新型低氮燃烧器的原理及应用

李朋远

摘要：当今，随着我国经济的加快发展，国家对生态环境越来越重视，对炼化企业污染物排放的管控力度也不断加大。其中，加热炉排放烟气中氮氧化物（NOx）含量就是一项重要的监管指标。NOx是大气的主要污染物之一，它不但能破坏臭氧层而且也是形成光化学烟雾的主要组分。2015年4月16日，中华人民共和国环境保护部发布了GB31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》，规定“新建企业工艺加热炉自2015年7月1日起执行该标准，特别限值地区执行100mg/m3的排放限值”。炼化企业早期投产加热炉的烟气排放很难达到这一指标要求，因此，通过一定的技术手段来实现减排十分有必要。

关键词：新型低;氮燃烧器;原理;应用

引言

为满足国家排放标准,中石化炼化企业相继进行了加热炉的低氮燃烧改造,燃烧器大多采用分级燃烧和烟气内循环技术来降低NOx。现场运行效果显示,低氮燃烧器在高温加热炉运行过程中存在NOx含量超标的问题;在低温加热炉运行过程中存在点火困难、火焰稳定性差、烟气中CO含量偏高的问题。以中石化普遍使用的低氮燃烧器为研究对象,在小型加热炉上开展燃烧试验,对低氮燃烧器燃烧性能进行研究。结果表明:采用分级燃烧和烟气内循环的低氮燃烧技术,适用于炉膛温度为680~800℃的中温加热炉。当炉膛温度>800℃时,低氮燃烧器应结合其他降氮措施实现NOx达标排放;当炉膛温度<680℃时,应采取强化燃烧措施,促进燃料完全燃烧。

1低氮燃烧原理

1.1引射低温烟气回流

低氮燃烧器与普通型燃烧器燃料喷枪位置不同，低氮燃烧器燃料喷枪设置在耐火砖外，普通型燃烧器燃料喷枪设置在耐火砖内。低氮燃烧器的燃料气经喷枪喷出后在自由射流的作用下，卷吸大量炉膛内的低温烟气进入燃烧区，起到增大混合气体量和冷却火焰的目的，可有效降低火焰燃烧温度，抑制NOx产生。普通型燃烧器的燃料气经喷枪喷出后在耐火砖内形成有限空间射流，主要是为了卷吸助燃空气，促进燃料气与空气有效混合，达到燃料气快速高效燃烧目的。

1.2构建扩大火焰面

低氮燃烧器与普通型燃烧器燃料喷枪数量不同，低氮燃烧器耐火砖外设置多支分级喷枪，普通型燃烧器只在耐火砖内设置一只燃料喷枪。燃料气经多支分级喷枪喷出后，形成一个包围耐火砖的面积较大的火焰面，火焰分布比较均匀、相互间叠加少，火焰的传质和散热面积大，火焰温度峰值削减，可以减少NOx生成。普通型燃烧器燃料气经耐火砖内喷枪喷出后，形成一个面积较小、内聚的燃烧火焰面，火焰温度较高，有利于燃料充分燃烧。

2新型低氮燃烧器应用

2.1点火过程

点火过程,普通燃烧器较低氮燃烧器容易,低氮燃烧器只有在点火枪伸入一定高度,供风量控制在一定范围才会被点着。并且炉膛温度低于400℃时,随着供风量及燃料量的调节,燃烧器极易发生突然灭火。这是由于低氮燃烧器燃料由6只分级枪高速喷出,燃料喷出速度高、扩散范围广、燃料燃烧不集中、火焰升温比较缓慢,稳定性较差,致使点火过程相对困难。而普通燃烧器的燃料喷出后分布比较集中,火焰温度上升快,燃烧较为稳定,点火过程比较容易,并且点燃后不易受供风量及燃料量调节的影响,操作弹性大于低氮燃烧器。

2.2燃料喷枪优化

适度扩大分级枪喷孔直径，减少卷吸烟气量，降低燃料喷速，提高燃烧火焰温度和延长燃料停留时间。同时，可以增加分级枪数量，强化燃料气与助燃空气的混合，进一步实现燃料充分燃烧。航煤加氢炉低氮燃烧器增设了燃料占比25%的中心燃料喷枪。

