轉化爐燃燒系統節能改造

O 曾 超（四川天一科技股份有限公司 四川 610225）

轉化爐燃燒系統節能改造

O 曾 超
（四川天一科技股份有限公司 四川 610225）

針對某裝置轉化爐燃料系統節能降耗問題，提出了改造方案。著重介紹了轉化爐燃燒系統的控制原理，設計時應考慮的問題，并結合項目實例，提出了燃燒系統的改造方案。

轉化爐；燃燒系統；選擇性控制；節能改造

1.項目背景

國內某石化廠有套10000Nm3/h制氫裝置，該裝置建成至今運行了2年時間。在生產過程中發現，轉化爐燃料天然氣的消耗比設計值偏大約8%。裝置設計滿負荷情況下天然氣消耗應為500Nm3/h，但實際操作中，在保證轉化管出口溫度達到設計值前提下，消耗的天然氣在530～540Nm3/h之間波動,并且副產的蒸汽量也比設計值偏小一些。從裝置按年運行8000小時計算，將多消耗天然氣約30萬標方，工業天然氣價格按2．8元/標方計算的話，每年會額外產生約85萬元成本。本著響應國家節能減排號召，也為企業節約成本，創造效益，希望對該裝置進行節能改造。

2.現有方案分析

該裝置轉化爐部分流程簡圖如下：

從流程分可以看出，轉化爐為轉化反應提供熱量，余熱給一臺中壓汽包供熱副產蒸汽以及為燃燒系統預熱空氣。轉化爐燃料氣為兩股，一股為工藝廢氣，要求優先燃燒，不夠的用天然氣來補充，以穩定轉化管出口溫度。兩股均有流量計量并帶溫壓補償。

我們知道，當燃料燃燒時，燃燒的產物連同其他可能夾雜的氣體都會升高到火焰溫度，溫度的高低取決于燃料的能量含量（即燃料的熱值）。因為燃料的發熱量是以J/kg為計量單位的，所以燃料的實際數量不會影響火焰溫度。燃燒產物的顯熱或燃料和空氣的顯熱都可以用來估算火焰溫度，因為兩者都滿足能量守恒定律。熱值為H，質量流量為Wf的燃料，其燃燒所產生的熱流量Q為：

這個熱流量必須等于把燃料流量和空氣流量升高到火焰溫度T所需的熱流量，即：

式中，Wf，Wa：分別為燃料和空氣質量流量；

Cf，Ca：分別為燃料和空氣平均比熱；

Tf，Ta：分別為燃料和空氣入口溫度；

為了保證完全燃燒，必須選擇一個特定的空氣/燃料比值K，這需要根據燃料的化學成分來確定。根據公式1-1與1-2，可以求得火焰溫度為：

上述公式只有在沒有過量燃料的情況下才成立。由于燃料往往比空氣價值高的多，而且不完全燃燒會產生煙灰和一氧化碳，因此爐子總是在過量空氣下運行，但是，顯然只有在燃料和空氣都不過量的情況下火焰溫度才能達到最大值。當然，空氣中的氮氣不參與燃燒，但它起了稀釋作用，從而降低了火焰的溫度，所以大型燃燒爐一般都采用純氧作為燃料。

因為空氣過量或者不足均會使火焰溫度下降，所以火焰溫度不是一個特別容易控制的被調量。最常用的燃燒效率指標是燃燒產物中的含氧量。為保證完全燃燒所需的過量空氣量取決于燃料的性質。本項目中所用的燃料為天然氣，在5%過量空氣下的燃燒效果最好。

基于以上理論可以發現，現有裝置在燃料系統設計上基于某種考慮（可能是節約成本），省略了一些必要的檢測點和控制回路，沒有有效手段來檢測和控制燃燒系統的空燃比。如送風流量沒有檢測，爐膛煙氣氧含量沒有在線分析，還有就是操作人員水平有差異，對煙氣氧含量檢測沒有引起足夠重視，使得轉化爐熱效率沒有保持在較高水準，造成了燃料消耗偏大，副產蒸汽偏小的情況。

3.改進方案

轉化爐主要的控制任務有三個：

①使轉化管出口溫度穩定；

②保證燃燒過程的經濟性；

③保證爐膛負壓的穩定；

上述三個控制任務是有關聯的，為了完成這三個任務，有三個需要調節的過程量：燃料量、送風量以及引風量。新的控制方案就圍繞著這三個過程量來進行設計，用三套控制回路來完成任務，主要方案如下：

(1)設置煙氣檢測手段

根據以往項目經驗，轉化爐燃燒效率最高時，煙氣中的一氧化碳含量保持在百萬分之一（ppm）范圍，氧含量保持在1～2%范圍。對于燃燒效率的檢測可以從分析這兩種氣體含量著手，但是ppm級的一氧化碳分析儀價格比氧分析儀要高得多，而可靠性卻不如氧分析儀，噪音也大。因此，從經濟性考慮，煙氣分析常通過測量氧含量來判斷爐子的燃燒效率，對于煙氣氧含量的測量，常用氧化鋯法響應速度快，精確度較高，但氧化鋯探頭只能工作在650～850℃的高溫環境，設置時應考慮合理的位置，若位置受限，則應考慮相應措施。此處選用直插式探頭并帶溫度補償型氧化鋯分析儀。

