硫磺回收装置、低氮燃烧器-洛阳新普
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稀相预混低NOx燃烧器发展历程

发布时间:2020-06-18作者:点击:1601

   起初做的是纯加热型的工艺加热炉,如常减压炉的油气联合燃烧器。90年代初,中石化“大化肥国产化项目”,开始做那些难度较大化工反应炉用的燃烧器,如合成氨的一段炉侧壁无焰燃烧器、甲醇转化炉顶部燃烧器、乙烯裂解炉燃烧器等。

  到目前为止,燃烧器已经在国内石油化工、天然气化工以及煤化工系统的几十家大、中型企业获得应用,装置包括常减压、催化裂化、重整、焦化、加氢、制氢、芳烃、苯乙烯、甲醇、合成氨、硫磺回收等等。

  即使对待相同的装置,也要根据每个特定装置不同的工艺条件和工艺参数,有针对性地做出技术方案,使燃烧器与装置工艺相匹配,以达到***的技术性能。比如低压酸性气燃烧器,国内某知名厂商就曾套用先前设计方案造成设计失误,装置处理量达不到,造成严重后果。


   现在低NOx燃烧器已经不是什么新鲜的东西,大家基本都有了解。今天我谈的是我们在这方面做的工作和理解。
  减少NOx排放的方法有很多,从燃料预处理、中间燃烧控制到烟气处理,归结起来有四类:其一,燃料预处理,如更换含氮量低的燃料、燃料脱氮、纯氧燃烧、加入添加剂等;其二,改变加热工艺,比如电加热、改进工艺-完善设备以提高加热效率、降低运行负荷以降低总排放量;其三,燃烧设备改进,典型的就是选用低NOx燃烧器;其四,烟气处理,即利用还原介质如CO、CH4或NH3等,将NO转化为N2和O2。
  我们做的就是中间这块儿,利用燃烧器减少NOx的生成量。比较而言,燃烧设备改进在这四类方法中简单、经济、快捷,因此,无论新建装置还是旧装置改造大多采用燃烧设备改进一类方法。但是,有时候仅仅改进燃烧器未必能满足排放要求,这就不得不进行烟气脱硝处理。

目前燃烧器所采取的主要的措施就是降低燃烧火焰的峰值温度,实践也证明这确是一项很可靠的措施。

  国外的研究表明: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量成指数关系增加,参见下图:

640.png

       图中横坐标表示火焰温度,纵坐标表示产生的NOx量,随着火焰温度升高,生成的NOx量成指数倍增加:当火焰温度达到1200℃(2200 F)时开始产生NOx,到1300~1400℃(2400~2600 F)后开始急剧增加。所以,目前低NOx燃烧器设计当中采取的主要的技术措施就是降低火焰温度。

      为达到降低火焰峰值温度的目的,目前的技术手段包括:

(1) 降低助燃空气温度,这样可能会提高排烟温度,牺牲部分热效率。

(2) 降低燃烧过剩空气量,减少N2与O2反应生成NOx的机会,但操作不精细也有可能会造成不完全燃烧,增加燃料消耗。

(3) 蒸汽降温,即直接向火焰内部喷液态水或水蒸气,其较低的温度和较大的比热容可以吸收部分热量,降低火焰温度,减少NOx生成,但显然,这一手段将增加额外的能耗并降低装置效率。

(4) 降低加热炉运行负荷,相应的也能降低火焰温度,但这也是不经济的。

这些手段都有这样那样的弊端,一般都不会采用。更多的是从燃烧器改造入手给予解决。

单纯从燃烧器设计上讲,目前比较常用的、比较成熟的技术有:

(5) 分段(级)燃烧技术:包括燃料分段燃烧和空气分段燃烧,使燃料与空气的燃烧反应处于远离其化学当量比的状态,降低火焰温度,是目前大多数低NOx燃烧器采用的技术。

(6) 烟气再循环,通过外部机构(外部再循环)或利用流体内部机制(内部再循环)将相对低温的炉内烟气引入火焰,降低火焰温度,也为许多低NOx燃烧设备采用。

(7) 稀相预混燃烧技术,就是将前述分段燃烧中的一段燃烧设计成预混形式,而在混合气体中的配入大量的过剩空气,燃料浓度稀薄,所以称为“稀相”,当然,这种稀相仍处于可燃烧的区间。


      这些技术可以单独使用,也可以组合起来使用,组合使用的效果更好一些。

1. 低NOx燃烧器原理

1.1 圆形火焰燃烧器燃气分段、烟气再循环原理

我们来看一个比较典型的例子,是目前使用比较普遍的燃气分段、烟气再循环形式的燃烧器。

图片1.png

1.2 扁平直立火焰燃烧器燃气分段、烟气再循环原理
  1) 分段燃烧的原理是这样的:一次燃气从火盆短边两端的喷头喷出,通过火盆壁上的侧向开孔将燃气水平喷射进入火盆中,在火盆中遇空气着火燃烧,这是一段燃烧。这个区域属于“贫燃料区”,也就是少量燃气混入大量的空气中。火盆两个长边对称布置多个燃气喷头,沿火盆外缘的斜面斜向炉墙方向喷出燃气,在火盆出口与空气相遇混合燃烧,为二段燃烧。由于一段燃气燃烧产生的烟气也混入到空气当中,降低了空气中的氧浓度,所以二段燃烧区域属于“贫氧区”。这样一来,所有的燃料燃烧都远离了化学当量比,也就降低了火焰燃烧速度和温度,这就是所谓“分段燃烧”技术。
  2) 烟气再循环的原理是这样的:传统燃烧器一般都把燃气喷头设置在火盆的中央,燃气从喷头喷出后就与空气相遇,并着火燃烧。而低NOx燃烧器的每只喷头都处于火盆外的烟气环境中,所以燃气从喷头高速喷出后首先与炉内的烟气相遇,将一部分相对火焰温度要低很多的炉内烟气卷吸进燃气中。烟气的混入稀释了燃气浓度,产生两个结果:一是降低燃烧反应的速度,使火焰峰值温度降低;二是混入的烟气吸热也能降低火焰温度。这就是所谓的“烟气内部再循环”技术。

