大流量有機廢氣焚燒爐燃燒器及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

劉 靜 胡 濤 王亞飛 韓大偉

（北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司）

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對環(huán)境安全的重要性越來越重視。 化工企業(yè)生產(chǎn)運行后產(chǎn)生的大量廢氣和廢水需要進行焚燒處理，達到排放標準后才能外排，以保證人類賴以生存的地球環(huán)境不被污染［1］。為此，筆者設(shè)計了一種能處理大流量有機廢氣的焚燒裝置，這種焚燒裝置的特點是處理廢氣量較大，然而在環(huán)保達標的同時還需要考慮節(jié)能降耗， 所以更需要高效利用煙氣的顯熱。 由于具有以上特點，該裝置在設(shè)計和現(xiàn)場運行過程中遇到了一些技術(shù)難題。 故筆者利用數(shù)值模擬軟件，結(jié)合工程經(jīng)驗進行全面分析后，對裝置核心設(shè)備焚燒爐的一些關(guān)鍵設(shè)計點進行優(yōu)化設(shè)計，以提升焚燒爐的運行穩(wěn)定性和安全性。

1 裝置概況

1.1 處理廢氣特點

該裝置處理的廢氣有以下特點：

a. 廢氣流量大。處理量在每小時幾萬到十幾萬標立的量級。 相對于常規(guī)的廢氣焚燒裝置只有每小時幾千標立的處理量，該裝置的廢氣處理量是十分龐大的。

b. 廢氣熱值較低。廢氣熱值每標立只有幾百大卡， 所以屬于無法產(chǎn)生燃燒火焰的低熱值廢氣。 廢氣組分中大部分為氮氣、水及二氧化碳等不可燃氣體，還含有少量的烴類、丙烯腈及氰化氫等物質(zhì)。

c. 廢氣來氣壓力低。 廢氣的來氣壓力一般在幾千帕到十幾千帕，較低的來氣壓力對廢氣進入爐膛的形式和摻混效果均有限制。

1.2 工藝方案

針對廢氣的特點，焚燒裝置工藝設(shè)計既要高效處理廢氣，摧毀有毒有害物質(zhì)，又要保證低氮氧的排放要求，綜合余熱回收期待最大限度地回收煙氣余熱，達到經(jīng)濟節(jié)能的目的［2，3］。 其工藝流程如圖1 所示。

圖1 有機廢氣焚燒工藝流程示意圖

從生產(chǎn)裝置出來的廢氣首先進入焚燒裝置的廢氣換熱器，與熱煙氣換熱后，被預熱到70 ℃的廢氣進入焚燒爐高溫廢氣總管，經(jīng)過流量分配后進入焚燒爐進行焚燒，焚燒后的煙氣依次經(jīng)過余熱鍋爐、廢氣換熱器和空氣換熱器，煙氣溫度降至150 ℃后經(jīng)煙囪排放至大氣。 在此流程中，余熱鍋爐產(chǎn)生4.0 MPa 的390 ℃過熱蒸汽。 煙氣經(jīng)過余熱鍋爐后分兩股分別將廢氣和助燃空氣加熱到470 ℃和490 ℃后進入焚燒爐。 焚燒介質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 焚燒介質(zhì)參數(shù)

該工藝流程最大限度地利用了焚燒過程中的熱能，節(jié)約了大量的燃料，在焚燒處理廢氣的同時，可產(chǎn)生大量的廠用過熱蒸汽，經(jīng)濟效益良好。

1.3 核心設(shè)備和特點

焚燒工藝流程中的設(shè)備主要有焚燒爐、余熱鍋爐、廢氣換熱器、空氣換熱器及煙囪等。 焚燒爐作為該工藝流程的核心設(shè)備，面臨著以下設(shè)計難點：

a. 由于廢氣處理量巨大，該焚燒爐設(shè)計煙氣停留時間為3 s，爐膛容積達到了近千立，所以對焚燒爐的燃燒器配置、火焰燃燒組織方式、爐膛內(nèi)氣動流場分布及爐殼強度設(shè)計等方面都提出了更高的要求。

b. 配合焚燒的助燃空氣的分配問題。 大量的助燃空氣采用總管加支管的多流道分配方式，那么能否按設(shè)計流量進行均勻分配，這就關(guān)系到管道的阻力設(shè)計問題。

c. 為了節(jié)能降耗， 換熱器的功能發(fā)揮到極致，廢氣被預熱到470 ℃進入爐膛，高溫廢氣管道與低溫爐殼的焊縫承受大溫差的問題需要謹慎考慮，一旦出現(xiàn)裂縫，輕則損壞設(shè)備，重則泄漏大量有毒廢氣。

