用数学模型测算燃料气组成变化对加热炉的影响

徐宝平

(中国石油化工股份有限公司金陵分公司，江苏 南京 255400)

工业加热炉是个耗能大户，其能耗占全国总能耗的1/4，燃烧产生的烟气更是大气严重的污染源[1]。石化企业燃料气的消耗占据企业总能耗和动力费用的60%～70%，是最为关键的节能管理环节。深入分析加热炉燃烧机理、完善操作管理办法是提高加热炉热利用效率、确保长周期运行的基础工作。

1 燃料气加热炉燃烧过程的数学模型的建立和计算

石化企业的燃料气主要来自生产过程中副产的小分子气体，俗称“炼厂气”，主要由甲烷、乙烷、氢气、硫化氢等物质组成。随着生产波动和工艺调整，石化企业燃料气的组成变化幅度比较大。即使是冬季与夏季，石化企业燃料气也有较多不同的组成。

编制本软件是为了精准验算上述不同组成的燃料气所产生的不同后果，从理论上计算出影响程度和预防方法。软件编制的逻辑关系见图1。

为了便于计算，本软件需要将常规气体燃烧的化学方程式变更为如下适合各种气体的通用化学平衡式。

(1)

燃料气中各组分对应上述化学平衡式中的各因子见表1。

表1 燃料气中各组分因子

本软件选择表2的5种燃料气进行计算。

表2 5种燃料气体积分数组成 %

计算结果见表3。

表3 5种燃料气的计算结果

2 计算结果分析

2.1 热值的变化

上述计算表明，当燃料气中甲烷、丙烷含量增加时，质量热值差异在1%～2%之内，而体积热值会增加1.5～3.0倍。

2.2 对供风与燃烧器配风的影响

加热炉在“典型燃料气”、“高甲烷燃料气”、“高丙烷燃料气”的体积热值从34.63 MJ/m3分别提高至45.46 MJ/m3和82.29 MJ/m3，提高幅度分别为131%和238%；而体积需氧量分别为0.23 m3/m3、0.83 m3/m3和2.44 m3/m3，提高幅度分别达到100%、361%和1 061%，表明：

(1)燃料气中甲烷、丙烷的比例增加后，加热炉在既定的输出功率下，供风会增加3～5倍，原有的风机功率或风道流通面积会影响加热炉的正常运行。

(2)石化企业在冬季或应急状况下紧急“补烃”是将富含丙烷、丁烷的液化气组分添加到燃料气系统。这种行为会使加热炉供风不足，燃料燃烧不完全，烟囱冒黑烟。

2.3 对燃烧器功率的影响

已有的燃烧器功率取决于燃料流量和配风流量。针对“典型燃料气”选择的燃烧器，燃料气管道直径、流量或压力控制阀门、喷嘴尺寸等都已经定型，当燃料气组分发生变化时，会出现如下问题。

(1)在“高氢气燃料气”的工况下，由于燃料气密度小，提供既定功率的热量时，需要更大的燃料气流量。原有的燃料气管道直径、流量或压力控制阀门、喷嘴尺寸会限制加热炉功率的输出。

(2)在“高丙烷燃料气”的工况下，由于燃料气密度大，提供既定功率的热量时，只需要较小的燃料气流量。原有的燃料气流量或压力控制阀门、喷嘴尺寸过大，会造成炉膛超温、炉出口温度大幅波动、烟气氧含量高、过剩空气系数高等种种不平稳现象。

(3)石化企业的应急“补烃”会严重扰乱加热炉的平稳操作。

2.4 对火焰温度和氮氧化物的影响

高温有利于氮氧化物生成反应，在高温区的停留时间越长，生成的T—N也越多[2]。燃烧产生的热量最终分布于CO2、H2O、N2等燃烧产物上，燃烧产物越少，火焰温度越高，这就是木柴火焰、煤炭火焰、乙炔+氧气火焰和电弧火焰逐步升高的原因。上述计算结果中的“单位热值排放量”是表示单位发热值下烟气排放数量的多少，数值越小则火焰温度越高，也就越容易产生氮氧化物。

