管式加熱爐煙氣回流摻氧富氧燃燒技術(shù)研究

廖昌建 張園 王海波

摘 ?????要：為實(shí)現(xiàn)加熱爐節(jié)能增效，研究了煙氣回流摻氧助燃技術(shù)對2#管式加熱爐燃燒特性的影響。采用煙氣回流摻氧助燃技術(shù)，可提高加熱爐燃?xì)饫碚撊紵郎囟取⒔档蚇O排放濃度、減少排煙熱損失、提高加熱爐熱效率。在富氧空氣預(yù)熱溫度為155 ℃、排煙溫度為120 ℃的條件下，煙氣回流摻氧助燃技術(shù)可使2#管式加熱爐熱效率提高2.09%～4.09%。當(dāng)摻氧濃度為24%、排煙體積回流比為32.57%時，燃?xì)饫碚撊紵郎囟认翹O生成速率為1.26 mg·（m3·s）-1，排煙熱損失減少1 583.70 kJ/（1 Nm3燃?xì)猓?#管式加熱爐熱效率提高3.48%。

關(guān) ?鍵 ?詞：管式加熱爐; 煙氣回流; 富氧燃燒; NO; 熱效率

中圖分類號：TQ 052 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）01-0060-04

Abstract： In order to improve the efficiency and save energy of tube furnace， the influence of oxygen-enriched combustion technology with flue gas recirculation on combustion characteristics of 2# tube furnace was studied. The research showed that the oxygen-enriched combustion technology with flue gas recirculation could improve the theoretical combustion temperature of furnace， reduce the concentration of NO emission， reduce the heat loss of flue gas， and improve heat efficiency of furnace. The heat efficiency of the 2# tube furnace was increased by 2.09%～4.09% after using oxygen-enriched combustion technology with flue gas recirculation， under the condition that oxygen enriched air preheating temperature was 155 ℃ and the flue gas emission temperature was 120 ℃. When the oxygen concentration was 24% and the volume reflux ratio of flue gas was 32.57%， the formation rate of NO was 1.26 mg·（m3·s）-1， the heat loss of flue gas was reduced by 1 583.70 kJ/（1 Nm3gas）， and the thermal efficiency of 2# tube heating furnace was increased by 3.48%.

Key words： Tube furnace; Flue gas recirculation; Oxygen-enriched combustion; NO; Thermal efficiency

煉化企業(yè)工藝加熱爐是企業(yè)能量消耗的主要設(shè)備之一，提高加熱爐能效，降低污染物排放，滿足企業(yè)節(jié)能減排要求，對提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益具有重要意義[1]。目前，煉化企業(yè)通過控制燃?xì)饧訜釥t排煙中氧氣濃度，降低空氣過剩系數(shù)、預(yù)熱助燃空氣等措施，使得工藝加熱爐能效可高達(dá)90%～92%;通過采用低氮燃燒技術(shù)可使煙氣中NOX濃度達(dá)標(biāo)排放。為了滿足生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能和擴(kuò)能，采用富氧燃燒技術(shù)可提高加熱爐燃燒性能。富氧燃燒技術(shù)在鋼鐵行業(yè)、水泥行業(yè)及玻璃加工行業(yè)應(yīng)用較廣泛，在石化克勞斯工藝制硫磺焚燒爐等已有應(yīng)用[2]。滄州石化硫回收裝置采用28%富氧燃燒，提高了裝置處理能力20%～25%[3]。

富氧燃燒技術(shù)可降低燃料的燃點(diǎn)，加速燃燒、使燃料燃燒完全、提高火焰溫度、減少排煙量、提高熱效率等，提高排煙中CO2的濃度，有利于CO2捕集。Favre 等理論研究表明氧摩爾分?jǐn)?shù)40%～60%的富氧燃燒與常規(guī)燃燒相比，可節(jié)約35%左右的燃燒后CO2捕獲能耗[4，5]。在局部富氧燃燒過程中，隨著富氧濃度增加，煙氣中NOX的濃度增高，這限制了局部富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用[6，7]。為了降低局部富氧燃燒NOX的生成，目前學(xué)者主要從富氧低氮燃燒器和煙氣循環(huán)等工藝措施方面進(jìn)行研究。