2.3低氮氧化物燃烧技术

在裂解炉低氮燃烧器改造的过程中，燃烧技术方面的改进主要是对气体燃烧过程中的氮氧化物生成反应进行抑制。通常而言，氮氧化物的生成与火焰燃烧的温度、气体中氧气的浓度、高温下燃烧气体的滞留时间以及燃料含氮量有着紧密的关联。低氮氧化物燃烧技术中应用最为广泛的是低过剩空气系数燃烧技术。在裂解炉产品生产时，进入炉膛内的空气量和完全燃烧需要的空气理论数量二者的比值就是过剩空气系数。在裂解炉生产产品的过程中，如果使用燃料气作为燃料，过剩空气系数通常维持在1.05～1.10。过剩的空气系数和烟气中氧气的含量之间呈现出一种明显的正相关关系。结合氮氧化物生产过程中的转换公式看来，烟气中的氧气含量越高，则产品生产过程中的氮氧化物数量越高。过高的氧气含量也会造成生产过程中烟气温度的升高，直接影响裂解炉的热效率。虽然通过烟气中氧气含量的有效削减可以控制氮氧化物的生成数量，但如果燃烧过程中的氧气含量过低，则有可能会出现不完全燃烧的问题，从而带来一氧化碳浓度增加问题，同样会影响裂解炉的燃烧效率。在这种情况下，裂解炉低氮燃烧器的改造需要合理地确定过剩空气系数，确保能够有效地达成生产目标并控制氮氧化物的生成数量。

2.4复合型燃烧器

复合型燃烧器是结合多种低氮燃烧技术后通过优化设计而形成的一种新型低NOX燃烧器，能够达到降低NOx生成量，提高环境保护力度的目的。中国环科环保技术公司开发的HBUNB系列燃烧器，就是将部分预混技术、燃料分级技术、空气分级技术、烟气再循环技术等技术综合考量，对燃烧器结构和使用流程进行优化提升设计。该设计通过利用CFD软件进行多次模拟运行和实验得出结论为：这种复合型燃烧器所排放出的NOx含量低于30mg/m

3，成功达到减少NOx排放量的目标，并已经达到国际领先水平。

2.5电子比调装置

电子比调装置配备伺服电机，作用于调节燃烧器上的燃气蝶阀、风门挡板和辅助再循环烟气挡板的开度，以调节空燃比，保证充分燃烧，采用西门子执行器ＳＱＭ４Ｘ系列。（１）与ＬＭＶ５Ｘ电子比例调节控制器配套使用，根据当前燃烧器功率控制调节装置。ＳＱＭ４５扭矩可至３Ｎｍ，运行时间为１０～１２０ｓ，不仅可以作为燃气执行器，也可以用作辅助烟气执行器使用。ＳＱＭ４８扭矩可高至２０Ｎｍ，运行时间一般为３０～１２０ｓ，可作为风门挡板执行器使用。（２）空气流量调节装置：风门伺服马达，ＳＱＭ４８，空气流量的需求大小通过调节风门挡板的开度来实现，并标识风门挡板的位置以防止误操作，通过万向轴承带动的机械连杆调节风门装置行程具有可重复性，其正向和逆向的同一工作执行点以保证风量的稳定供给。（３）燃料流量调节装置：燃气伺服马达，ＳＱＭ４５，通过调节燃气蝶阀的开度来精确调节燃气流量，保证燃料供给的平稳输入，蝶阀控制的开度调节装置应有可重复性的行程运动，正向和逆向运动中的同一工作点可以来维持燃料流量。（４）烟气流量调节装置：再循环烟气伺服马达，采用ＳＱＭ４５驱动调节再循环烟气的挡板开度来控制回流的烟气流量，并且机械调节烟气挡板装置具有可重复性的行程运动，其正向和逆向的同一工作点以保持烟气回流。

结语

汽油加氢装置加热炉新型低氮燃烧器的改造非常成功，使加热炉烟气排放满足国家的指标要求，用较小的改造成本实现了预期目标。新型低氮燃烧器的使用对企业的健康发展与国家的环保治理都具有十分显著的意义。

参考文献

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