孫全勝，謝金剛

（1.中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300450；2.北京泓泰天誠科技有限公司，北京 100102）

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，節(jié)能環(huán)保已成為政府和社會關(guān)注的焦點。工業(yè)和信息化部組織實施“十四五”工業(yè)節(jié)能監(jiān)測計劃，對煉化等行業(yè)實施專項監(jiān)察，相比于“十三五”的能耗標(biāo)準(zhǔn)，“十四五”的要求更高。生態(tài)環(huán)境部在中央經(jīng)濟會上做出了碳達峰、碳中和的工作安排，并將開展碳排放的配額分配，啟動全國碳市場履約周期。屆時對石化行業(yè)的排放指標(biāo)要求更趨嚴(yán)格。

石化行業(yè)能源消費量和碳排放量位居各行業(yè)前列，煉油、乙烯等是石化行業(yè)節(jié)能降碳的重點領(lǐng)域。中國石化于2020年提高了重點地區(qū)重點企業(yè)加熱爐的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，其中重點企業(yè)加熱爐NOx排放濃度控制在60 mg/m3以下，重點區(qū)域加熱爐NOx排放濃度控制在70 mg/m3以下?！?021中國能源化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》[1]中指出，2025年化工產(chǎn)業(yè)單位GDP能耗比2020年降低約17%。加熱爐是石化企業(yè)重要的耗能設(shè)備，同時也是CO2、NOx等污染物排放的主要來源。對石化企業(yè)加熱爐進行燃燒優(yōu)化，提高加熱爐熱效率，減少污染物排放，已變得非常迫切。

1 加熱爐節(jié)能環(huán)?，F(xiàn)狀

對于石化行業(yè)來說，用能主要存在加熱爐熱效率偏低、能量系統(tǒng)優(yōu)化不足、耗電設(shè)備能耗偏大等問題。其中，加熱爐是石化行業(yè)內(nèi)耗能大戶，占企業(yè)能耗的80%以上。加熱爐的運行過程是由燃料燃燒產(chǎn)生熾熱的火焰以及高溫的氣流，通過輻射傳熱的形式將熱量傳給管壁，由管壁以對流形式將熱量傳給物料。加熱爐的熱效率是衡量加熱爐在實現(xiàn)其加熱任務(wù)的過程中所耗燃料的重要指標(biāo)。

影響加熱爐熱效率的主要因素有排煙損失、不完全燃燒損失和散熱損失[2]。目前主要通過降低排煙溫度和減少過?？諝庀禂?shù)來降低排煙損失；通過在爐體上增加高性能保溫材料和對加熱爐密封處理來減少加熱爐的散熱損失；通過對燃燒優(yōu)化調(diào)整來降低不完全燃燒損失；通過對燃氣脫硫脫硝，更換低氮燃燒器等來減少污染物的排放。從各煉廠運行參數(shù)看，除了新增的加熱爐熱效率會達到93%外，其他加熱爐熱效率基本在90%～93%，更有一些設(shè)備老化的加熱爐整體熱效率處于90%以下。如何在不進行大規(guī)模改造的情況下提高加熱爐的運行熱效率一直是煉化企業(yè)的目標(biāo)。

2 理論配比燃燒優(yōu)化控制（HSCO）技術(shù)

國家發(fā)展和改革委員會制定的《高耗能行業(yè)重點領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實施指南（2022年版）》（簡稱《實施指南》）子行業(yè)報告《煉油行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實施指南》中明確提出，CO燃燒控制技術(shù)是推薦目錄中的綠色工藝技術(shù)，采用該技術(shù)可有效提高加熱爐熱效率。HSCO技術(shù)就是一種CO燃燒控制技術(shù)，包括：HSCO在線檢測技術(shù)、燃燒器調(diào)優(yōu)工程技術(shù)和HSCO控制策略技術(shù)。HSCO技術(shù)通過控制理論配比狀態(tài)下產(chǎn)生的微量CO，來降低加熱爐的整體過?？諝庀禂?shù)，同時在實施過程中對加熱爐的燃燒狀態(tài)進行優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)加熱爐的高效率運行，減少CO2和NOx的排放，實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

2.1 HSCO技術(shù)原理

燃料與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)產(chǎn)生H2O和CO2，當(dāng)欠氧時就會產(chǎn)生CO。基于此原理，以CO為控制指標(biāo)，把燃燒控制在完全燃燒和不完全燃燒的臨界點上，即可實現(xiàn)理論配比燃燒。HSCO技術(shù)原理見圖1。

圖1 HSCO技術(shù)原理

HSCO技術(shù)的主要原理是控制燃料和空氣在理論配比情況下的燃燒。當(dāng)爐膛氧含量少于燃料氣的理論配比時，燃燒第一副產(chǎn)物為CO。該控制技術(shù)通過設(shè)置煙氣CO含量和送風(fēng)擋板回路，控制煙氣中的CO在微量狀態(tài)，從而實現(xiàn)理論配比燃燒。由于CO是燃燒不穩(wěn)定的主要因素，該控制技術(shù)將不穩(wěn)定因素可視化，能夠在安全穩(wěn)定的情況下將過剩空氣系數(shù)降至最小，使熱效率最優(yōu)，同時減少NOx和CO2的排放。

