基于CO 分析控制的加热炉燃烧技术的应用

师彦俊

（中国石化镇海炼化分公司炼油二部，浙江宁波 315207）

延迟焦化装置加热炉能量消耗约占整个装置能耗的1/3，同时也是NOx、SO2等污染物排放的主要设备，在提高加热炉热效率，降低能耗，降低污染物排放方面，业内做了很多研究并开展了工业应用，如采用高效、低NOx燃烧器，降低过剩空气系数；采用分段空预器，提高材质，降低排烟温度；采用新材料衬里以及炉管喷涂材料等，这些措施都取得了一定的效果，整体来看目前国内焦化加热炉的氧含量多数控制在3%以上，较高的氧含量会导致过多的热损失，降低加热炉热效率，同时空气中的氮气在高温状态下会生成过多的NOx[1]，增加了污染物的排放量，过剩空气中的氧气也会促进SO3的转化率，加剧低温露点腐蚀和炉管结垢[2]。

镇海炼化某焦化装置加热炉热效率在92%以上，为了进一步挖潜增效，2017年3月对该加热炉进行在线技术改造，采用了基于CO 分析控制的加热炉燃烧技术，在降低过剩空气量、提高加热炉热效率、减少NOx排放量和降低能耗等方面都取到了明显效果，同时还使得加热炉的运行在翻四通、预热等操作时更加安全平稳。

1 基于CO 分析控制的加热炉燃烧技术原理

瓦斯与空气在加热炉内燃烧，加大并超过燃烧所需的空气当量配比时CO 浓度较低，并几乎维持不变，但由空气过剩导致烟气散热损失会进一步增加；相反当供风量减少，直到接近没有足够的氧气完全燃烧时，CO 浓度会有一个快速上升阶段，并且瓦斯消耗也会快速增加，烟气的热损失将明显增大。所以通过调节供氧量，使CO 浓度保持在略高于最低值时，此时加热炉的烟气热损失最低，热效率相应也最佳[3]。

图1 更加量化地显示了燃烧过程中加热炉烟气氧含量和CO、NOx含量三者之间的关系[4]。

图1 CO/O2/NOx关系及CO建议控制区域

由图1 可知，当O2含量在1%以上时，随着O2含量的增加并没有生成过多的CO，基本维持在50μg/g以下，此时由过剩空气带走的热损失会处于较高水平。当O2含量在0.5%以下时，随着O2含量的进一步减少，CO 含量会快速增加，此时由不完全燃烧导致的热损失也会迅速增加。如果O2含量在0.5%～1%之间，CO含量在50～150μg/g范围之内，能很好地平衡空气过剩引起的热损失和不完全燃烧引起的热损失，此时处于略高于理论配比燃烧状态，加热炉的热效率也最高。同时会使得NOx排放量快速下降，基本控制在10μg/g以下，相比基于O2分析控制的加热炉燃烧技术降低40%以上，因此采用CO 分析控制的加热炉燃烧技术还可以大大降低污染物NOx的排放量。

2 基于O2 和CO分析控制的加热炉燃烧技术对比

2.1 基于O2 分析控制的加热炉燃烧技术

目前国内延迟焦化加热炉普遍采用的是基于O2含量控制的加热炉燃烧技术，此技术通常利用氧化锆在辐射室顶部定点测量烟气中的氧含量，监测控制加热炉的燃烧，氧含量一般控制在3%以上，很难接近加热炉的理论配比燃烧，主要存在以下不足：

1）受瓦斯组分影响较大

在炼厂实际生产中不可避免地会发生燃料气组分变化、热值波动等导致火焰不稳、扑炉管或墙砖等燃烧工况，这种不完全燃烧造成CO含量和O2含量同步升高，给操作带来难度。

2）不能准确反映加热炉燃烧状况

加热炉氧含量测量常利用氧化锆元件，由于氧化锆对测量温度的要求，通常安装在辐射室烟道中进行定点测量。烟气的偏流以及烟气的混合均匀性都会直接影响测量的准确度，氧化锆的测量值不能充分反映加热炉燃烧器的燃烧情况。

3）不能及时调整加热炉燃烧工况

由于氧化锆基于电化学原理，测量过程缓慢，监测相对滞后，加热炉的控制策略无法对照加热炉监控数据及时调整。

4）加热炉漏风对氧气测量的影响

空气通过看窗、安全门等部位泄漏进负压加热炉也会导致加热炉氧含量偏高，误导操作人员逆向调节。因此，使用基于O2含量分析控制的加热炉燃烧技术调节加热炉燃烧时都会留有一定的安全余量，这也就使氧含量偏高，加热炉热效率相应偏低，进一步加剧污染物排放和露点腐蚀等负面影响。

2.2 基于CO 分析控制的加热炉燃烧技术

1）该技术直接测量的是CO 浓度，CO 是燃烧的直接产物，而加热炉的燃烧波动，通过CO 含量的变化可以迅速直观地察觉，数据更加直观。

2）CO浓度的监测采用量子串级激光技术，不受温度条件的限制，测量点设在对流段或在引风机入口上，监测的中红外光束直接横穿烟道，确保检测值不留死角实时覆盖烟气中全部CO，而且利用分析仪中的滤光器可以消除其他无关气体的干扰，操作针对性更强，安全性更高。

