烃类蒸汽转化炉燃烧器的研究与应用

徐凯

（中国石油塔里木油田公司塔西南化肥厂，新疆 泽普 844804）

烃类蒸汽转化炉燃烧器的研究与应用

徐凯

（中国石油塔里木油田公司塔西南化肥厂，新疆 泽普 844804）

针对KBR烃类蒸汽转化炉炉顶燃烧器工况恶化的现状，数值模拟计算了燃料组分、混合方式对燃烧特性的影响，对燃烧器形式及结构参数等关键因素进行了研究。在原有 “燃料分段”加“烟气再循环”技术的基础上，提出了“空气分段”加“烟气再循环”的国产化改造方案。将原有“圆筒型燃料器”改造为新型超低NOx排放设计的“扁平式燃烧器”。通过改造，燃烧状况得到明显改善，达到了节能减排的目的。

烃类蒸汽转化炉；扁平式火焰；燃烧器；NOx；国产化改造

烃类蒸汽转化炉在石油化工装置中的制氢、合成氨、甲醇工艺中应用广泛。烃类（如天然气）与水蒸汽混合，进入转化炉在镍催化剂作用下进行吸热的转化反应，热量通过炉顶燃烧器供给。某厂使用KBR烃类蒸汽转化炉，将3.5MPa、621℃混合气通过156根转化管加热到813℃。由于生产的复杂性，燃烧器的燃料经常不稳定。燃烧气组分的大幅变化，会造成转化炉燃烧状况恶化、燃烧效率下降、NOx排放量增加、影响设备安全运行等多种问题[1]。

1 基本情况

1.1 基本设计

KBR烃类蒸汽转化炉-天然气蒸汽转化炉是一座大型组合式管式炉，由辐射段、对流段、辅助锅炉和通风系统等组成。炉顶燃烧气设计由天然气和工艺弛放气混合组成，此外补充炼油厂重整装置的炼返气。炉内布置3排×52根炉管(共156根)。炉顶布置4排×18个圆筒型燃烧器(共72个)，与3排炉管间隙排列。燃烧器由美国UOP Callidus公司生产，型号为LE-CSG-2PDF，燃烧器总热负荷为228GJ/h。

1.2 存在的问题

2014年1月，燃料气源由“柯克亚”天然气全部更换为“和田河”天然气，燃烧气组分发生大幅变化，详见表1。燃烧工况出现以下主要问题：①一段炉燃烧器前压力上涨近40kPa，达到200kPa，接近燃料气压力高高联锁；②一段炉燃烧器燃烧火焰呈黄红色，混浊不通透，炉膛内可见明显的火焰舔管现象；③部分炉管表面温度超过设计温度908℃，最高温度达到937℃。通过增加助燃空气量等措施，燃烧状况无明显改善，严重威胁转化炉的安全运行。

表1 燃料天然气组成Table 1 Composition of the fuel natural gases

由表1可知，和田河天然气中的N2和CO2等惰性物质含量远高于柯克亚天然气。

2 原因分析

2.1 燃烧特性计算及分析

通过应用数值模型研究不同燃料的扩散燃烧，计算了燃烧器的速度场和温度场[2]，分析了各种燃料气工况条件下的燃烧特性，结果见表2。

通过研究对比，得出以下结论：①不同燃料气所需理论空气量、火焰传播速度等特性差异较大；②惰性物质的含量增加，直接影响燃烧温度从而影响燃烧速度，使最大的火焰传播速度值向燃料惰性物质含量较小的方向移动[3]；③当燃料的进口速度不同时，燃烧器内的流场分布就会发生变化，而流场的情况决定了燃烧的稳定性，和田河气热值仅相当于柯克亚天然气的83%，在满足工艺条件的热负荷条件下流速变大，导致火焰后移并且远离稳焰板；④和田河天然气的传播速度比设计值下降13.8%，而燃气流速度却增加12%，造成气流速度接近火焰传播速度，火焰长度因此变长，火焰刚性下降，发飘无力，同时排烟热损失大幅增加，热效率下降。