2 焚燒爐燃燒器優(yōu)化設(shè)計

2.1 燃燒器原設(shè)計

焚燒爐頂部環(huán)布6 臺燃燒器（圖2）以提供熱源［4］，保證爐膛燃燒溫度在1 000 ℃。 廢氣通過廢氣總管分3 層分別進入爐體。 助燃空氣分為兩路，一路為頂部6 臺燃燒器供風，另一路通過空氣總管，分4 層分別進入爐體。 廢氣和空氣采用套管結(jié)構(gòu)，上部3 層各分為8 個管口，垂直爐膛軸線方向，噴入焚燒爐進行燃燒。 空氣第4 層設(shè)計了6 個噴口， 垂直爐膛軸線噴入空氣進行補燃。

圖2 改造前燃燒器結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 存在的問題

頂部6 臺燃燒器初始設(shè)計為平流式燃燒器，配風采用二級配風，以降低燃燒過程中產(chǎn)生的熱力型NOx。在運行過程中通過視鏡觀察發(fā)現(xiàn)，隨著廢氣大量通入爐膛，燃燒器火焰發(fā)生偏移，出現(xiàn)飄忽不定的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。 即使采用旋流穩(wěn)焰器，依然無法改善該問題，而且火焰的不穩(wěn)定性隨著廢氣負荷的提升越加嚴重。

為此，筆者采用Fluent 軟件對焚燒爐燃燒流場進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)由于下部環(huán)向進入的廢氣沖入爐膛后在爐膛上部形成一個巨大的回流區(qū)，回流區(qū)氣流回卷造成了燃燒器火焰的偏心。 而且隨著廢氣的流量加大、流速加快，火焰受到回卷氣流的影響更大，最終出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的情況。

2.3 優(yōu)化設(shè)計

在原燃燒器的基礎(chǔ)上，將燃氣槍和穩(wěn)焰器上移，并且在燃燒器內(nèi)預制一個小燃室；火焰根部縮進小燃室， 保證不再受到爐膛卷吸氣流的影響，燒嘴磚和穩(wěn)焰器都可以對火焰起到良好的穩(wěn)燃作用。 改造后的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，燃燒器火焰穩(wěn)定，不再受到爐膛廢氣的干擾。

圖3 改造后燃燒器結(jié)構(gòu)簡圖

3 焚燒爐配風系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1 配風系統(tǒng)原設(shè)計

焚燒爐爐體的空氣分4 層進入爐膛，前3 層與廢氣管道形成套管結(jié)構(gòu)。 由于環(huán)管在設(shè)計中要留出廢氣外接管口的位置，所以無法形成貫通的流道，需要在端部截出一個缺口，如圖4a 所示。

圖4 空氣管路及其流速模擬結(jié)果

3.2 存在的問題及優(yōu)化

采用管網(wǎng)流體分析軟件Pipenet 對該管路空氣流動進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)在空氣噴口直徑相同的情況下，空氣環(huán)形管路的兩個終點位置處的空氣流速比其他管口流速高22%，導致空氣在終點噴口處的空氣流量較大，空氣在爐膛內(nèi)分配不均勻，如圖4b 所示。

為保證爐膛內(nèi)空氣流量分布均勻，在終點的兩個噴口處分別增設(shè)一個直徑略小于噴口的阻力內(nèi)套管，如圖5a 所示。 通過增設(shè)該阻力件，增大了終點管口處的阻力系數(shù)，保證各管口的流速一致，從而解決了空氣噴口流量分配不均勻的問題。Pipenet 計算結(jié)果如圖5b 所示，端點兩個噴管在增設(shè)阻力件后，流速與其他管口一致。