本文以某煉廠2#管式加熱爐為研究對象，在分析富氧空氣助燃特性的基礎(chǔ)上，研究煙氣回流摻氧富氧燃燒技術(shù)對該加熱爐燃燒性能的影響。

1 ?2#管式加熱爐運(yùn)行概況

2#管式加熱爐為原料預(yù)加氫加熱爐，以天然氣為燃料，天然氣性質(zhì)見表1，加熱爐空氣助燃，空氣與排放煙氣換熱至155 ℃進(jìn)空氣分級低氮燃燒器助燃。排煙中氧氣濃度為2～3%，排煙溫度約120℃，爐效到達(dá)91%～92.5%，煙氣中NOx實(shí)測濃度小于53 mg/m3。

2 ?富氧燃燒流程

采用膜法空氣富氧，使空氣富氧濃度達(dá)到35%。煙氣回流與富氧35%的氣體摻混，形成不同濃度的助燃風(fēng)，助燃風(fēng)富氧濃度與煙氣回流比例見表2，助燃風(fēng)富氧濃度越高，煙氣回流比越低。加熱爐煙氣回流摻氧助燃工藝流程見圖1，富氧助燃工況見表3，表中工況1、工況2為富氧空氣助燃無煙氣回流，工況2為在役2#管式加熱爐的實(shí)際運(yùn)行工況，工況3～工況8為煙氣回流摻氧助燃。

3 ?煙氣回流摻氧助燃特性研究

3.1 ?富氧空氣與排煙實(shí)際體積計算

在監(jiān)控加熱爐燃燒過程中，控制煙氣中氧氣濃度一定的情況下，富氧燃燒的空氣過剩系數(shù)將隨助燃風(fēng)氧氣濃度的增加而減小[8]。取2#管式加熱爐排煙中的氧氣含量為3%，通過式（1）、式（2）可反算確定助燃空氣實(shí)際體積和煙氣實(shí)際排放體積。由式（1）、式（2）可知，隨著助燃空氣中的氧氣濃度增加，助燃風(fēng)實(shí)際體積Va減少，排煙體積Vf減少，排放煙氣熱損失減少。薛杉等研究了天然氣富氧燃燒過程，助燃風(fēng)富氧濃度每提高2%，1 Nm3燃?xì)馊紵鬅煔怏w積可減少0.35～1.5 Nm3煙氣[10]。

3.2 ?理論燃燒溫度

燃?xì)馀c助燃風(fēng)進(jìn)入加熱爐內(nèi)燃燒，帶入爐內(nèi)的熱量包括物理熱和燃?xì)馊紵裏幔锢頍岚ㄈ細(xì)狻⒅硷L(fēng)和循環(huán)煙氣帶入的熱量。燃?xì)馊紵睦碚摐囟瓤捎墒剑?）計算。煙氣中各組分的比熱可由表4中表達(dá)式計算得到。

在表2工況條件下，采用式（3）可計算得到各個工況下理論燃燒溫度，理論燃燒溫度隨富氧濃度的變化結(jié)果見圖2。隨著助燃風(fēng)氧氣濃度、富氧空氣預(yù)熱溫度的增加，燃?xì)饫碚撊紵郎囟壬摺．?dāng)助燃風(fēng)氧氣濃度增加時，排煙中CO2、H2O的體積分?jǐn)?shù)增大，因CO2和H2O的比熱大于N2比熱，使得燃?xì)饫碚撊紵郎囟壬叩乃俾孰S富氧空氣預(yù)熱溫度的升高而變小。

煙氣回流可降低理論燃燒溫度，當(dāng)助燃風(fēng)氧氣濃度為21%、煙氣回流比為41.09%時，工況3的理論燃燒溫度比工況1降低了102.8 ℃。隨著助燃風(fēng)氧氣濃度、煙氣回流比減小，在相同助燃風(fēng)富氧濃度和預(yù)熱溫度條件下，由于熱煙氣回流比降低，使得煙氣回流摻氧助燃的理論燃燒溫度溫升速率，大于無煙氣回流的富氧空氣助燃理論燃燒溫度溫升速率。