表2 燃料气燃烧特性Table 2 Combustion characteristics of the fuel gases

2.2 圆筒型燃烧器原理及结构分析

2.2.1 原理分析

圆筒型燃烧器结构示意图如图1所示。从图1看出，该燃烧器是一种典型的低NOx燃烧器，采用的是称为“燃料分段”和“烟气再循环”的低NOx燃烧技术[4]。

该燃烧器有一中心火道，助燃空气全部由此供入。火道外设置6只燃气喷头，沿圆周三长三短，间隔、均匀布置在中心火道周围，向火道中以不同的角度喷射燃气，燃气在不同高度位置与空气相遇着火燃烧。火道中心设置一稳焰罩，以防止发生脱火。其中3只位置较短的喷头区域属于“贫燃料区”。另外3只位置较长的喷头区域属于“贫氧区”。这就是所谓“燃料分段”低NOx燃烧技术。

图1 圆筒型燃烧器结构示意图Fig.1 Schematic structure diagram of the cylinder burner

由于6只喷头都处于火道外的烟气环境中，所以燃气高速喷射会卷吸部分相对火焰温度低很多的炉内烟气。烟气的混入稀释了燃气浓度，其结果有两个：一是降低燃烧反应的速度，火焰峰值温度降低；二是混入的烟气也能降低火焰温度。这就是通常采用的“烟气再循环”低NOx燃烧技术。

燃气喷出的动能决定卷吸烟气的流量，动能越大，卷吸烟气的量也越大。更换燃料气后，燃气流量从6751kg/h增加到7308kg/h，导致卷吸烟气量随之增加，和田河天然气的火焰传播速度本身就比柯克亚天然气低一些，更多的烟气混入必将进一步造成燃烧反应速度降低、火焰速度也降低，这一方面延长燃烧过程，火焰加长；另一方面着火点推迟，甚至产生轻微的脱火。

2.2.2 结构分析

这种燃烧器的结构在降低NOx的排放上具有明显效果，但从操作维护上看存在很多不足：①结构上设置有6个喷头，喷孔数量少、直径小，容易造成堵塞，燃气流量分布难以均匀；②喷头处于高温烟气围绕的环境，长期烘烤及开停工的冷热变化容易造成引导管变形、喷头本身烧蚀，这将造成燃气喷射角改变；③燃料气与助燃空气的混合比例偏离最优值，使得燃烧不能在理想高度范围燃尽。由于以上三个原因，火焰形状不规整，在炉膛内飘散甚至舔烧炉管，从而造成温度场不合理，影响传热效率，同时影响炉管和衬里寿命。

3 国产化改造

3.1 改造原理

降低燃烧器NOx排放最主要的措施就是降低燃烧火焰的峰值温度，因为NOx的生成与火焰温度成指数变化关系，火焰温度越高，生成的NOx量成指数增加。因此如何降低反应温度，同时满足燃烧器对操作弹性大、适应性强的操作特性要求，是改造的关键所在。通过研究，在原有的“燃料分段”加“烟气再循环”技术的基础上，提出了“空气分段”加“烟气再循环”低NOx燃烧技术的国产化改造方案，即由“燃气分段”改为“空气分段”方式。同时，将原有“圆筒型燃烧器”改造为新型超低NOx排放设计的“扁平式燃烧器”。具体结构参照图2。

图2 扁平式燃烧器改造示意图Fig.2 Schematic diagram of flat burner modification

3.2 扁平式燃烧器特点

(1)采用分段二次配风结构形式。二次风配入位置在火道出口处，并且分成多股气流分开送入，补充足够燃气完全燃烧所需的空气量。两段燃烧反应都处于偏离其化学当量比，降低反应速度和温度。

(2)采用烟气再循环技术。扁平火焰的周长大，与烟气接触面积大，能够卷吸更多的低温烟气量，稀释氧浓度，降低反应速度，进一步降低火焰温度。

(3)改造施工及检修维护工作量小。新燃烧器的主要结构和安装尺寸与原燃烧器一致，无需改动炉顶板及供风系统即可完成设备升级改造。扁平式燃烧器只有一根燃气引导管，不会发生变形与偏流，配管简单，安装、拆卸与操作维护简单方便。燃烧器耐火砖未使用金属部件，在延长燃烧器使用寿命的同时还可以提供更好的热膨胀性能。