(2)設置送風量檢測手段

從流程可知，燃料氣設置有帶溫壓補償的流量檢測系統，但是送風系統卻缺乏檢測手段，因管道較大，此處選用均速管流量計對空氣流量進行檢測，配合鼓風機入口風門檔板閥，組成送風量流量調節回路，對系統的空燃比進行有效控制。

(3)控制方案變更

從安全方面考慮，對燃料-空氣控制系統要有一定的預防措施?？諝獠蛔銜谷剂显跔t中積聚，一旦點燃就可能發生爆炸，因此必須注意確保燃料的流量絕不超過給定的空氣流量所允許的值。為了防止非穩態下燃料過剩，改造方案選用了選擇性控制（也叫超馳(override)控制）

燃料、送風系統改造后的控制框圖如下：

燃料氣控制回路采用轉化管出口溫度與燃料氣流量串級控制的思路，當轉化管出口溫度過低時，溫度控制器輸出增大，要求增加燃料氣供給。而燃料氣與送風組成的選擇性調節系統則會根據溫度控制器輸出值，來保證燃料氣流量和送風流量按一定比例進行增加或者減小，并且在動態變化的過程中也盡量維持空氣和燃料的比值在空燃比設定值K附近。

送風量控制回路采用煙氣氧含量測量與送風流量串級控制的思路。由于此轉化爐涉及兩種燃料混合燃燒，工藝廢氣的組成可以通過工藝物衡表得到，那么其熱值及需要消耗的空氣可以通過計算得出，但是始終會有一部分組分會發生變化，不能精確保證燃料和空氣的合理配比。煙氣中的氧氣含量與過?？諝庀禂涤斜容^固定的關系，通過控制煙氣氧含量就可以間接實現過?？諝庀禂档臏y量和控制，也就實現了空燃比配比的控制。因此在空燃比選擇性調節控制系統的基礎上，將煙氣氧含量測量設計成串級控制系統。

至于送風流量控制，因送風量和爐膛負壓之間通常會相互影響，特別是在使用鼓風機和引風機時更加明顯，這種關聯作用最好用一個解耦器進行解耦。負壓控制系統改造后的控制框圖如下：

此裝置爐膛負壓控制值一般應控制在-20～-50Pa之間，若負壓太小甚至為正壓，則爐膛內熱煙氣甚至火焰上竄引發設備和人員事故，反之負壓過大，會使大量冷空氣漏進爐內，從而使熱量損失增加，降低燃燒效率。應重點注意的是該測量值非常微小而且極易受環境影響，加上空氣流量本身存在脈動，被調量的反應太靈敏會出現調節器的激烈跳變，需要在信號輸入的時候做高頻濾波處理，并且調節器建議設置一定范圍的死區，避免意外的擾動造成回路的震蕩。

(4)爐體的檢查

對爐體、管道的保溫施工進行檢查，確保沒有遺漏或者損壞。此方法并非控制手段，但是也有必要。良好的保溫層能夠減少管道和設備的散熱損失，也是提高經濟效益的有效途徑，尤其是對長輸管道和高溫設備。

4.改造成果

經過停車改造，裝置重新投入運行，在參數整定后，新增回路全部投入自動運行。在進行滿負荷72小時考核期間，燃料天然氣穩定在490～500Nm3/h之間，略低于設計值，達到改造的目的。同時因為自動化程度的提高，對操作人員的要求也相對降低了，操作人員只要熟悉操作數據，有一定的單元操作基礎，就能很好的完成轉化爐的控制。

結束語

隨著市場競爭的日益加劇，產品價格一降再降，如何有效的節能降耗成為了企業生存的關鍵問題。不少企業在建廠初期一味著眼于建設期投資，往往抱著能用就行，人工不值錢的觀念采取低價中標形式進行建設，卻忘記了工廠自動化程度的提高，雖然投資也相應提高了，但是對裝置的穩定、高效、節能卻有很大的好處，還可以消除因操作人員水平參差不齊、精力不集中等人為因素所帶來的擾動，減少非計劃停車的頻次，創造出很可觀的隱形效益。設計方更應協助建設方，找到一個合理的平衡點，達到雙方都滿意的效果。

[1]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊第三版.北京:化學工業出版社,2000.

[2]蔣慰孫,俞金壽.過程控制工程第二版.北京:中國石化出版社, 2004.

[3]化工工藝設計手冊第三版.北京:化學工業出版社，2003.

Conversion furnace combustion system energy saving transformation

Zeng Chao
(Sichuan tianyi science and technology Co., LTD, Sichuan ,610225)

in view of a certain unit conversion furnace fuel system problem of saving energy and reducing consumption, the retrofi t scheme is proposed. Conversion furnace combustion system are introduced, the control principle of design should consider the problem, and combining the project instance, the retrofi t scheme of combustion system are put forward.

conversion furnace；Combustion system；Selective control；Energy saving reconstruction

T

A

曾超（1982～），男，四川天一科技股份有限公司，研究方向：化工裝置自控設計。