大型裂解爐用底部燃燒器的國產化研發

李金科，徐紅兵，劉韞硯，張 建

（天華化工機械及自動化研究設計院，甘肅 蘭州 730060）

大型裂解爐用底部燃燒器的國產化研發

李金科，徐紅兵，劉韞硯，張 建

（天華化工機械及自動化研究設計院，甘肅 蘭州 730060）

針對大型裂解爐用底部燃燒器對火焰形狀、火焰剛性、熱通量分布和NOx排放的要求，利用燃料分級原理，結合噴嘴和配風方面的研究確定了燃燒器的結構型式；通過多方案流體動力學模擬計算對燃燒器的結構進行改進，同時通過熱態試驗驗證了燃燒器的污染物排放、熱通量分布等性能，最終開發出具有自主知識產權的大型裂解爐用底部燃燒器。在1 Mt/a乙烯裝置裂解爐的工業應用結果表明，裂解爐內燃燒完全，火焰扁平剛直，運行55 d時管壁最高溫度為1 044 ℃，NOx排放量為127 mg/m3（標準狀態），燃燒器的性能完全滿足裂解爐的工藝要求及環保要求。

氮氧化物；底部燃燒器；流體動力學模擬；乙烯裂解爐

乙烯是重要的石化原料，乙烯裝置是石化行業的“龍頭”裝置。乙烯裝置的核心是裂解爐，燃燒器是裂解爐的重要組成部分，裂解爐所需的熱量是通過燃料在燃燒器中燃燒獲得的。燃燒器的型式、性能和配置均影響裂解爐的性能，直接關系到裂解爐能否長周期安全穩定運轉。隨著裂解爐的大型化及環保要求的日益提高，對燃燒器提出了更高的要求，如火焰長度、火焰形狀、爐內熱通量分布和NOx排放等［1］。大型裂解爐用底部燃燒器技術長期被國外專利技術壟斷，大能力的底部燃燒器嚴重依賴進口，投資較大。研發具有自主知識產權的燃燒器，可以實現大型乙烯裝置燃燒器的國產化，對加強我國石化市場的競爭力極為有利，能顯著提高經濟效益和社會效益。

本工作通過對燃燒器結構型式的理論研究，結合數值模擬技術和熱態試驗完成了大型裂解爐用底部燃燒器的國產化研發，并給出了工業運行數據。

1 結構型式

考慮到裂解爐的燃料來源、工藝要求和爐型特點，裂解爐用燃燒器的主要設計原則［2］為：（1）燃燒器與燃料特點相適應，即設計時需要考慮燃料的來源、性能及操作參數，并在規定的熱負荷條件下保證燃料完全燃燒；（2）滿足裂解爐的工藝要求，燃燒器的能力要滿足裂解爐的熱負荷要求，具有一定的調節比，燃燒過程穩定，火焰不舔爐管、不翻卷、不交叉，爐膛熱分布均勻，確保爐管不致局部過熱；（3）燃燒器與裂解爐爐型相匹配，燃燒器及其布置以及燃燒火焰的方向、外形、剛性和鋪展性符合裂解爐爐型要求；（4）燃燒器應滿足節約能源的要求，在盡可能少的過剩空氣量下達到完全燃燒，即實現低氧燃燒。為了滿足環境保護方面的要求，需要采用低NOx燃燒技術和使用低NOx燃燒器。

對于大型裂解爐用底部燃燒器，除了滿足裂解爐熱負荷需要，對火焰的形狀和剛性以及NOx排放等燃燒性能也有更高的要求。

1.1 火焰形狀和剛性的控制

裂解爐爐管一般是單排、錯排或雙排布置，管排兩側為輻射墻，為了有利于管排傳熱和安全，裂解爐用燃燒器布置在輻射段爐管兩側，通常要求底部燃燒器提供扁平扇形的火焰。大型裂解爐的底部供熱比例一般在70%～100%，應采用大能力、長火焰的燃燒器，以便形成良好的熱通量分布，同時必須解決好助燃空氣和燃料的混合問題，否則易引起火焰發飄等問題。

火焰長度的調整一般是在燃料種類、燃料量以及過剩空氣系數不變的前提下進行的。根據已有經驗，可以通過以下方法進行火焰尺寸的調整：

（1）噴嘴方面：對于燃氣燃燒器，多孔噴頭噴射的燃料比單孔噴頭噴射的燃料形成的火焰短；噴嘴噴孔與垂直方向的夾角越小，火焰越長［3］；燃料分級后與助燃空氣混合燃燒形成的火焰較長。