1.3 扁平附墙火焰燃烧器燃气分段、烟气再循环原理

 1) 分段燃烧的原理是这样的:一次燃气从火盆短边两端的喷头喷出,通过火盆壁上的侧向开孔将燃气水平喷射进入火盆中,在火盆中遇空气着火燃烧,这是一段燃烧。这个区域属于“贫燃料区”,也就是少量燃气混入大量的空气中。相对炉墙的火盆长边布置多个燃气喷头,沿火盆外缘的斜面斜向炉墙方向喷出燃气,在火盆出口与空气相遇混合燃烧,为二段燃烧。由于一段燃气燃烧产生的烟气也混入到空气当中,降低了空气中的氧浓度,所以二段燃烧区域属于“贫氧区”。这样一来,所有的燃料燃烧都远离了化学当量比,也就降低了火焰燃烧速度和温度,这就是所谓“分段燃烧”技术。
  2) 烟气再循环的原理是这样的:传统燃烧器一般都把燃气喷头设置在火盆的中央,燃气从喷头喷出后就与空气相遇,并着火燃烧。而低NOx燃烧器的每只喷头都处于火盆外的烟气环境中,所以燃气从喷头高速喷出后首先与炉内的烟气相遇,将一部分相对火焰温度要低很多的炉内烟气卷吸进燃气中。烟气的混入稀释了燃气浓度,产生两个结果:一是降低燃烧反应的速度,使火焰峰值温度降低;二是混入的烟气吸热也能降低火焰温度。这就是所谓的“烟气内部再循环”技术。
  循环烟气量对降低NOx的作用,图中横坐标表示烟气量与空气量的比,纵坐标表示NOx的生成量。目前用的很多,我们公司有各种产品在用:圆形火焰、扁平火焰和附墙火焰。

3. 稀相预混低氮燃烧器

      进一步降低NOx排放,可采用“稀相预混燃烧”技术,这是近些年国外新开发出的一项低NOx燃烧器技术。就是将前述分段燃烧中的一段燃烧设计成预混形式,在混合气体中的配入大量的过剩空气,燃料浓度稀薄,所以称为“稀相”,当然,这种稀相仍处于可燃烧的区间。这时由于多余的空气吸收了部分燃烧释放的热量,使得火焰温度降到很低,生成的NOx量比扩散燃烧更少。与前面一段燃烧不同的是,预混燃烧是在整个火焰体积内进行的,不像扩散燃烧是在燃料与空气接触面上进行的,因此火焰温度分布更均匀,也更低,不会产生扩散火焰峰面上的局部高温区。

预混燃烧和扩散燃烧生成NOx量的对比。

   竖直蓝线位置是化学当量燃烧区域,此处的过剩空气系数为1,右侧过剩空气系数不足1的区域是欠氧燃烧,此区域内两种燃烧形式产生的NOx相差不大,预混燃烧略低。而当助燃空气超出化学当量比,也就是过氧燃烧时,预混燃烧产生的NOx急剧降低,而扩散燃烧产生的NOx继续上升,工业燃烧器大部分都运行在这个区间。

当然,稀相预混燃烧多出的空气部分在后续过程中用来作为二段燃料的助燃空气使用,整体的过剩空气系数仍处于合理的范围

  采用这种技术的燃烧器NOx排放可低于50mg/Nm3。

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   图中横坐标为空气与燃气比,纵坐标为NOx生成量。粉色曲线指外混式(扩散)燃烧火焰的NOx生成曲线,绿色曲线指预混式燃烧火焰的NOx生成曲线。

  这就产生了减少NOx排放效果和燃烧稳定之间的矛盾:从降低NOx生成的角度看,混入的烟气量越多越好,这样火焰温度会降得更低,但脱火的风险也加大;反过来,为了保证燃烧稳定,希望混入的烟气量越少越好,但NOx会产生更多。要找到两者之间的平衡点就是这类燃烧器设计的关键,与燃料气的组成、压力、温度,以及使用加热炉炉膛的温度等等都有关系。即使同样的燃烧器,NOx排放量还与加热炉的炉温有关,炉温越高,NOx排放量会随之增大。
  对于稀相预混低氮燃烧器技术,不仅有脱火的问题,还有回火问题。所以,这种燃烧器的设计比传统的燃烧器要难很多。经过多年的理论分析、设计改进,洛阳新普石化的研发团队终于成功研发出了适合我国的低氮燃烧器,优势在于有一些明显的技术特点,在有一定难度、技术条件特殊的燃烧器的设计方面才能够显现出的竞争力。并成功应用于炼油化工领域。实测数据表明:采用该燃烧器,装置的氮氧化物排放降到了国际先进水平。


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