2.2 HSCO在線檢測技術(shù)

目前可用于CO檢測的方法主要有電化學(xué)檢測法、紅外光譜吸收法、氣相色譜分析法和激光技術(shù)。HSCO在線檢測技術(shù)是采用量子串級激光光源在線的CO分析儀，其技術(shù)特點：一是采用貫穿煙道式測量，光柱直徑可達50～100 mm，測量范圍覆蓋全煙道，真實有效地反映了燃燒產(chǎn)生的CO，具有高度代表性；二是該分析儀采樣時間僅0.1 s，對于CO的跟蹤無任何滯后，可在線快速實時測量檢測加熱爐煙氣中的CO。由于HSCO分析儀的檢測速率（10次/s）遠高于氧化鋯檢測，且能準(zhǔn)確快速地檢測出煙道中的CO，極大提高了控制回路的跟蹤性，并以此來控制配風(fēng)，實現(xiàn)低氧環(huán)境下CO的快速響應(yīng)。

2.3 HSCO控制策略技術(shù)

HSCO控制策略技術(shù)是在已有的DCS控制系統(tǒng)中加入新的控制策略，將CO的控制納入。加熱爐燃燒控制CO含量在50～100 mg/m3內(nèi)[3]，遠低于易燃物爆炸極限20 000～40 000 mg/m3?？梢跃_地調(diào)整空氣與燃料之間的比例，預(yù)測燃燒波動，對滯后時間提前控制補償。

此外，HSCO控制策略技術(shù)還將已有控制系統(tǒng)的過程滯后時間和死區(qū)整合到這個控制邏輯中。將已有的安全系統(tǒng)進行整合，當(dāng)CO分析儀發(fā)生故障時，可以安全自動地切換到O2控制，保障技術(shù)應(yīng)用安全可靠。

2.4 燃燒器調(diào)優(yōu)工程技術(shù)

加熱爐的正常運行除了需要合理控制參數(shù)外，還需要對加熱爐內(nèi)的各燃燒器進行調(diào)優(yōu)。目前，國內(nèi)一些煉化企業(yè)加氫精制、焦化等裝置的加熱爐有相當(dāng)一部分煙氣中氧含量仍在2.5%以上，而CO排放值達到500 mg/m3以上，有很大調(diào)優(yōu)空間。

加熱爐如何實現(xiàn)接近理論配比條件（煙氣氧含量不高于1.0%）下安全正常運行，不僅需要精準(zhǔn)的檢測設(shè)備，還需要合理的燃燒調(diào)整，作為HSCO技術(shù)中的重要一環(huán)，燃燒工程服務(wù)必不可少。

燃燒調(diào)優(yōu)工程技術(shù)主要是針對加熱爐中燃燒不正常的燃燒器進行調(diào)整。在正常燃燒時，燃燒完全，火墻顏色一致，火焰高度適中[4]。燃燒不正常會呈現(xiàn)火焰發(fā)飄，綿軟無力，火焰根部呈深黑色，甚至煙囪冒黑煙等情況。

針對這些問題，以HSCO技術(shù)為基礎(chǔ)的燃燒工程服務(wù)，其解決方案及實施步驟：①根據(jù)HSCO在線分析儀提供的CO含量數(shù)據(jù)，結(jié)合氧含量，以及現(xiàn)場燃燒器的火焰燃燒狀況，甄別出不平衡狀態(tài)的燃燒器；②對加熱爐整體運行的狀態(tài)識別后提出解決方案；③對有明顯燃燒問題的燃燒器進行調(diào)整，使風(fēng)量和燃料配比能達到最佳狀態(tài)；④逐一調(diào)整直至所有燃燒器達到平衡燃燒狀態(tài)。

3 HSCO技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用

3.1 裝置現(xiàn)狀

本次HSCO控制系統(tǒng)應(yīng)用于某石化企業(yè)常壓加熱爐。常壓加熱爐（F101）共16臺燃燒器，每臺功率為5 MW，加熱爐的整體設(shè)計負(fù)荷為80 MW。受到加工量限制，該裝置正常運行負(fù)荷僅有40 MW，為使加熱爐正常運行，只運行8臺燃燒器。在應(yīng)用HSCO技術(shù)前，加熱爐氧含量為2.8%～3.0%，排煙溫度為130～134℃。由于氧化鋯分析儀安裝位置不具備代表性，且控制回路AIC2101未經(jīng)參數(shù)整定，加熱爐的控風(fēng)系統(tǒng)處于手動狀態(tài)。加熱爐現(xiàn)場的大部分燃燒器出現(xiàn)了風(fēng)量配比不均衡和燃料閥開度失準(zhǔn)的問題（見圖2）。