计算结果表明：

(1)火焰温度或氮氧化物产生量从高到低依次排序是：高氢燃料气>典型燃料气>富甲烷燃料气>高甲烷燃料气>高丙烷燃料气。

(2)忽略烟气组成，以高氢燃料气的火焰温度1 250 ℃计算，典型燃料气、富甲烷燃料气、高甲烷燃料气、高丙烷燃料气的火焰温度分别是1 249 ℃、1 110 ℃、968 ℃、622 ℃。

(3)同时也说明，高丙烷燃料气的体积热值高，但是火焰温度低，不适合加热300 ℃以上的工艺物料。

2.5 对加热炉燃烧效率的影响

单位热值排放量不仅能与火焰温度、氮氧化物产生量相关联，也能与加热炉热利用效率相关联。“单位热值排放量”越大，加热炉的烟气排放量也越多，在相同的热负荷和传热效率下，加热炉的热效率也越低。

计算结果表明：

(1)燃烧效率依次是：高氢燃料气>典型燃料气>富甲烷燃料气>高甲烷燃料气>高丙烷燃料气。

(2)忽略烟气组成，以高氢燃料气火焰温度为92%计算，典型燃料气、富甲烷燃料气、高甲烷燃料气、高丙烷燃料气的火焰温度分别是92%、91%、90%和84%。

(3)由此也可以判断，石化企业在冬季或应急状况下紧急“补烃”，不仅会扰乱加热炉的平稳操作，更会大幅降低加热炉的燃烧效率。

2.6 对露点温度和露点腐蚀的影响

烟气露点一般是指烟气的露点温度，其定义是：在保持压力和烟气中水汽含量不变的条件下，使烟气冷却达到饱和时的温度称露点温度。实际上也就是水蒸气与水达到平衡状态的温度。

热电燃煤企业的烟气组成富含粉尘，一般用经验公式来表征气烟气的露点温度。世界上这类经验公式有数十种之多，适用性和差异性在20～80 ℃之间。石化企业燃气加热炉无粉尘，本软件用理想气体性质进行计算，计算结果与现场测得的数据基本吻合。

露点温度计算结果见表4。

表4 燃气加热炉烟气露点温度计算结果

计算结果表明：

(1)燃气加热炉的露点温度普遍低于80 ℃。实际现场加热炉在100 ℃时，会因保温效果差、烟气流动速度不均和冷空气窜入烟气等原因而出现局部结露现象。这种现象并不表明烟气的露点温度在100 ℃，而是工程实施导致的局部温度不均问题，应该通过工程设计和现场施工加以完善。

(2)高丙烷燃料气中碳含量高、氢含量低，使得其烟气中水含量只有典型燃料气的一半，其烟气需要降低到更低的温度下，才能使水蒸气冷凝成液。

(3)计算结果也说明，在较低的压力下，烟气的露点温度也较低，更加有利于低温余热的回收利用。在工程设计时，可以合理放大引烟机的功率，降低空气预热器烟气侧的压力，避免烟气冷凝水的出现和预热器的露点腐蚀。

(4)既使用自产燃料气，又使用外购天然气的石化企业，需要将加热炉分类管理，使用天然气的加热炉可以采用比使用自产燃料气的加热炉更低的排烟温度。

需要补充说明的是，夏季炉用空气水含量高于冬季，根据气象学露点测算，夏季露点温度一般比冬季露点温度提高20 K。

进一步拓展本软件的计算功能，还可以计算出烟气温度低于露点后冷凝液的SO2和CO2含量，由此推测露点的腐蚀情况。

3 结论

通过本软件的编制和计算，详细表征了燃气加热炉燃烧过程的质量、热量和温度变化情况，为精准设计和操作加热炉提供较全面的技术支撑。通过验算表明：

(1)本软件具有化学、热力学和物理相变等过程的计算功能；

(2)软件计算所得的热值、火焰温度、加热炉热效率和露点温度等数据符合工业应用的加热炉现状；

(3)燃料气组成变化会严重影响火焰温度、氮氧化物排放量、加热炉热效率等；

(4)石化企业应该慎重变更燃料气的组成，尤其是向燃料气系统“补烃”时，会严重扰乱加热炉的正常操作，出现烟囱冒黑烟、炉效下降等严重后果；

(5)石化企业应该深入研究烟气露点温度，深入开展加热炉低温烟气的充分利用。