（2）配風方面：助燃空氣直流時比旋流時形成的火焰長；過剩空氣系數越小，火焰越長；采用擴散式燃燒有助于增加火焰長度；助燃空氣分級后與燃料混合燃燒所形成的火焰較長；助燃空氣和燃料都分級燃燒所形成的火焰更長，分級燃燒應特別注意空氣和燃料的混合問題，混合不好會影響火焰剛性，造成火焰發飄，甚至舔爐管。

1.2 低NOx燃燒技術的選擇

低NOx燃燒技術的應用對底部燃燒器的結構型式有重大影響。為了降低NOx排放量，可以改進燃料和空氣的進入方式，以延遲混合、降低O2的有效性和火焰峰值溫度［4］。氣體燃料燃燒生成的NOx以熱力型NOx為主，影響其排放量的主要是H2和C3～4烴。

降低NOx排放量的基本方法是分段燃燒和冷卻火焰，按NOx控制方法的不同，低NOx燃燒器主要分為3類，即分級空氣燃燒器、分級燃料燃燒器和煙氣再循環燃燒器。

早期的低NOx燃燒器是利用分級空氣的辦法來降低NOx生成量的［5］。現在大多數燃燒器是通過在不同的位置布置多個燃料氣噴頭，利用分級燃料或爐內煙氣再循環或兩者并用的方法來降低NOx生成量。NOx控制技術的選擇依賴于燃料的組成、燃燒器的型式和操作因素。NOx控制技術的效果不具有加和性，但具有可乘性。相同原理的NOx控制技術組合并不會使NOx排放量降低更多。

實際上所有的NOx控制技術對燃燒器的性能和操作都可能產生不利影響。因此在選擇應用NOx控制技術之前，要根據其潛在的影響，對燃燒器熱態試驗期間獲得的操作數據仔細評估，確認每一種潛在影響的操作限制，如火焰形狀、爐子負壓和引風機能力等。

本工作采用燃料分級的方法降低NOx排放量。燃料氣通過兩級注入爐膛燃燒區，助燃空氣一次注入，建立了貧燃燒區并延長了燃燒的時間，從而獲得了較低的NOx排放量和較長的火焰。

1.3 結構設計

大型裂解爐用底部燃燒器的結構設計依托某1 Mt/a乙烯裝置BA-103裂解爐設計，是一種長火焰、低NOx排放的氣體燃燒器，結構見圖1。

圖1 大型裂解爐用底部燃燒器的結構Fig.1 Structure of a hearth burner for large-scale ethylene cracking furnaces.

燒嘴磚置于爐子底部，內部空心處為空氣流道，在其入口段是一個橫截面積不變的平直流道，出口段的橫截面積逐漸變小形成空氣收縮流道，以形成扁平火焰。經過多方案比較，燃燒器采用6個燃料噴頭，其中2個一級燃料噴頭、4個二級燃料噴頭，二級燃料占燃料總量的60%。燃料噴頭的布置見圖2。

圖2 燃料噴頭的布置Fig.2 Arrangement of the hearth burner tips.

燃料噴頭的布置確定后，采用計算流體動力學（CFD）模擬技術分析助燃空氣和分級燃料的混合問題，確定燒嘴磚空氣流道的設計，并確定一級燃料和二級燃料噴孔的數量、布置和方位，從而獲得令人滿意的火焰形狀和熱通量分布。

以往燃燒器的設計主要采用半經驗設計，依據燃燒器能力、燃料組成、壓力和溫度，通過公式計算得到噴孔直徑，根據所需的火焰形狀布置噴孔及空氣流道，得到燃燒器的結構尺寸；再通過燃燒器在裂解爐中的實際運行情況和熱性能測試，經多次改進后才能開發出滿足裂解爐要求的燃燒器，開發周期較長且很不經濟。現在，結合CFD模擬和燃燒器熱態試驗進行燃燒器的結構設計與改進，大大縮短了燃燒器的開發周期［1］。

2 CFD模擬

對燃燒器進行CFD模擬可以預測燃燒器的燃燒情況（如火焰形狀、溫度分布和熱通量分布等），提早發現可能存在的問題（如空氣分配不合理、火焰舔爐管、火焰翻卷交叉和局部熱通量過高等），通過改變計算模型的幾何尺寸（如噴頭噴孔角度、直徑和數量等）進行多方案比較，從而得到最優結果。CFD模擬過程分為前處理、迭代計算和后處理3個階段［6］。

2.1 前處理

對裂解爐內的流體流道建立幾何模型，并采用ICEM CFD軟件對幾何模型進行網格劃分。由于裂解爐爐膛本身具有對稱性，為了節省資源，并對重要的部分加強網格，可將對爐膛內的模擬簡化為2個底部燃燒器和4個側壁燃燒器聯合供熱的情況。

