利用裝置副產物與 油氣聯(lián)合低氮燃燒器實現(xiàn)管式爐油氣混燒

徐夢倩(江蘇金桐化學工業(yè)有限公司，江蘇 南京 210046)

0 引言

輕質油是本裝置副產物之一，裝置投產后一直被儲存于中間罐區(qū)至一定量后進行銷售。隨著近年國家對危化品運輸安全的進一步嚴格化管理，輕質油在裝卸及運輸過程中存在較大安全隱患。同時近幾年輕質油銷售價格一路下滑，與原料相比虧損較大。綜合考慮，決定將輕質油引入本裝置管式加熱爐作為其燃料補充。該管式加熱爐原先使用的是14臺以天然氣為燃料的低NOx氣體燃燒器，現(xiàn)更換其中2臺為油氣聯(lián)合低NOx燃燒器。改造后通過優(yōu)化調整油氣聯(lián)合低氮燃燒器的操作參數(shù)，實現(xiàn)了該管式爐安全穩(wěn)定、低NOx排放、長周期運行的油氣混燒模式。

1 油氣聯(lián)合低氮燃燒器的技術特點及設計參數(shù)

1.1 油氣聯(lián)合低氮燃燒器的技術特點

本裝置所用油氣聯(lián)合低NOx燃燒器，與原低NOx氣體燃燒器相比，除燃氣輔槍外，增加了中心內混式“Y”型噴油槍，可實現(xiàn)天然氣和輕質油的切換使用。

燒氣時，直接利用原低NOx氣體燃燒器的爐前天然氣管線，通過金屬軟管接入該油氣聯(lián)合低氮燃燒器的燃氣輔槍。這兩種低氮燃燒器均采用了分級燃燒、煙氣再循環(huán)等技術降低NOx排放量。分級燃燒可直接拉大火焰集中區(qū)，降低局部火焰熱強度，從而抑制熱力型NOx的產生；煙氣再循環(huán)使得空氣混合部分煙氣后可以回流、重新混合并再次供給燃燒，以降低燃燒區(qū)溫度及氧氣濃度來抑制NOx的產生。經統(tǒng)計，在改造和應用低NOx燃燒器后，本裝置管式爐煙氣中的氮氧化物排放量可穩(wěn)定控制在30～50 mg/m3， 與GB 31570—2015 《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》中規(guī)定的排放值相比，降低了近50%～70%，滿足環(huán)保排放指標。

燒油時，由于輕質油的汽化溫度遠低于其著火溫度，因此它只能在被蒸發(fā)成為油蒸汽的前提下，再和空氣中的氧氣相互擴散摻混后著火燃燒，而油蒸汽和氧的擴散速度遠遠小于其燃燒的化學反應速度，因此輕質油的蒸發(fā)和擴散速度成為了決定其燃燒速度的最重要因素。該油氣聯(lián)合燃燒器利用“Y”型噴油嘴的氣動霧化技術來增加輕質油的總表面積，從而達到快速蒸發(fā)、摻混和燃燒的目的。1 kg呈球形的輕質油經霧化成為直徑幾十微米的油霧時，其總表面積可增加近4000余倍，霧化機理是利用高壓氣體沖擊油流，使其變成細小分散的油滴，它們在高速飛行中因振動而發(fā)生破裂，破裂的油滴在周圍介質的阻力作用下進一步粉碎破裂，最終形成只有幾十至幾百微米大小的油滴。同時噴嘴的噴孔張角可使得霧化能流向適當?shù)姆较虿⑿纬删鶆蚍植嫉挠挽F，以促進與周圍助燃空氣的均勻混合，以此提高燃油的燃燒強度和燃燒效率。

1.2 油氣聯(lián)合低氮燃燒器的設計參數(shù)

為保證本裝置輕質油火嘴能實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行，因此在設計油氣聯(lián)合燃燒器負荷時，是以裝置日均輕質油產量為依據(jù)來計算得出輕質油的燃燒量在190～210 kg/h。經核算，按此燃燒量設計的燃燒器，其放熱量可滿足本裝置管式爐熱負荷的運行要求。