3.3 ?NOX排放濃度

燃?xì)馊紵^程中產(chǎn)生的NOX主要是熱力型和快速型NOX，但快速型NOX濃度比熱力型NOX濃度低很多，當(dāng)燃燒時空氣過剩系數(shù)大于1時，快速型NOX基本不生成[11]。生成的熱力型NOX中95%以上的濃度為NO[10]。式（4）是熱力型NO捷里多維奇生成機(jī)理表達(dá)式，影響NO生成濃度的主要因素是燃燒溫度、N2濃度、O2濃度及氣體高溫區(qū)停留時間[12]。

王復(fù)越采用流體計算軟件Fluent對煤氣燃燒進(jìn)行建模，分析了富氧濃度21%～30%的富氧空氣助燃和煙氣回流摻氧燃燒過程爐內(nèi)溫度、流場分布及NO排放情況，隨著富氧濃度的增加，爐內(nèi)溫度提高，NO排放濃度也增加，煙氣回流可使NO排放濃度降低[8]。陳明輝對某燃?xì)忮仩t富氧燃燒爐膛內(nèi)氣體的停留時間進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模分析，氣體在爐膛的停留時間與富氧濃度、煙氣量及爐內(nèi)溫度密切相關(guān)，富氧濃度由21%增至30%，分析結(jié)果表明煙氣在爐膛內(nèi)的停留時間由5 s增加至6.5 s[9]。趙然研究了高濃度CO2氣氛下NO釋放及火焰特性的動力學(xué)，高濃度CO2氣氛有利于NO的還原，減少NO的排放[13]。在高濃度CO2氣氛下，比空氣燃燒時OH自由基更多，CO2可熱解為CO，在還原性氣氛下，增加了NO還原成N2的幾率[14]。為了簡化計算NO生成速率，計算NO生成速率時，筆者未考慮煙氣回流對NO還原的影響。

理論燃燒溫度下的熱力型NO生成速率隨富氧濃度變化的曲線如圖3。隨著助燃風(fēng)富氧濃度的增加，NO的生成速率快速增加;在助燃風(fēng)相同氧濃度條件下，煙氣回流降低了助燃風(fēng)中N2濃度，增加了CO2濃度，由式（4）可知，N2濃度降低可減少NO的生成速率，但隨著助燃風(fēng)氧濃度提高，理論燃燒溫度增加使煙氣回流摻氧工況下NO的生成速率成指數(shù)增長。由圖3可知，工況2（2#管式加熱爐目前運(yùn)行工況）助燃風(fēng)21%氧濃度的NO生成速率為1.17 mg·（m3·s）-1，該結(jié)果與劉波等采用CFD模擬研究管式加熱爐空氣分級燃燒器NO生成速率一致[15]。在助燃風(fēng)富氧濃度24%、煙氣回流32.57%時，工況8理論燃燒溫度下的NO生成速率為1.26 mg·（m3·s）-1，相比工況2，助燃風(fēng)24%氧濃度的NO生成速率降低了68.52%。

因此，2#管式加熱爐在僅采用煙氣回流措施來降低NO排放時，為滿足煙氣NO排放要求，煙氣回流摻氧助燃工況8的氧濃度不宜高于24%。當(dāng)煙氣回流摻氧助燃風(fēng)預(yù)熱溫度降低時，助燃風(fēng)富氧操作氧氣濃度可適當(dāng)提高。

3.4 ?加熱爐熱效率

加熱爐的熱效率與爐子的燃燒狀態(tài)、排煙熱損失及爐體散熱損失等有關(guān)，排煙熱損失率可由式（5）計算。富氧空氣被煙氣預(yù)熱到155 ℃，排煙溫度為120 ℃時，排煙熱損失率與助燃風(fēng)富氧濃度的關(guān)系見圖4。在富氧空氣助燃工況2條件下，富氧濃度由21%增至33%時，排煙體積減小36.78%%，排煙熱損失由7.43%降低至6.07%，加熱爐熱效率可提高1.36%;在助燃風(fēng)氧濃度24%時，富氧空氣助燃可減少排煙熱損失244.89 kJ/（1 Nm3燃?xì)猓岣呒訜釥t熱效率0.6%。在煙氣回流摻氧工況8條件下，富氧濃度由21%增至33%時，排煙體積僅減少約2%，但煙氣中CO2、水的體積分?jǐn)?shù)增加，使得排煙的熱損失由3.34%增加至4.50%。煙氣回流摻氧助燃與2#管式加熱爐目前運(yùn)行工況相比，爐效可提高2.09%～4.09%;煙氣回流摻氧濃度24%時，可減少排煙熱損失1583.70 kJ/（1 Nm3燃?xì)猓岣?#管式加熱爐爐效3.48%。

