富氧推火燃烧技术在减压蒸馏装置加热炉上的应用

2014-05-14魏伯卿

石油炼制与化工 2014年6期

魏伯卿

（洲利实业（上海）有限公司淄博晟安机电有限公司，上海200129）

富氧局部增氧助燃技术是中科院大连化学物理研究所国家“七·五”、“八·五”科技攻关研究成果，它是应用于燃煤燃气燃油炉的节能减排技术，被称之为“资源的创造性技术”［1］，是最新的节能环保技术之一［2－3］，近30年来发展非常迅速，用途愈来愈广泛，并已取得较好的节能和环保效果［4－11］。但该技术有一个明显的缺点就是无法通过改变燃烧火焰的形状和分布来提高燃烧的热辐射效率和燃烧的安全性。针对富氧局部增氧助燃技术存在的问题，开发了富氧推火燃烧技术，利用专用富氧喷嘴和射流技术匹配，将体积分数27%～40%的富氧气体，直接送到燃烧火焰中心最需要氧气的地方助燃，使燃料能在高氧环境下强化燃烧，并能在一定程度上改变燃烧火焰的形状和分布，从而提高热辐射效率。

富氧局部增氧助燃技术的应用在国内外都有不少成功案例，而富氧推火燃烧技术作为最新的研究成果，其工业应用在国内外尚属首例，特别是将富氧推火燃烧技术应用于炼油装置减压炉这种安全性要求极高的加热炉。本课题介绍了富氧推火燃烧技术在中国石油大港石化分公司（以下简称大港石化）5Mt/a原油减压蒸馏装置加热炉上应用的结果。

1 富氧推火燃烧技术的节能减排机理

1.1 提高火焰温度、火焰黑度和辐射热

因氮气量减少、空气量及烟气量均显著减少，故火焰温度、火焰黑度和辐射热均随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高，但富氧浓度不宜过高，国内外研究结果表明［8］，富氧体积分数在27%～33%时为最佳，因为氧浓度较高时，火焰温度增加较少，而制氧投资等费用猛增。

1.2 加快燃烧速度，促进燃烧完全

燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差甚大，如氢气在纯氧中的燃烧速度是在空气中的4.2倍，天然气则高达10.7倍，故用富氧助燃，不仅能提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时由于温度提高了，将有利于燃烧反应，促进燃烧完全，从而从根本上消除污染。

1.3 降低燃料的燃点温度

燃料的燃点温度不是常数，如CO在空气中为609℃，在纯氧中仅388℃，所以用富氧助燃能提高火焰强度。

1.4 减少燃烧后的排气量

用普通空气助燃，约占其4/5的氮气不但不参与助燃，还要带走大量的热量。如用富氧助燃，氮气量要减少，故燃烧后的排气量亦减少，从而能提高燃烧效率等。

1.5 降低空气过剩系数

用富氧代替空气助燃，可适当降低空气的过剩系数，这样，燃料消耗就相应减少，从而节约能源。

2 工业应用

针对大港石化5Mt/a原油减压蒸馏装置加热炉排烟氧含量偏高、燃料组分复杂，热值偏低、燃料消耗偏高等问题，大港石化于2011年应用了富氧推火燃烧技术，在不改变加热炉和燃烧器结构的情况下，在加热炉内安装富氧分管，并在炉内富氧分管上安装富氧喷嘴。

