苯乙烯焦油燃烧器的设计与应用

2022-07-27时明伟王亚飞

工业炉 2022年2期

邢科，时明伟，王亚飞

（北京航化节能环保技术有限公司，北京 100176）

苯乙烯是重要的有机化工原料，广泛用于生产塑料、树脂和合成橡胶[1]。在工业生产苯乙烯过程中产生的残渣称之为苯乙烯焦油，其主要成分是苯乙烯聚合物以及成分复杂的苯乙烯衍生物、低聚物等[2]，已被列入《国家危险废物名录》。焚烧法可使苯乙烯焦油中的有毒有害物质在焚烧炉内进行高温燃烧热解变成无害烟气后排入大气。本文以我单位为国内某化工企业所建以苯乙烯焦油为燃料，副产过热蒸汽的焚烧装置为背景，重点介绍分析了苯乙烯焦油燃烧器的设计方案。

1 苯乙烯焦油主要成分

苯乙烯焦油主要由苯乙烯装置中的乙苯单元和苯乙烯精馏单元产生，主要成分见表1。

表1 苯乙烯焦油主要成分

2 燃烧器设计方案

本项目为蒸汽保障工程，产生的过热蒸汽供工注：另需考虑焦油中含有20%质量占比的阻聚剂DNBP工况厂及工业园区利用。当苯乙烯焦油流量不够时，需伴烧天然气以保障蒸汽供应，同时天然气也需作为焚烧炉烘炉和升温的燃料使用，因此燃烧器需能够实现油、气单独燃烧或混烧。本项目基于产生流量为30 t/h 的过热蒸汽（1.5 MPa，220 ℃）进行设计，燃烧器主要性能参数见表2。

表2 燃烧器主要性能参数

燃烧器是为焚烧装置提供热源的核心设备，对于整个系统的安全稳定运行起着至关重要的作用，主要构造如图1所示。天然气分为两路分别供入主燃气枪和次燃气枪。次燃气枪为单根喷枪，设计流量为400 m3/h。主燃气枪设计流量为1 900 m3/h，通过主燃气枪环管分成12支均布的喷枪供入炉内燃烧。长明灯与次燃气枪采用套管式组合结构，作为中心枪布置于燃烧器中间位置，中心枪外圈设置稳焰器。苯乙烯焦油采用过热蒸汽进行雾化，将焦油雾化成雾状微小颗粒后喷入焚烧炉内进行燃烧。苯乙烯焦油路共设置3支焦油枪，单支喷枪设计流量为700 kg/h。 3支焦油枪均布在中心枪外侧，并插入稳焰器内，与助燃风加强混合。燃料燃烧产生的高温烟气通过燃烧道和燃烧室进入焚烧炉炉膛。设置燃烧道和燃烧室有利于减少油火焰根部的散热，耐材蓄积的热量能够提供辐射热源，并且能够约束助燃风，迫使其燃料混合而不致散溢于炉膛中，对着火和稳燃都是很有帮助的[3]。

图1 燃烧器结构示意图

对于燃烧器中的天然气喷枪，市场上技术已很成熟，在此不做过多描述，以下重点介绍苯乙烯焦油雾化喷嘴和燃烧助燃配风的设计。

2.1 苯乙烯焦油雾化喷嘴设计

苯乙烯焦油中重组分成分较多，黏度大，在低温状态下表现为黏稠胶状液体，流动性较差。若喷嘴结构设计不合理，在运行中容易出现结渣堵塞现象，造成焚烧装置频繁停车，导致清理和检修喷枪的人工成本、焚烧炉重启升温的燃料成本以及喷嘴更换备件的设备成本等费用大大增加。在保证雾化效果、使焦油燃烧完全和尾部烟气排放达标的同时，还要优化结构设计，使焦油喷嘴不易堵塞，实现长周期稳定运行。

针对苯乙烯焦油成分复杂、黏度大、热值高的特性，焦油雾化喷嘴主要由液芯、混合器及锁紧外套组成，如图2所示。

图2 苯乙烯焦油雾化喷嘴结构示意图

苯乙烯焦油雾化喷嘴的设计思路和结构形式主要有以下特点：

（1）焦油采用直流式通道，防止焦油流道弯曲和出现台阶，消除堵塞和积碳起始点。

（2）焦油从喷孔喷出后经直通式混合器喷入炉膛内，喷出后油压接近炉膛压力，避免出现焦油滞留区。

（3）液芯头部加工具有一定倾斜角度的导流槽，使雾化气体向着焦油流股运动方向呈螺旋状斜插进来，冲击焦油流股，并以较高的相对流速围绕焦油流股而流动。这样就避免雾化蒸汽冲刷焦油流股时出现小股涡流，并且增加了雾化蒸汽对焦油流股冲击作用的时间和长度，因而也增加了它们相互作用的表面积，增强雾化过程和混合效果。