幾何建模時完全參照了裂解爐和燃燒器的實際尺寸，對局部結構進行了簡化，忽略了長明燈等不影響模擬結果的結構。

底部燃燒器和側壁燃燒器各自自成體系，且與爐膛尺寸相差很大，因此在選擇網格類型時應選擇混合型網格，即主體部分采用六面體網格、局部過渡區域采用四面體網格和五面體網格。對燃燒器一級燃料噴頭和二級燃料噴頭處的網格進行了加密處理，保證了燃料氣噴射角度和噴孔直徑的精確性。網格單元總計1 344 453個。圖3為底部燃燒器的網格劃分情況。

圖3 底部燃燒器的網格劃分Fig.3 Mesh of the hearth burner.

在CFX軟件中進行計算條件的設置，底部燃燒器采用甲烷和空氣非預混流動燃燒計算、同時考慮氫氣與空氣的反應，計算采用k-ε紊流模型、Methane Air WD2和Hydrogen Air反應模型、Finite Rate Chemistry and Eddy Dissipation燃燒模型以及離散傳播輻射模型。

2.2 迭代計算

迭代計算由高性能計算機完成，在計算過程中需設置相應的計算方法和計算步長，觀察計算曲線的走勢，調整參數使計算收斂［7］。本次模擬時間步長的控制采用了Physical Timescale方法，步長值在計算過程中根據收斂情況逐步調節，最終將大部分變量的殘差值控制在1.0×10-4以下。

2.3 后處理

利用CFX軟件的后處理功能，通過建立等值面、云圖和流線等方法觀察爐膛內的火焰形狀、煙氣流動和溫度分布情況等。底部燃燒器高速噴射出的燃料與從燃燒器中心進入的助燃空氣混合燃燒，在靠近燃燒器的壁面附近形成一個平行于爐管壁面的高溫區域。這樣一方面可使高溫煙氣不流經爐管，避免將爐管燒壞；另一方面有利于高溫區域向爐管輻射熱量。取CO摩爾分數的等值面表示火焰形狀，并以溫度著色，得到的火焰形狀見圖4。爐膛內的溫度分布見圖5。

圖4 火焰形狀Fig.4 Flame shape.

圖5 爐膛內的溫度分布Fig.5 Temperature distribution in the furnace.

底部燃燒器中燃料高速噴出，在爐膛內形成了一個大的回流區，使爐膛內的煙氣不斷循環，回流的煙氣與燃燒新生成的煙氣相混合有利于降低火焰區域的溫度，同時也降低了NOx的排放量。

爐管主要依靠輻射傳熱的方式吸收熱量，爐管面處的熱通量分布能夠反映出爐膛內燃燒器的整體加熱效果，合理的熱通量分布有利于延長裂解爐的操作周期和爐管的使用壽命［8］。在靠近爐管面處取熱通量值，做出熱通量隨爐膛高度的變化情況（如圖6所示）。由圖6可看出，靠近爐管面附近時，熱通量分布合理，燃燒器輻射加熱爐管的效果良好。

圖6 熱通量曲線Fig.6 Heat flux curve.

3 熱態試驗

通過熱態試驗可以驗證燃燒器的性能，了解燃燒器的燃燒質量、風門調節性能和調節比，測量各種污染排放（CO、NOx和噪音）數據，得到驗證CFD模擬所需的參數，并獲取熱通量曲線。

3.1 熱態試驗爐

熱態試驗爐為箱式爐，裝有排出煙氣的煙囪。熱態試驗爐燃燒室的高度與實際裝置相同，內部凈尺寸為：長2.82 m、寬1.98 m、高13.7 m。試驗爐被貫穿其上下的多根循環水管冷卻，試驗爐和循環水管的保溫是均勻的。取樣口在豎直方向上的間距為600 mm，取樣口的設置從爐底附近開始直到距離爐底11.9 m處；取樣口在水平方向上正對著燃燒器的中心線或兩燃燒器的中心線之間。熱態試驗爐安裝有觀火門，測試時能夠觀察燒嘴磚以及底部燃燒器和側壁燃燒器的完整火焰形狀。

3.2 燃燒器性能測試

燃燒器測試包括單個底部燃燒器測試、底部和側壁的多燃燒器組合測試。多燃燒器組合測試為2個底部燃燒器和4個側壁燃燒器的測試，測試燃料為天然氣。燃燒器布置與實際裝置完全相同，底部和側壁供熱比例為7∶3。經過多次燃燒器性能測試并結合CFD模擬結果，對一級和二級燃料噴孔的直徑、數量和角度多次調整后，最終得到正常能力下多燃燒器組合燃燒性能的測試結果。污染排放測試數據見表1，與國外底部燃燒器熱態試驗的熱通量對比見圖7。

表1 污染排放測試數據Table 1 Testing data of the hearth burners

圖7 與國外底部燃燒器熱態試驗的熱通量對比Fig.7 Comparison between heat fluxes of the developed hearth burner and an oversea hearth burner.