(4)扁平形火焰辐射散热面积大，散热条件更好，有利于降低火焰温度。火焰形状是由燃烧器砖、喷头开孔和燃烧器的空气动力学决定的。扁平形火焰周长较圆形火焰增加20%～30%，使各炉管在水平方向受热均匀，不易舔烧炉管。

(5)可适用于更加宽泛的燃料组分范围。由于卷吸烟气的是火焰气流而不是燃气气流，所以能够适应燃气组分大幅变化。同时，在燃气喷头设置恰当的稳焰结构保证火焰不发生脱火。

(6)燃烧稳定性及刚度较好。采用紧凑集中的火焰形式，火焰湛蓝，火体通透，形状规整、短而有力。燃烧器运行非常稳定，在20%～100%燃料量调节范围内性能可靠。

3.3 扁平式燃烧器操作性能曲线

图3 燃烧器释热量与燃气表力和空气压降关系曲线Fig.3 Heat release vs fuel gas gage pressure and air pressure drop

4 结语

(1)由于燃料组分及低发热值的不同，燃烧器中的温度场和流场也有所不同。可以根据计算结果对燃烧器燃料波动范围提供技术指导，在保证燃烧稳定性和转化炉工作负荷的前提下，提高燃烧效率，降低NOx排放量。

(2)扁平式燃烧器可用于升级改造传统的最初设计配套无分级的燃烧器和预混式燃烧器。

(3)所有喷嘴孔径的设计均须通过精心的工程计算和试验验证，以实现最佳的热通量操作曲线。

(4)燃料气中的氢含量及高碳不饱和物(C4+)含量升高，NOx的浓度提高。主要原因是导致火焰温度的升高，从而产生更多的NOx。采用分段配风燃烧器NOx生成量比标准燃烧器降低30%。

(5)外混式气体燃烧器适用于燃料气中φ(H2)超过70%、燃料气组分持续波动或燃料气中惰性组分较多(φ＞15%)的工况。

(6)燃料与空气的良好混合对火焰稳定至关重要。混合情况影响燃料与空气比、点火温度和燃烧速度。使用非流线型的稳焰器建立局部低紊流区能促进燃料与空气的混合。

[1]张斌全.燃烧理论基础[M].北京：北京航空航天大学出版社,1990.

[2]王应时,范维澄,周力行,等.燃烧过程数值计算[M].北京：科学出版社,1986.

[3]金大祥,蔡隆展,陆磐谷.扁平火焰燃烧器数值模拟[J].石油化工设备,2005,34(1)：20-24.

[4]阮静师.降低管式炉NOx排放量的途径 [J].炼油设计, 1996,26(5)：54-56.

Research and application of hydrocarbon steam reformer’s burners

XU Kai
(Taxinan Fertilizer Factory,PetroChina Tarim Oilfield Company,Zepu 844804,China)

According to the present situation of condition deterioration in the KBR hydrocarbon steam reformer's arch burners, the influences of fuel composition and mixed mode on the combustion characteristics were calculated by numerical simulation,and the key factors such as the form and structure parameters of the burner were studied.On the basis of the original"Staged-Fuel Burners"and"Flue Gas Recirculation"technology,a localized modification plan of"Staged-Air Burners”and"Flue Gas Recirculation"was proposed.The original"Cylinder Type Burner"was transformed into a new type of"Flat Flame Burner for the Design of Ultra Low NOxEmissions".By means of modification,the combustion state could be improved obviously,achieving the purpose of energy-saving and emission reduction.

hydrocarbon steam reformer;flat flame;burner;NOx;localized modification

TQ113.2

：B

：1001-9219(2016）04-73-04

2015-06-25；

：徐凯(1974-)，男，硕士，高级工程师，主要从事天然气化工技术管理工作，电话 0998-7520828，电邮xukai-txn@petrochina.com.cn。