管式加热炉烟气回流掺氧富氧燃烧技术研究

廖昌建 张园 王海波

摘      要：为实现加热炉节能增效，研究了烟气回流掺氧助燃技术对2#管式加热炉燃烧特性的影响。采用烟气回流掺氧助燃技术，可提高加热炉燃气理论燃烧温度、降低NO排放浓度、减少排烟热损失、提高加热炉热效率。在富氧空气预热温度为155 ℃、排烟温度为120 ℃的条件下，烟气回流掺氧助燃技术可使2#管式加热炉热效率提高2.09%～4.09%。当掺氧浓度为24%、排烟体积回流比为32.57%时，燃气理论燃烧温度下NO生成速率为1.26 mg·（m3·s）-1，排煙热损失减少1 583.70 kJ/（1 Nm3燃气），2#管式加热炉热效率提高3.48%。

关  键  词：管式加热炉; 烟气回流; 富氧燃烧; NO; 热效率

中图分类号：TQ 052       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）01-0060-04

Abstract： In order to improve the efficiency and save energy of tube furnace， the influence of oxygen-enriched combustion technology with flue gas recirculation on combustion characteristics of 2# tube furnace was studied. The research showed that the oxygen-enriched combustion technology with flue gas recirculation could improve the theoretical combustion temperature of furnace， reduce the concentration of NO emission， reduce the heat loss of flue gas， and improve heat efficiency of furnace. The heat efficiency of the 2# tube furnace was increased by 2.09%～4.09% after using oxygen-enriched combustion technology with flue gas recirculation， under the condition that oxygen enriched air preheating temperature was 155 ℃ and the flue gas emission temperature was 120 ℃. When the oxygen concentration was 24% and the volume reflux ratio of flue gas was 32.57%， the formation rate of NO was 1.26 mg·（m3·s）-1， the heat loss of flue gas was reduced by 1 583.70 kJ/（1 Nm3gas）， and the thermal efficiency of 2# tube heating furnace was increased by 3.48%.

Key words： Tube furnace; Flue gas recirculation; Oxygen-enriched combustion; NO; Thermal efficiency

炼化企业工艺加热炉是企业能量消耗的主要设备之一，提高加热炉能效，降低污染物排放，满足企业节能减排要求，对提高企业经济效益和社会效益具有重要意义[1]。目前，炼化企业通过控制燃气加热炉排烟中氧气浓度，降低空气过剩系数、预热助燃空气等措施，使得工艺加热炉能效可高达90%～92%;通过采用低氮燃烧技术可使烟气中NOX浓度达标排放。为了满足生产需求，实现进一步节能和扩能，采用富氧燃烧技术可提高加热炉燃烧性能。富氧燃烧技术在钢铁行业、水泥行业及玻璃加工行业应用较广泛，在石化克劳斯工艺制硫磺焚烧炉等已有应用[2]。沧州石化硫回收装置采用28%富氧燃烧，提高了装置处理能力20%～25%[3]。

富氧燃烧技术可降低燃料的燃点，加速燃烧、使燃料燃烧完全、提高火焰温度、减少排烟量、提高热效率等，提高排烟中CO2的浓度，有利于CO2捕集。Favre 等理论研究表明氧摩尔分数40%～60%的富氧燃烧与常规燃烧相比，可节约35%左右的燃烧后CO2捕获能耗[4，5]。在局部富氧燃烧过程中，随着富氧浓度增加，烟气中NOX的浓度增高，这限制了局部富氧燃烧技术的应用[6，7]。为了降低局部富氧燃烧NOX的生成，目前学者主要从富氧低氮燃烧器和烟气循环等工艺措施方面进行研究。

本文以某炼厂2#管式加热炉为研究对象，在分析富氧空气助燃特性的基础上，研究烟气回流掺氧富氧燃烧技术对该加热炉燃烧性能的影响。

1  2#管式加热炉运行概况

2#管式加热炉为原料预加氢加热炉，以天然气为燃料，天然气性质见表1，加热炉空气助燃，空气与排放烟气换热至155 ℃进空气分级低氮燃烧器助燃。排烟中氧气浓度为2～3%，排烟温度约120℃，炉效到达91%～92.5%，烟气中NOx实测浓度小于53 mg/m3。

