒室水蒸氣工質(zhì)所獲得的熱量火用，kJ；

T0——燃燒室溫度，K，當(dāng)環(huán)境溫度保持在1 600 ℃時(shí)，T0=1 873.15 K。

按照目的火用效率定義【5】，燃燒室火用效率應(yīng)為：

(4)

式中：Γr——燃燒室火用效率，%，根據(jù)加氫燃燒器相關(guān)資料得知，Γr=91.7%；

ef——原料氣的化學(xué)火用，kJ/kg。

以龜山-吉田體系為計(jì)算基準(zhǔn),則甲烷的標(biāo)準(zhǔn)摩爾化學(xué)火用為51 886.8 kJ/kg。

燃燒室熱效率Γg與水蒸氣的平均吸熱溫度Tm對(duì)燃燒室火用效率Γr的影響程度可根據(jù)小偏差法原理來確定。當(dāng)Γg和Tm產(chǎn)生小的偏差后，對(duì)Γr的影響可用其相對(duì)變化率的一次方表示，即：

X與B表示參量Γg與Tm對(duì)燃燒室火用的影響因子，其值反映了這兩個(gè)參量相對(duì)變化時(shí)所引起的燃燒室火用效率的相對(duì)變化率，即Γg與Tm對(duì)Γr的影響的大小，取決于其影響因子X和B的大小。

當(dāng)X=B時(shí)，Tm=2T0，Γg與Tm對(duì)燃燒室火用的影響同等重要；當(dāng)XB時(shí)，Tm>2T0，則Γg對(duì)Γr的影響較大。

將燃燒室溫度T0=1 873.15 K、蒸汽吸熱溫度Tm=128 513 K代入式(3)進(jìn)行計(jì)算可得，每kg燃料氣在燃燒室發(fā)生完全燃燒時(shí)，為將爐溫降低至1 600 ℃,蒸汽工質(zhì)所需吸收的熱量火用為：

根據(jù)燃燒室的工況可知，水蒸氣在燃燒室內(nèi)溫度由150 ℃升高至1 600 ℃，由于水蒸氣的比熱容c=2.08 kJ/(kg·℃)，因此,每kg燃料氣在燃燒室發(fā)生完全燃燒時(shí)所需的水蒸氣流量為：

≈0.325 kg

根據(jù)聯(lián)合裝置DCS系統(tǒng)對(duì)燃料氣流量的監(jiān)控可以得知，進(jìn)入加氫燃燒室的燃料氣流量約為185 kg/h，因此，甲烷在燃燒室完全燃燒時(shí)所需的降溫蒸汽流量約為：

m=0.325×190=61.75 kg/h

通過對(duì)相關(guān)計(jì)算式進(jìn)行分析可知，水蒸氣平均吸熱溫度的大小主要取決于燃燒室蒸汽的參數(shù)。當(dāng)燃燒室入口蒸汽溫度不變而提高蒸汽壓力(提高蒸汽流量)時(shí)，降溫蒸汽平均吸熱溫度明顯上升， 當(dāng)蒸汽壓力不變而提高燃燒室入口蒸汽溫度時(shí)，降溫蒸汽平均吸熱溫度上升趨勢(shì)減緩，故降溫蒸汽流量控制在61.75 kg/h較為合適。

2020年1月起，4臺(tái)加氫爐均在如上配風(fēng)比和蒸汽流量值附近進(jìn)行操作，每日對(duì)加氫爐外壁進(jìn)行測(cè)溫，截至2021年6月15日，測(cè)量最高溫度均小于300 ℃。

3 結(jié)語

通過分析討論加氫燃燒器超溫原因，得到如下結(jié)論：

1) 不合適的配風(fēng)比會(huì)導(dǎo)致燃燒室溫度偏高、火焰長(zhǎng)度偏長(zhǎng)，對(duì)加氫燃燒器尾部沖擊較大；配風(fēng)比控制在8.3較為合適。

2) 減溫蒸汽流量對(duì)燃燒室溫度影響較大，流量過低會(huì)導(dǎo)致燃燒室溫度過高，流量過高則會(huì)導(dǎo)致燃燒室溫度降低，且在高溫條件下，蒸汽環(huán)境會(huì)使耐火材料中的SiO2被蒸餾出，從而導(dǎo)致耐火材料強(qiáng)度降低；計(jì)算結(jié)果顯示，蒸汽流量控制在61.75 kg/h較為合適。