圖2 裝置投用HSCO技術(shù)前的燃燒狀況

3.2 實施條件

HSCO技術(shù)的實施條件包括加熱爐配備強制供風(fēng)系統(tǒng)，鼓引風(fēng)機采用變頻且蝶閥靈活。實施過程中通過檢測的CO值控制鼓風(fēng)機變頻或風(fēng)道擋板控制進風(fēng)量，進而降低煙氣中的氧含量，提高加熱爐熱效率。具體條件：①強制通風(fēng)；②鼓風(fēng)機變頻或鼓風(fēng)機蝶閥靈活；③煙道擋板靈活；④有合適的安裝位置；⑤配備合適的控制策略。常壓加熱爐F101的整體狀況滿足基本實施條件，經(jīng)過現(xiàn)場勘察，確定分析儀安裝在加熱爐的引風(fēng)機前預(yù)熱器后。

3.3 基于常壓加熱爐的控制策略

為了匹配HSCO技術(shù)，需要在常壓加熱爐F101現(xiàn)有DCS控制上引入新的控制策略（見圖3）。

圖3 常壓加熱爐爐F101的DCS控制策略

在常壓加熱爐實施HSCO技術(shù)，引入CO控制回路（AIC1111），采用選擇控制的方式對AIC1111和O2控制回路（AIC2101）進行選擇后，聯(lián)合控制鼓風(fēng)機的入口碟閥開度。為了確定控制的安全性，需要在控制策略中加入相應(yīng)的安全邏輯模塊，以確保裝置的安全平穩(wěn)運行。投入自動模式后，對AIC1111和AIC2101控制回路的P/I/D均進行了調(diào)整，最終確認(rèn)AIC1111的PID值。供風(fēng)系統(tǒng)與負(fù)壓系統(tǒng)均需投用自動模式，采用同樣的方法確定負(fù)壓控制（PIC2102）的參數(shù)。當(dāng)加熱爐投用CO控制回路正常后，系統(tǒng)切回O2控制回路，同時調(diào)整AIC2101的P/I/D參數(shù)，最終確定參數(shù)見表2。

表2 控制回路的P/I/D參數(shù)值

3.4 燃燒器調(diào)優(yōu)服務(wù)整體思路

觀察常壓加熱爐的燃燒情況，未進行平衡燃燒調(diào)節(jié)前的燃燒器，其空氣量與燃料配比不平衡，燃燒器配比過高或過低，如果降低總空氣量，配比偏低的燃燒器會發(fā)生燃燒不充分而產(chǎn)生CO，甚至?xí)霈F(xiàn)燃料未完全燃燒的情況。

采用HSCO技術(shù)能逐漸減少總風(fēng)量，通過利用CO值，現(xiàn)場觀察和爐膛氧含量，判斷配比最差的燃燒器，并進行調(diào)整。調(diào)整后，風(fēng)量和燃料的配比能達到最佳狀態(tài)。通過逐一調(diào)整每個燃燒器的配比，直至所有燃燒器都達到平衡燃燒的狀態(tài)。屆時將CO含量控制在50～100 mg/m3，氧含量能降至1%以下，爐膛內(nèi)燃料和配風(fēng)燃燒已經(jīng)達到理論配比。爐膛內(nèi)火焰燃燒基本一致，煙氣中氧含量減少，火焰短齊平（見圖4）。

圖4 調(diào)整后的燃燒器燃燒狀態(tài)

3.5 應(yīng)用效果

常壓爐F101實施HSCO技術(shù)后，在優(yōu)化運行、安全生產(chǎn)、降低設(shè)備腐蝕等方面取得了良好的應(yīng)用效果，基本參數(shù)見表3。實施HSCO技術(shù)后，常壓爐F101的氧含量降至0.8%左右，投用前過?？諝庀禂?shù)為1.15，投用后為1.06；排煙溫度降低了5℃以上，且SO3產(chǎn)生的更少，露點溫度降低，后期可進一步降低排煙溫度；相同進料量的情況下，加熱爐所需燃料量也有所減少；投用前常壓熱效率為92.1%，投用后常壓爐的熱效率升至93.0%，熱效率提升0.9%[5]；投用前煙氣中NOx含量為42 mg/m3左右，投用后NOx含量為20 mg/m3左右，實現(xiàn)了減少50%以上NOx排放量。

表3 實施HSCO技術(shù)后的加熱爐主要運行參數(shù)變化

4 結(jié)語

對加熱爐燃燒進行實時優(yōu)化控制，通過降低過?？諝饬?，使燃燒接近理論配比狀態(tài)，該技術(shù)能夠顯著提高加熱爐的運行效率，提升裝置的自控率，在低氧環(huán)境運行時加熱爐的各項參數(shù)運行平穩(wěn)，整體燃燒效果良好，加熱爐的熱效率能提高0.9%以上，帶來較好的節(jié)能效果；同時降低碳排放和NOx排放，實現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的雙贏。