霧化介質的選擇一般有蒸汽和空氣兩種，而空氣霧化又可細分為高風壓空氣霧化和低風壓空氣霧化。蒸汽霧化的霧化能力強，但成本較高，由于本裝置不自產過熱蒸汽，外引蒸汽需要投入新的設備及相應配套的管線儀表等，同時蒸汽價格較高，熱損較大?？紤]到本裝置輕質油的黏度較小，燃燒量較少，而本裝置現(xiàn)有的工業(yè)風，即壓縮空氣壓力較高(0.65 MPa)且源頭壓力穩(wěn)定。使用高風壓的壓縮空氣作為霧化介質，比全部僅使用以低風壓的助燃空氣(助燃空氣壓力僅約50～100 kPa)相比，前者霧化能力更強。此外現(xiàn)場具備現(xiàn)成的可輸送壓縮空氣的管道，在工藝設計上亦簡便可行，在能達到較高霧化能力的同時，前期改造投入成本及后續(xù)蒸汽耗用成本都大大降低。因此綜合考慮，選擇直接使用本裝置的壓縮空氣作為輕質油的霧化介質。

以上條件確認后，油氣聯(lián)合低氮燃燒器的的主要設計參數(shù)如下：(1)輕質油燃燒量在190～210 kg/h；(2)油嘴操作壓力在0.35～0.4 MPa; (3)輕質油與霧化空氣的壓差(下簡稱“油氣壓差”)在0.1 MPa，即霧化空氣壓力在0.45～0.5 MPa。

2 油氣聯(lián)合低氮燃燒器的操作參數(shù)優(yōu)化實驗

2.1 霧化空氣與輕質油的壓差優(yōu)化

該燃燒器的“Y”型油噴嘴為內混式霧化噴嘴，輕質油通過內管的中心油孔射入混合室，霧化空氣則經外套管通過油孔周圍的氣孔噴入混合室，并以一定的夾角角度沖擊油流形成充分混合的油-氣乳濁液。為達到良好的霧化效果，霧化空氣與輕質油的壓差控制是保證燃燒器油嘴穩(wěn)定燃燒的重要操作參數(shù)之一。一般規(guī)定油壓需比氣壓低0.1 MPa，最高操作參數(shù)為油壓、氣壓相等，以保證在燃燒過程中不會出現(xiàn)倒氣或倒油現(xiàn)象。

優(yōu)化本裝置管式爐油氣聯(lián)合燃燒器油氣壓差的實驗過程如下：控制輕質油油壓穩(wěn)定在0.38 MPa，該壓力下輕質油燃燒量能較好地控制在設計燃燒量的范圍內。在管式爐的燃氣及燃油組分、燃燒器風門、環(huán)境溫度、加熱爐熱負荷等因素基本不變的條件下，調節(jié)油氣差壓由高到低進行試驗，其對應的加熱爐運行參數(shù)變化如表1所示。

從表1對比發(fā)現(xiàn)，當油氣壓差大于0.08 MPa時，霧化效果雖好，但增加了進料阻力。隨著霧化空氣量地上升，輕質油進料量以較快的速度降低，同時還直接加大了進爐的空氣量，造成爐膛過?？諝庀禂?shù)升高，霧化劑量的增大還會帶走較多的熱量，以上因素綜合導致了爐效率的降低。在燃燒狀況方面，其火焰剛度符合要求但火焰長度過短。當油氣壓差低于0.06 MPa時，雖然爐膛氧含量可維持在合理的控制范圍內，但輕質油的霧化效果不良，火焰剛度不足導致火焰上飄，頂部發(fā)散，易舔爐管。而當油氣壓差控制在0.07～0.08 MPa之間時，可以得到良好的霧化效果，火焰形狀剛直有力，顏色中蘭上黃，呈穩(wěn)定的塔柏樹型，同時限制了進爐空氣量，使得爐膛氧含量亦在合理的控制范圍內。

表1 不同油氣壓差下對應的加熱爐運行參數(shù)變化

因此，當輕質油壓力控制在0.38 MPa時，油氣壓差相較于設計參考值(0.1 MPa)，調整控制在0.07～0.08 MPa后，能優(yōu)化該油氣聯(lián)合燃燒器的實際操作性能，同時有效控制了爐膛氧含量。