2  富氧燃烧流程

采用膜法空气富氧，使空气富氧浓度达到35%。烟气回流与富氧35%的气体掺混，形成不同浓度的助燃风，助燃风富氧浓度与烟气回流比例见表2，助燃风富氧浓度越高，烟气回流比越低。加热炉烟气回流掺氧助燃工艺流程见图1，富氧助燃工况见表3，表中工况1、工况2为富氧空气助燃无烟气回流，工况2为在役2#管式加热炉的实际运行工况，工况3～工况8为烟气回流掺氧助燃。

3  烟气回流掺氧助燃特性研究

3.1  富氧空气与排烟实际体积计算

在监控加热炉燃烧过程中，控制烟气中氧气浓度一定的情况下，富氧燃烧的空气过剩系数将随助燃风氧气浓度的增加而减小[8]。取2#管式加热炉排烟中的氧气含量为3%，通过式（1）、式（2）可反算确定助燃空气实际体积和烟气实际排放体积。由式（1）、式（2）可知，随着助燃空气中的氧气浓度增加，助燃风实际体积Va减少，排烟体积Vf减少，排放烟气热损失减少。薛杉等研究了天然气富氧燃烧过程，助燃风富氧浓度每提高2%，1 Nm3燃气燃烧后烟气体积可减少0.35～1.5 Nm3烟气[10]。

3.2  理论燃烧温度

燃气与助燃风进入加热炉内燃烧，带入炉内的热量包括物理热和燃气燃烧热，物理热包括燃气、助燃风和循环烟气带入的热量。燃气燃烧的理论温度可由式（3）计算。烟气中各组分的比热可由表4中表达式计算得到。

在表2工况条件下，采用式（3）可计算得到各个工况下理论燃烧温度，理论燃烧温度随富氧浓度的变化结果见图2。随着助燃风氧气浓度、富氧空气预热温度的增加，燃气理论燃烧温度升高。当助燃风氧气浓度增加时，排烟中CO2、H2O的体积分数增大，因CO2和H2O的比热大于N2比热，使得燃气理论燃烧温度升高的速率随富氧空气预热温度的升高而变小。

烟气回流可降低理论燃烧温度，当助燃风氧气浓度为21%、烟气回流比为41.09%时，工况3的理论燃烧温度比工况1降低了102.8 ℃。随着助燃风氧气浓度、烟气回流比减小，在相同助燃风富氧浓度和预热温度条件下，由于热烟气回流比降低，使得烟气回流掺氧助燃的理论燃烧温度温升速率，大于无烟气回流的富氧空气助燃理论燃烧温度温升速率。

3.3  NOX排放浓度

燃气燃烧过程中产生的NOX主要是热力型和快速型NOX，但快速型NOX浓度比热力型NOX浓度低很多，当燃烧时空气过剩系数大于1时，快速型NOX基本不生成[11]。生成的热力型NOX中95%以上的浓度为NO[10]。式（4）是热力型NO捷里多维奇生成机理表达式，影响NO生成浓度的主要因素是燃烧温度、N2浓度、O2浓度及气体高温区停留时间[12]。

王复越采用流体计算软件Fluent对煤气燃烧进行建模，分析了富氧浓度21%～30%的富氧空气助燃和烟气回流掺氧燃烧过程炉内温度、流场分布及NO排放情况，随着富氧浓度的增加，炉内温度提高，NO排放浓度也增加，烟气回流可使NO排放浓度降低[8]。陈明辉对某燃气锅炉富氧燃烧炉膛内气体的停留时间进行了数学建模分析，气体在炉膛的停留时间与富氧浓度、烟气量及炉内温度密切相关，富氧浓度由21%增至30%，分析结果表明烟气在炉膛内的停留时间由5 s增加至6.5 s[9]。赵然研究了高浓度CO2气氛下NO释放及火焰特性的动力学，高浓度CO2气氛有利于NO的还原，减少NO的排放[13]。在高浓度CO2气氛下，比空气燃烧时OH自由基更多，CO2可热解为CO，在还原性气氛下，增加了NO还原成N2的几率[14]。为了简化计算NO生成速率，计算NO生成速率时，笔者未考虑烟气回流对NO还原的影响。