2.1 技术要点

富氧推火燃烧技术最关键的技术点在于富氧气体送入到燃烧火焰的位置、角度、线速度。大港石化减压蒸馏装置加热炉为立式加热炉，直径11 000mm，有12个燃烧器环形分布在炉膛底部，12个燃烧器的外边缘距离靠近炉膛内壁立式安装的物料加热管的距离为800mm，燃烧火焰较分散、火焰较长，为2 000～3 500mm，加热炉的反平衡热效率为89.83%；国内外的对称燃烧加热炉实施富氧助燃时，富氧喷嘴的安装大多都是从燃烧器的附近打孔安装，每一个富氧喷嘴需要打一个安装孔。大港石化减压蒸馏装置加热炉有12个燃烧器，设计配置24组富氧喷嘴，如果按常规的安装方式，必须从12个燃烧器的附近打24个富氧喷嘴安装孔，这对热效率较高且易燃易爆的加热炉来说，带来的破坏太大。为了减少对加热炉的破坏，设计4根富氧分管从炉底打4个直径Φ100mm的孔伸入炉内，在炉内富氧分管组成4个扇形状，使每个扇形弧管内侧均匀分布3个燃烧器，这样既可在这4根富氧分管上安装多个富氧喷嘴，同时，这4根富氧分管又是富氧气体在炉内的预热管；在炉内富氧分管弧管的内侧靠近燃烧器位置对称安装24组富氧喷嘴，每个富氧喷嘴与燃烧火焰中心轴成26°～30°的α夹角，如图1所示。每个燃烧器外侧的富氧喷嘴与燃烧火焰中心轴的夹角α都不一样，而且每个富氧喷嘴与燃烧火焰中心轴的夹角α都是由该燃烧器的燃烧状况、火焰长度、炉膛高度、加热管的分布、烟气在炉膛内的停留时间、燃料喷射的扩散角等参数计算确定的，因为这个减压炉的炉膛高，火焰长，火焰比较分散，烟气在炉内的停留时间不够长，因此在设计安装富氧喷嘴的角度时，加大了富氧喷嘴与燃烧火焰中心轴的夹角α，使富氧气体将燃烧火焰推向炉膛中心方向较小的距离，从而使火焰更直、更集中地燃烧，进而形成更高温度的燃烧火焰。同时，尽量缩短燃烧火焰的长度，并将燃烧火焰的最高温度区向下移，即在保证燃料能够燃烧完全的条件下，缩短燃烧火焰的长度，使燃料在最短的时间内燃烧完全，从而能增加烟气在炉膛内的停留时间即烟气在炉膛内的流经时间，进而提高烟气的热交换效率。根据实验和应用经验在富氧喷嘴口与燃料喷口之间的距离一定的情况下，推火燃烧技术计算出来的富氧喷嘴与燃烧火焰中心轴的夹角α推，在实际安装时要增加一个小角度修正值Δα推，Δα推＝0.2°～0.7°。24组富氧喷嘴的D推（富氧喷嘴口与燃料喷口之间的距离）、α推和小角度修正值Δα推见表1。所有富氧喷嘴设计为扁形富氧喷嘴。

图1 推火燃烧富氧喷嘴夹角与火焰长度示意

表1 富氧喷嘴口与燃料喷口之间的距离D推和富氧喷嘴与燃烧火焰中心轴的夹角α推及修正值Δα推

2.2 标定结果

为了检验富氧推火燃烧技术性能，大港石化于2011年8月27—29日对减压蒸馏装置加热炉进行了考核标定，标定前后数据分别见表2和表3。

表2 富氧推火燃烧技术使用前减压炉统计平均数据

表3 富氧推火燃烧技术使用后减压炉标定数据

从表2和表3可以看出：使用富氧推火燃烧技术前减压炉燃料平均能耗为260.11MJ/t，排烟氧体积分数为4.54%，使用富氧推火燃烧技术后减压炉燃料平均能耗为244.63MJ/t，排烟中氧气体积分数为2.14%，使用后燃料能耗降低了5.95%，排烟中氧气体积分数降低了52.8%；另外实施富氧推火燃烧技术后，原来比较分散的燃烧火焰有明显的集中变亮，燃烧状况明显好转，燃烧火焰长度缩短。

2.3 运行情况

自2011年9月1日富氧推火燃烧技术投入使用至今的两年多时间里，装置运行稳定，节能减排效果明显。

（1）该装置工艺简单，设备运行平稳可靠，不必配备专职操作人员，从运行到目前，该系统尚未出现过设备问题，维修费用极少。

（2）该工艺的安装不改变加热炉原有结构和工作状态，仅炉内富氧分管和富氧喷嘴与加热炉接触，对加热炉的性能和安全没有任何影响；由于提高了燃烧效率，使燃料燃烧更加完全，排烟氧体积分数明显降低。

（3）富氧气体加入区，火焰亮度明显增强，炉温显著上升，炉膛燃烧区温度升高10～30℃，促进完全燃烧，在炉膛温度一定的情况下，燃料消耗明显下降。

（4）采用富氧推火燃烧技术助燃后，加热炉总进入空气量明显减少。

（5）采用富氧推火燃烧技术助燃后，加热炉燃烧火焰长度有较大的缩短。

3 经济效益分析

富氧推火燃烧技术实施共增加投资约170万元，其中设备投资为152万，安装费用为18万，运行费用主要为电机电费，按照燃气价格为2.2元/m3、电价为0.72元/kWh、降低燃料能耗5.95%计算，年节能收益为251.3万元，年电耗费用为35.7万元，年节能净收益为215.6万元，投资回收期为9.5个月。