2.2 爐效率優(yōu)化

當本裝置管式爐使用低NOx氣體燃燒器及油氣聯(lián)合燃燒器的氣嘴時，即管式爐的14臺燃燒器都處于燒氣模式時，各燃燒器的負荷相當，其供風風門的開度統(tǒng)一控制在45%時，可維持爐膛氧含量在2.0%～2.5%。而在投用油氣聯(lián)合燃燒器的油嘴時，即管式爐處于油氣混燒模式(12臺燃燒器燒氣和2臺燃燒器燒油時)，考慮到由于輕質油需要空氣霧化，該部分霧化空氣同時也作為助燃空氣的一部分參與了燃燒，因此在燃燒器的風門控制過程中應充分識別到該因素，需要在操作中對風門開度有一個適當?shù)膬?yōu)化調整，這也直接影響爐效率的重要因素之一。

優(yōu)化本裝置管式爐效率的實驗過程如下：在加熱爐的燃氣及燃油組分、環(huán)境溫度、加熱爐熱負荷等因素基本不變的條件下，控制保持油壓穩(wěn)定在0.038 MPa、油氣壓差穩(wěn)定在0.08 MPa進行試驗，通過調節(jié)油氣聯(lián)合燃燒器的風門開度(自開度45%依次降低10%直至開度為15%)，同時觀察對應爐膛氧含量及燃燒火焰的變化情況。

實驗發(fā)現(xiàn)，油氣聯(lián)合燃燒器燒油時風門開度控制在45%時，加熱爐氧含量為2.81%，該風門開度下的火焰因供風量過大導致回流循環(huán)區(qū)周圍的氣流溫度降低，不利于形成穩(wěn)定的保持高溫的中心溫度場，導致燃燒不穩(wěn)定，火焰易熄，同時爐膛氧含量過高，爐效率降低明顯；當風門開度控制在35%時，火焰剛度有所增加，火焰頂部輕微發(fā)紅，加熱爐氧含量在2.62%，爐膛氧含量較高；當風門開度控制在25%時，可達到滿意的燃燒狀態(tài)，火焰剛直有力呈明黃色，形狀呈穩(wěn)定的塔柏樹型，高溫煙氣能回流對油霧進一步進行加熱、汽化和強迫點燃，實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的目的，該狀態(tài)下爐膛內氧含量為2.43%，符合控制要求，且計算發(fā)現(xiàn)加熱爐效率相較于風門開度在45%時提高了約0.3%；當風門開度繼續(xù)降低至15%時，爐膛氧含量雖降低至2.38%，但此風門開度下的火焰無力發(fā)飄，剛度不足，燃燒狀態(tài)不佳。因此，在油氣聯(lián)合燃燒器燒氣時，風門可控制在45%，在其切換燃料為輕質油后，將其風門開度降至25%，可在保證穩(wěn)定燃燒的同時降低爐膛氧含量，提高爐效率約0.3%。

3 效益核算

按輕質油低熱值41.648 MJ/kg，天然氣(以CH4粗算)低熱值35.906 MJ/m3計算，每噸輕質油的熱值相當于1159 m3的天然氣。

根據(jù)每立方天然氣的售價，可通過熱值換算得出每噸輕質油折算成天然氣后的費用為A。該費用A與輕質油每噸的銷售凈收益B之差，即為每噸輕質油作為燃料補充時產生的經濟效益與其外銷時產生的經濟效益之差。經核算，相較于外銷，使用輕質油作為燃料補充，每年可為本裝置節(jié)省近200萬元的燃氣費用，經濟效益顯著。

4 結語

正常使用狀況下油壓控制在0.038 MPa，油氣壓差控制在0.07～0.08 MPa，可使得該低NOx油氣聯(lián)合燃燒器的油嘴達到最佳燃燒狀態(tài)，實現(xiàn)了本裝置管式爐低污染物、安全高效、長周期運行的油氣混燒模式。當?shù)蚇Ox油氣聯(lián)合燃燒器切換為燒輕質油時，將其風門開度從正常燒天然氣時的45%降至25%左右，可降低爐膛氧含量。加熱爐過?？諝庀禂?shù)在1.15左右，提高爐率約0.3%。本裝置引進油氣聯(lián)合低氮燃燒器，利用裝置副產物—輕質油作為燃料補充，不僅滿足環(huán)保排放要求，同時經濟效益十分顯著，每年可節(jié)省近200萬元燃料費用。