理论燃烧温度下的热力型NO生成速率随富氧浓度变化的曲线如图3。随着助燃风富氧浓度的增加，NO的生成速率快速增加;在助燃风相同氧浓度条件下，烟气回流降低了助燃风中N2浓度，增加了CO2浓度，由式（4）可知，N2浓度降低可减少NO的生成速率，但随着助燃风氧浓度提高，理论燃烧温度增加使烟气回流掺氧工况下NO的生成速率成指数增长。由图3可知，工况2（2#管式加热炉目前运行工况）助燃风21%氧浓度的NO生成速率为1.17 mg·（m3·s）-1，该结果与刘波等采用CFD模拟研究管式加热炉空气分级燃烧器NO生成速率一致[15]。在助燃风富氧浓度24%、烟气回流32.57%时，工况8理论燃烧温度下的NO生成速率为1.26 mg·（m3·s）-1，相比工况2，助燃风24%氧浓度的NO生成速率降低了68.52%。

因此，2#管式加热炉在仅采用烟气回流措施来降低NO排放时，为满足烟气NO排放要求，烟气回流掺氧助燃工况8的氧浓度不宜高于24%。当烟气回流掺氧助燃风预热温度降低时，助燃风富氧操作氧气浓度可适当提高。

3.4  加热炉热效率

加热炉的热效率与炉子的燃烧状态、排烟热损失及炉体散热损失等有关，排烟热损失率可由式（5）计算。富氧空气被烟气预热到155 ℃，排烟温度为120 ℃时，排烟热损失率与助燃风富氧浓度的关系见图4。在富氧空气助燃工况2条件下，富氧浓度由21%增至33%时，排烟体积减小36.78%%，排烟热损失由7.43%降低至6.07%，加热炉热效率可提高1.36%;在助燃风氧浓度24%时，富氧空气助燃可减少排烟热损失244.89 kJ/（1 Nm3燃气），提高加热炉热效率0.6%。在烟气回流掺氧工况8条件下，富氧浓度由21%增至33%时，排烟体积仅减少约2%，但烟气中CO2、水的体积分数增加，使得排烟的热损失由3.34%增加至4.50%。烟气回流掺氧助燃与2#管式加热炉目前运行工况相比，炉效可提高2.09%～4.09%;烟气回流掺氧浓度24%时，可减少排烟热损失1583.70 kJ/（1 Nm3燃气），提高2#管式加热炉炉效3.48%。

4  结 论

（1）富氧助燃技术可减少助燃风实际体积和排烟体积，提高理论燃烧温度。随着预热空气温度的提高，助燃風富氧浓度对加热炉理论燃烧温度的影响将减小。

（2）通过采用烟气回流掺氧助燃技术，可降低NO排放浓度;降低富氧空气预热温度可提高助燃风富氧浓度操作范围。当助燃风富氧浓度24%、富氧空气预热温度155 ℃、排烟温度120 ℃、排烟回流比为32.57%时，燃气理论燃烧温度下NO生成速率为1.26 mg·（m3·s）-1。

（3）烟气回流掺氧技术可以减少排烟热损失、提高加热炉热效率。如2#管式加热炉采用烟气回流掺氧助燃技术，在富氧空气预热温度155 ℃、排烟温度120 ℃条件下，其炉效可提高2.09%～4.09%;当烟气回流比为32.57%、掺氧浓度24%时，排烟热损失可减少1583.70 kJ/（1 Nm3燃气），2#管式加热炉炉效可提高3.48%。

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