基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術的應用

師彥俊

（中國石化鎮海煉化分公司煉油二部，浙江寧波 315207）

延遲焦化裝置加熱爐能量消耗約占整個裝置能耗的1/3，同時也是NOx、SO2等污染物排放的主要設備，在提高加熱爐熱效率，降低能耗，降低污染物排放方面，業內做了很多研究并開展了工業應用，如采用高效、低NOx燃燒器，降低過剩空氣系數；采用分段空預器，提高材質，降低排煙溫度；采用新材料襯里以及爐管噴涂材料等，這些措施都取得了一定的效果，整體來看目前國內焦化加熱爐的氧含量多數控制在3%以上，較高的氧含量會導致過多的熱損失，降低加熱爐熱效率，同時空氣中的氮氣在高溫狀態下會生成過多的NOx[1]，增加了污染物的排放量，過剩空氣中的氧氣也會促進SO3的轉化率，加劇低溫露點腐蝕和爐管結垢[2]。

鎮海煉化某焦化裝置加熱爐熱效率在92%以上，為了進一步挖潛增效，2017年3月對該加熱爐進行在線技術改造，采用了基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術，在降低過剩空氣量、提高加熱爐熱效率、減少NOx排放量和降低能耗等方面都取到了明顯效果，同時還使得加熱爐的運行在翻四通、預熱等操作時更加安全平穩。

1 基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術原理

瓦斯與空氣在加熱爐內燃燒，加大并超過燃燒所需的空氣當量配比時CO 濃度較低，并幾乎維持不變，但由空氣過剩導致煙氣散熱損失會進一步增加；相反當供風量減少，直到接近沒有足夠的氧氣完全燃燒時，CO 濃度會有一個快速上升階段，并且瓦斯消耗也會快速增加，煙氣的熱損失將明顯增大。所以通過調節供氧量，使CO 濃度保持在略高于最低值時，此時加熱爐的煙氣熱損失最低，熱效率相應也最佳[3]。

圖1 更加量化地顯示了燃燒過程中加熱爐煙氣氧含量和CO、NOx含量三者之間的關系[4]。

圖1 CO/O2/NOx關系及CO建議控制區域

由圖1 可知，當O2含量在1%以上時，隨著O2含量的增加并沒有生成過多的CO，基本維持在50μg/g以下，此時由過剩空氣帶走的熱損失會處于較高水平。當O2含量在0.5%以下時，隨著O2含量的進一步減少，CO 含量會快速增加，此時由不完全燃燒導致的熱損失也會迅速增加。如果O2含量在0.5%～1%之間，CO含量在50～150μg/g范圍之內，能很好地平衡空氣過剩引起的熱損失和不完全燃燒引起的熱損失，此時處于略高于理論配比燃燒狀態，加熱爐的熱效率也最高。同時會使得NOx排放量快速下降，基本控制在10μg/g以下，相比基于O2分析控制的加熱爐燃燒技術降低40%以上，因此采用CO 分析控制的加熱爐燃燒技術還可以大大降低污染物NOx的排放量。

2 基于O2 和CO分析控制的加熱爐燃燒技術對比

2.1 基于O2 分析控制的加熱爐燃燒技術

目前國內延遲焦化加熱爐普遍采用的是基于O2含量控制的加熱爐燃燒技術，此技術通常利用氧化鋯在輻射室頂部定點測量煙氣中的氧含量，監測控制加熱爐的燃燒，氧含量一般控制在3%以上，很難接近加熱爐的理論配比燃燒，主要存在以下不足：

1）受瓦斯組分影響較大

在煉廠實際生產中不可避免地會發生燃料氣組分變化、熱值波動等導致火焰不穩、撲爐管或墻磚等燃燒工況，這種不完全燃燒造成CO含量和O2含量同步升高，給操作帶來難度。

2）不能準確反映加熱爐燃燒狀況

加熱爐氧含量測量常利用氧化鋯元件，由于氧化鋯對測量溫度的要求，通常安裝在輻射室煙道中進行定點測量。煙氣的偏流以及煙氣的混合均勻性都會直接影響測量的準確度，氧化鋯的測量值不能充分反映加熱爐燃燒器的燃燒情況。

3）不能及時調整加熱爐燃燒工況

由于氧化鋯基于電化學原理，測量過程緩慢，監測相對滯后，加熱爐的控制策略無法對照加熱爐監控數據及時調整。

4）加熱爐漏風對氧氣測量的影響

空氣通過看窗、安全門等部位泄漏進負壓加熱爐也會導致加熱爐氧含量偏高，誤導操作人員逆向調節。因此，使用基于O2含量分析控制的加熱爐燃燒技術調節加熱爐燃燒時都會留有一定的安全余量，這也就使氧含量偏高，加熱爐熱效率相應偏低，進一步加劇污染物排放和露點腐蝕等負面影響。

2.2 基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術

1）該技術直接測量的是CO 濃度，CO 是燃燒的直接產物，而加熱爐的燃燒波動，通過CO 含量的變化可以迅速直觀地察覺，數據更加直觀。

2）CO濃度的監測采用量子串級激光技術，不受溫度條件的限制，測量點設在對流段或在引風機入口上，監測的中紅外光束直接橫穿煙道，確保檢測值不留死角實時覆蓋煙氣中全部CO，而且利用分析儀中的濾光器可以消除其他無關氣體的干擾，操作針對性更強，安全性更高。