（4）混合器处设置迷宫结构，雾化蒸汽通过迷宫结构处的多个小孔冲刷流入混合器的焦油流股，使雾化作用比较均匀。高速的雾化蒸汽降压而迅速膨胀，动量很大，焦油流股受到雾化蒸汽的冲刷和脉动作用，破碎焦油使其迅速雾化成细小的油滴。

（5）喷嘴出口采用收缩型式，是为了最大限度地利用雾化蒸汽膨胀所产生的动能，使雾化喷出时具有较高的速度，加强雾化效果。

（6）焦油喷口缩在混合器内，避免受炉膛高温热辐射，可防止焦油裂化而堵塞喷口。

（7）焦油喷嘴雾化角度和雾化直径小，能够适用于较小的炉膛空间，避免雾化油滴喷到炉膛壁面上而造成衬里耐材处腐蚀和结焦。

（8）焦油喷嘴结构简单合理，容易拆装，易于检查，可单独将部分零件作为备件，节省运行成本。

2.2 燃烧助燃配风设计

在保证苯乙烯焦油雾化效果的基础上，配风成为能否组织良好燃烧的关键问题。油雾与空气的混合不像煤气与空气混合的那样容易，凡是有利于气体流股混合的措施都可用到油烧嘴上以强化油雾与空气的混合，例如使空气分两次与油雾相遇等[4]。同时考虑到苯乙烯焦油中含有20%质量占比的阻聚剂DNBP（4，6-二硝基-2-仲丁基苯酚，分子式为C10H12N2O5）工况，该工况的焦油中氮元素质量分数为2.33%。因此根据本项目物料特点和为减少氮氧化物产生，采用助燃风分级燃烧方案。助燃风分为一次风和二次风，分别进入燃烧器和燃烧室。燃料与一次助燃风首先进入燃烧器进行燃烧，产生的高温烟气与燃烧室随之引入的二次风进行强烈混合，使焦油在炉膛内实现完全燃尽。在实际操作过程中，可通过控制一、二次风量分配，最大限度地减少氮氧化物的生成。

二次风是在着火以后才和一次风混合的，一次风着火以后，温度升高，体积膨胀，二次风和一次风的混合就要比着火前困难[5]，因此燃烧器处一次风的结构设计是整个燃烧配风系统中的主要因素。燃烧器出口处采用叶轮式稳焰器，空气通过弯曲倾斜的叶片后形成旋转气流动力场与油雾相遇，使油雾高度分散在空气流中，尤其在低过剩空气工况下，能够加强火焰根部送风，防止焦油因高温缺氧而裂解，易于着火和火焰稳定。通过稳焰器与喉口之间的高速直流风，能够增加火焰沿程的紊流脉动，加强燃烧。另外叶轮稳焰器能够产生适当的高温烟气回流区，使油雾液滴能够连续地蒸发和气化，达到着火温度，实现高效稳定燃烧。叶轮式稳焰器的叶片倾斜角一般在45°～60°范围内，角度过小可能不出现回流区，角度过大则稳焰器阻力过大，将影响助燃风量，回流区的形状和位置也不合适[6]。本项目叶片倾斜角取45°，稳焰器的旋流强度计算值为1.7。

为加强空气与油雾混合，同时减小对火焰阻力影响，二次风分成两圈共计16个通孔切向旋转喷入燃烧室，使气流形成以燃烧室轴线为中心的一个假想切圆。分散的高速空气与油雾呈交角相遇，增强了助燃空气与油雾的混合效果，使焦油燃烧完全，并且在燃烧室耐材表面形成一层温度较低的保护膜，使耐火材料保持在较低的温度下，延长了使用寿命。实际切圆直径与一次风和二次风流量有明显的相关性，受上游一次风射流对二次风切圆射流的偏转作用，假想切圆直径大，则实际切圆直径与假想切圆直径偏差较小，假想切圆直径小，则实际切圆直径与假想切圆直径偏差较大[7]。本项目切圆直径设计取值为800 mm。