從圖7可看出，自主開發的底部燃燒器的熱通量曲線與目標值基本吻合，與目標值的偏移量略優于國外底部燃燒器。由表1可見，煙氣中CO體積分數為10×10-6，表明爐內燃燒完全；NOx體積分數為49×10-6，約100 mg/m3（標準狀態），完全滿足工藝及環保要求。CFD模擬的熱通量分布與熱態試驗得到的熱通量分布較為吻合，說明模擬時模型的選取和參數設置合理。通過對不同結構的燃燒器進行CFX模擬，可以得到較優越的燃燒器結構。

4 工業應用

開發的大型裂解爐用底部燃燒器已應用于某1 Mt/a乙烯裝置的BA-103裂解爐，并于2010年1月一次投油開車成功。目測情況表明，爐內燃燒狀況良好，火焰扁平剛直、燃燒穩定，無火焰舔爐管的問題。BA-103裂解爐爐內燃燒情況見圖8。

圖8 BA-103裂解爐爐內燃燒情況Fig.8 Combustion situation in a BA-103 cracking furnace.

為進一步驗證開發的大型裂解爐用底部燃燒器的實際運行情況，在2010年4月對BA-103裂解爐和底部燃燒器采用國外專利技術的BA-102裂解爐進行了全面的熱性能測試，并進行了對比。測試內容包括爐內煙氣溫度分布、爐管管壁溫度分布、爐墻內外壁溫度分布、煙氣取樣分析和燃燒器噪聲測量等，并依據測量結果計算了裂解爐的熱效率。兩爐熱性能的測試結果見表2。由表2可見，使用國產底部燃燒器的BA-103裂解爐爐內燃燒完全，煙氣溫度分布均勻，管壁溫度均勻，盡管已運行了55 d，測得的爐管最高壁溫僅為1 044 ℃，完全滿足工藝要求；由于實際燃料中H2含量（27.67%（φ））遠高于設計值（8.92%（φ）），這使得NOx排放量有所增加，盡管如此127 mg/m3的排放值仍較低，完全滿足環保要求。測試結果表明，國產底部燃燒器適用于100 kt/a及以上大型裂解爐，與國外同類技術相比，性能指標相當，完全可以替代進口燃燒器，節約投資。

表2 熱性能測試結果Table 2 Test result for the thermal performance

5 結論

（1）大型裂解爐用底部燃燒器結構設計合理，火焰扁平剛直，燃燒穩定，無火焰舔爐管問題。

（2）大型裂解爐用底部燃燒器可獲得良好的火焰形狀、火焰長度、火焰剛性及熱通量分布，適用于100 kt/a及以上大型裂解爐。

（3）大型裂解爐用底部燃燒器NOx排放量少、噪音較低，符合環保要求。

（4）大型裂解爐用底部燃燒器的工業應用成功為大型乙烯裝置燃燒器完全國產化奠定了堅實的基礎。

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Research and Development of Ethylene Cracking Furnace Hearth Burner

Li Jinke，Xu Hongbing，Liu Yunyan，Zhang Jian
（Tianhua Institute of Chemical Machinery and Automation，Lanzhou Gansu 730060，China）

Aiming at the request of ethylene cracking furnace hearth burner for the flame shape，the flame stability，the heat flux distribution and the NOxemission，by fuel classification method combined with research of the burner tips and the wind channel，the original structure of the hearth burner was determined. The burner structure was improved by computational fluid dynamics simulation，and the pollution emission and the heat flux distribution were validated through thermal state test. Then，the hearth burner of large-scale ethylene cracking furnace was developed successfully. Industrial application of the hearth burner indicated that the combustion was complete and the flame was flat and steady. The max wall temperature of the furnace tube was 1 044 ℃ after the furnace running 55 d and NOxemission was 127 mg/m3(standard state).

nitrogen oxide；hearth burner；fluid dynamics simulation；ethylene cracking furnace

1000 - 8144（2012）03 - 0319 - 06

TQ 221.21

A

2011 - 10 - 26；［修改稿日期］2011 - 11 - 24。

李金科（1964—），男，甘肅省靈臺縣人，大學，教授級高級工程師，電話 025-83209855，電郵 ljk0002@vip. sina.com。

（編輯 王 萍）