3）由于空气中没有CO，所以加热炉漏风对CO浓度的测量不会带来影响，可以使操作调节更积极主动。

4）量子串级激光技术1 s 可以测量7 次，信号传输速度快、准确率高。在应用过程中发现，当改变鼓风机变频时，CO 浓度的测量比O2含量的测量反应速度快15 s左右，使得操作调节更及时快速。

3 长周期工业应用情况

3.1 实施情况

该焦化装置加热炉共有6 个炉膛，每2 个炉膛共用一个对流室，每个炉膛有两排共计28 个燃烧器。炉膛风道的设计是从炉膛靠近鼓风机的一端通向另外一端，而炉膛燃料气设计方向与风道的流向相反，所以沿着风道方向风压逐渐减小，而燃料气的压力却逐渐增大，为确保每个燃烧器最大可能接近燃烧配比，风压较小位置燃烧器风量控制在接近理论配比，最大程度的减少不完全燃烧的火嘴，那么风压大的燃烧器不可避免导致处于空气过剩状态，这导致炉膛的整体氧含量会控制在较高水平。

基于CO 分析控制的加热炉燃烧技术摆脱了以氧含量为控制指标的理念，直接控制燃烧过程产生的CO浓度，CO仅仅是烃类不完全燃烧的直接产物，不受其他因素干扰，通过在加热炉引风机入口安装CO分析仪进行监控。

通过监控CO分析仪数值同时观察炉膛氧含量，判断出配比不理想的燃烧器，并通过现场的二次风门进行调整，通过调整每个燃烧器的配比，使所有的燃烧器风量处于理论配比状态，降低整个炉膛的过剩空气系数，提高加热炉整体热效率。

将基于CO 分析控制的加热炉燃烧技术引入原有控制系统中，可以进行无扰动切换（切换主要用于炉膛在线清焦工况时），通过CO在线分析仪测量加热炉三个炉膛混合后烟气中的CO 浓度，并控制在50～150μg/g之间，DCS系统根据CO浓度的控制值与实际测量值之差输出信号给鼓风机变频器，以达到控制鼓风机变频开度的目的。当CO 浓度高则需要提高鼓风机变频则加大供风量，当CO 浓度低则减少鼓风机变频降低供风量。该系统可以与已有的O2含量控制系统整合，当CO分析仪故障时可以无扰动地切换到O2含量控制系统。

3.2 系统投用效果分析

表1 为该系统投用后的标定数据，不难看出基于CO 分析控制的加热炉燃烧技术投用后加热炉热效率提高了0.68百分点达到92.89%，加热炉燃料节省53.88 m3/h，鼓风机变频由35%降低至20%，用电量节省36.11 kW·h/h，加热炉中CO平均浓度控制在45μg/g以下，NOx浓度由40.1 mg/m3降至26.8 mg/m3，一年内可能减排NOx14 t，减排量达47%以上，加热炉排烟量降低6 500 m3/h。

3.3 周期性操作的控制调节

为了提高焦化装置周期性波动较大（翻四通和焦炭塔预热等）的操作平稳性，在加热炉DCS 优化控制上采取了CO 输出控制鼓风机变频，同步鼓风机比值前馈输出和炉膛负压（取各分炉膛负压最高值）反馈相结合的调节输出对引风机进行综合变频控制，同步兼顾加热炉的快速控制和精细调节。基于CO 分析技术控制加热炉负压自动控制逻辑见图2。

表1 CO 分析控制加热炉燃烧技术投用前后关键参数变化对比

这使得周期性波动操作的平稳性更强，在该工况下O2含量短时间会升高至1.0%～1.7%，相比CO分析控制投用之前大幅度下降，操作人员的工作量明显降低。

图2 基于CO分析技术控制加热炉负压自动控制逻辑

3.4 长周期运行的平稳性

自2017 年3 月以来CO 分析控制的加热炉已连续稳定运行了35个月，整体运行平稳，仅在加热炉在线清焦时需要切换至氧含量控制系统。该焦化加热炉O2含量基本控制在0.5%～1.2%，随着氧含量的降低，加热炉热效率总体提高至92.8%～93.5%，每年可节省燃料费用130万元，降低电费20万元，约20个月可以收回投资成本。

另外，在运行中装置负荷变化对该系统的影响较小，加热炉氧含量总体比较平稳，具体见表2。

表2 CO 分析控制加热炉燃烧技术对装置负荷变化的适应性

4 结论

基于CO 分析控制的加热炉投用后，加热炉的燃烧接近理论燃烧状态，基本实现空气与燃料的最佳燃烧配比，炉膛氧含量由原来的3.33%降低至0.75%，平均热效率可以稳定在93%以上。燃料可节省53.88 m3/h，鼓风机变频由35%降低至20%，用电量降低36.11 kW·h/h，节能效果明显，一年内约减少NOx排放14 t，排烟量降低6 500 m3/h，环保效益也十分明显。该技术的应用使焦化加热炉的运行也更加稳定。