4 ?結(jié) 論

（1）富氧助燃技術(shù)可減少助燃風(fēng)實(shí)際體積和排煙體積，提高理論燃燒溫度。隨著預(yù)熱空氣溫度的提高，助燃風(fēng)富氧濃度對加熱爐理論燃燒溫度的影響將減小。

（2）通過采用煙氣回流摻氧助燃技術(shù)，可降低NO排放濃度;降低富氧空氣預(yù)熱溫度可提高助燃風(fēng)富氧濃度操作范圍。當(dāng)助燃風(fēng)富氧濃度24%、富氧空氣預(yù)熱溫度155 ℃、排煙溫度120 ℃、排煙回流比為32.57%時，燃?xì)饫碚撊紵郎囟认翹O生成速率為1.26 mg·（m3·s）-1。

（3）煙氣回流摻氧技術(shù)可以減少排煙熱損失、提高加熱爐熱效率。如2#管式加熱爐采用煙氣回流摻氧助燃技術(shù)，在富氧空氣預(yù)熱溫度155 ℃、排煙溫度120 ℃條件下，其爐效可提高2.09%～4.09%;當(dāng)煙氣回流比為32.57%、摻氧濃度24%時，排煙熱損失可減少1583.70 kJ/（1 Nm3燃?xì)猓?#管式加熱爐爐效可提高3.48%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫守峰，藍(lán)興英，高金森，等.提高煉油廠加熱爐熱效率的方法[J].能源技術(shù)，2004，2（25）：75-77.

[2] 劉波，吳雨，王元華等.低NOx工業(yè)燃?xì)馊紵夹g(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2013，1（32）：199-204.

[3] 宋安太，郝天臻.硫回收裝置采用富氧技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].石油煉制與化工，2004，2（32）：22-25.

[4] 蘇俊林，潘亮，朱長明.富氧燃燒技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].工業(yè)鍋爐，2008，109（3）：1-4.

[5] Favre E， Bounaceur R， Roizard D. A hybrid process combining oxygen enriched air combustion and membrane separation for post- combustion carbon dioxide capture[J]. Separation and Purification Technology， 2009， 68（1）：30-36.

[6] 趙黛青，楊浩林，楊衛(wèi)斌.旋流對同軸富氧擴(kuò)散燃燒NOx排放的影響[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2008，5（14）：383-387

[7] Lee C Y， Baek S W. Effects of hybrid reburning/SNCR strategy on NOx/CO reduction and thermal characteristics in oxygen-enriched LPG flame[J]. Combustion Science and Technology， 2007， 179（8）：1649-1666.

[8] 王復(fù)越.燃?xì)饧訜釥t高溫?zé)煔饣亓鲹窖跞紵龜?shù)值模擬[D].沈陽：遼寧科技大學(xué)，2016.

[9] 陳明輝.富氧燃燒對220 t_h燃?xì)忮仩t性能的影響研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2014.

[10]薛杉.天然氣富氧燃燒技術(shù)的研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2014.

[11]蘇毅，揭濤，沈玲玲，等.低氮燃?xì)馊紵夹g(shù)及燃燒器設(shè)計進(jìn)展[J].工業(yè)鍋爐，2016，4（158）：17-25.

[12]茍湘.燃?xì)馊紵牡蚇Ox排放實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].石家莊：河北工業(yè)大學(xué)，2003.

[13]趙然.高濃度CO2氣氛下NO釋放及火焰特性的動力學(xué)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[14]Watananbe H，ichito Yamamoto J，Okazaki K.NOX formation and reduction mechannisms in staged O2/CO2 combustion[J]. Combustion and Flame，2011，158（7）：1255-1263

[15]劉波，王書磊，王元華，等.管式加熱爐空氣分級燃燒器的CFD研究[J].石油學(xué)報（石油加工），2013， 6（29）： 1040-1046