3）由于空氣中沒有CO，所以加熱爐漏風對CO濃度的測量不會帶來影響，可以使操作調節更積極主動。

4）量子串級激光技術1 s 可以測量7 次，信號傳輸速度快、準確率高。在應用過程中發現，當改變鼓風機變頻時，CO 濃度的測量比O2含量的測量反應速度快15 s左右，使得操作調節更及時快速。

3 長周期工業應用情況

3.1 實施情況

該焦化裝置加熱爐共有6 個爐膛，每2 個爐膛共用一個對流室，每個爐膛有兩排共計28 個燃燒器。爐膛風道的設計是從爐膛靠近鼓風機的一端通向另外一端，而爐膛燃料氣設計方向與風道的流向相反，所以沿著風道方向風壓逐漸減小，而燃料氣的壓力卻逐漸增大，為確保每個燃燒器最大可能接近燃燒配比，風壓較小位置燃燒器風量控制在接近理論配比，最大程度的減少不完全燃燒的火嘴，那么風壓大的燃燒器不可避免導致處于空氣過剩狀態，這導致爐膛的整體氧含量會控制在較高水平。

基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術擺脫了以氧含量為控制指標的理念，直接控制燃燒過程產生的CO濃度，CO僅僅是烴類不完全燃燒的直接產物，不受其他因素干擾，通過在加熱爐引風機入口安裝CO分析儀進行監控。

通過監控CO分析儀數值同時觀察爐膛氧含量，判斷出配比不理想的燃燒器，并通過現場的二次風門進行調整，通過調整每個燃燒器的配比，使所有的燃燒器風量處于理論配比狀態，降低整個爐膛的過剩空氣系數，提高加熱爐整體熱效率。

將基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術引入原有控制系統中，可以進行無擾動切換（切換主要用于爐膛在線清焦工況時），通過CO在線分析儀測量加熱爐三個爐膛混合后煙氣中的CO 濃度，并控制在50～150μg/g之間，DCS系統根據CO濃度的控制值與實際測量值之差輸出信號給鼓風機變頻器，以達到控制鼓風機變頻開度的目的。當CO 濃度高則需要提高鼓風機變頻則加大供風量，當CO 濃度低則減少鼓風機變頻降低供風量。該系統可以與已有的O2含量控制系統整合，當CO分析儀故障時可以無擾動地切換到O2含量控制系統。

3.2 系統投用效果分析

表1 為該系統投用后的標定數據，不難看出基于CO 分析控制的加熱爐燃燒技術投用后加熱爐熱效率提高了0.68百分點達到92.89%，加熱爐燃料節省53.88 m3/h，鼓風機變頻由35%降低至20%，用電量節省36.11 kW·h/h，加熱爐中CO平均濃度控制在45μg/g以下，NOx濃度由40.1 mg/m3降至26.8 mg/m3，一年內可能減排NOx14 t，減排量達47%以上，加熱爐排煙量降低6 500 m3/h。

3.3 周期性操作的控制調節

為了提高焦化裝置周期性波動較大（翻四通和焦炭塔預熱等）的操作平穩性，在加熱爐DCS 優化控制上采取了CO 輸出控制鼓風機變頻，同步鼓風機比值前饋輸出和爐膛負壓（取各分爐膛負壓最高值）反饋相結合的調節輸出對引風機進行綜合變頻控制，同步兼顧加熱爐的快速控制和精細調節。基于CO 分析技術控制加熱爐負壓自動控制邏輯見圖2。

表1 CO 分析控制加熱爐燃燒技術投用前后關鍵參數變化對比

這使得周期性波動操作的平穩性更強，在該工況下O2含量短時間會升高至1.0%～1.7%，相比CO分析控制投用之前大幅度下降，操作人員的工作量明顯降低。

圖2 基于CO分析技術控制加熱爐負壓自動控制邏輯

3.4 長周期運行的平穩性

自2017 年3 月以來CO 分析控制的加熱爐已連續穩定運行了35個月，整體運行平穩，僅在加熱爐在線清焦時需要切換至氧含量控制系統。該焦化加熱爐O2含量基本控制在0.5%～1.2%，隨著氧含量的降低，加熱爐熱效率總體提高至92.8%～93.5%，每年可節省燃料費用130萬元，降低電費20萬元，約20個月可以收回投資成本。

另外，在運行中裝置負荷變化對該系統的影響較小，加熱爐氧含量總體比較平穩，具體見表2。

表2 CO 分析控制加熱爐燃燒技術對裝置負荷變化的適應性

4 結論

基于CO 分析控制的加熱爐投用后，加熱爐的燃燒接近理論燃燒狀態，基本實現空氣與燃料的最佳燃燒配比，爐膛氧含量由原來的3.33%降低至0.75%，平均熱效率可以穩定在93%以上。燃料可節省53.88 m3/h，鼓風機變頻由35%降低至20%，用電量降低36.11 kW·h/h，節能效果明顯，一年內約減少NOx排放14 t，排煙量降低6 500 m3/h，環保效益也十分明顯。該技術的應用使焦化加熱爐的運行也更加穩定。