圖5 增設(shè)阻力件的空氣管路及其流速模擬結(jié)果

4 焚燒爐廢氣與爐體接管優(yōu)化設(shè)計

4.1 廢氣接管與助燃風接管原設(shè)計

廢氣通過廢氣總管分3 層分別進入爐體，每層廢氣單獨配送助燃空氣。 考慮到廢氣量與空氣量較大，為保證流量分布均勻，每層廢氣和助燃空氣均通過大環(huán)管然后經(jīng)8 根均布小管分配后進入爐膛。每根廢氣分布小管配一根助燃空氣小管，其典型設(shè)計如圖6 所示。 廢氣分布小管主要承受廢氣、 助燃空氣和焚燒之后煙氣三者之間由于溫度不同而引起的溫差應(yīng)力。

圖6 廢氣接管、助燃風接管與爐體連接典型設(shè)計圖

4.2 存在的問題

焚燒爐殼體運行溫度基本在80 ℃左右，廢氣和空氣被加熱至200 ℃左右， 三者溫差在120 ℃左右，設(shè)計時沒有對接管進行保護，選材上優(yōu)先使用的是碳鋼等材料。在實際使用過程中，曾出現(xiàn)少數(shù)焊縫撕裂的現(xiàn)象， 這是由材料承受溫差引起的熱應(yīng)力導致的，特別是如果焊縫本身制造有缺陷，則溫差應(yīng)力會將此缺陷放大，造成局部失效，影響設(shè)備的正常使用。

設(shè)備運行過程中， 廢氣和助燃空氣分別需要加熱至470 ℃和490 ℃， 這導致與爐體的溫差高達400 ℃。 為此，需要對結(jié)構(gòu)進行安全性評價。 借助ANSYS 軟件采用有限元方法對結(jié)構(gòu)進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到應(yīng)力云圖如圖7 所示。 由圖7可以看出， 應(yīng)力最大值出現(xiàn)在廢氣管與爐體連接處，為1 736.660 MPa。由于溫差應(yīng)力為二次應(yīng)力，按照JB 4732—1995 《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準》（2005 年確認）［5］的要求，應(yīng)力值應(yīng)小于3［σ］（348 MPa），由此可預見該結(jié)構(gòu)在實際使用中必然會出現(xiàn)焊縫撕裂的現(xiàn)象，需要對設(shè)備進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

圖7 原結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖

4.3 改進設(shè)計

為降低焊縫處的溫差，在廢氣與焚燒爐殼體焊接區(qū)域引入熱防護結(jié)構(gòu)， 以降低此處的溫度。熱防護結(jié)構(gòu)主要由2 mm 的陶瓷纖維紙和2 mm的隔熱金屬套管組成， 金屬套管材料為S30408。改進后的結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 廢氣接管、助燃風接管與爐體連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計圖

熱防護結(jié)構(gòu)參與溫度場分析，不進行結(jié)構(gòu)分析。 對改進后的結(jié)構(gòu)進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到應(yīng)力云圖如圖9 所示。 由于9 可以看出，應(yīng)力最大值仍然出現(xiàn)在廢氣管與爐體連接處，為314.171 MPa，按照JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準》（2005 年確認） 的要求，應(yīng)力值應(yīng)小于3［σ］（348MPa）。因此，改進后的結(jié)構(gòu)是安全的，能夠保證設(shè)備的穩(wěn)定運行。

圖9 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖

結(jié)合圖7、9 可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值大幅降低， 極大地減小了溫差引起的熱應(yīng)力，優(yōu)化效果顯著。 設(shè)備運行至今，狀態(tài)良好，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)從根本上解決了廢氣接管和殼體焊接處由溫差造成的焊縫撕裂問題，保證了設(shè)備在高溫差的工況下仍能安全運行。

5 結(jié)論

5.1 根據(jù)爐膛氣體動力學流動特性，對燃燒器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，改善了整個爐子的燃燒穩(wěn)定性。

5.2 針對空氣管路流量分配不均勻的問題，通過增設(shè)阻力件，改善阻力特性，實現(xiàn)流量分配均衡化。

5.3 針對高溫廢氣與低溫爐體接管的焊縫處可能產(chǎn)生的熱應(yīng)力問題，通過增加隔熱結(jié)構(gòu)大幅降低了該處的熱應(yīng)力，解決了該處熱應(yīng)力偏高的問題，保證了設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。