芳烃重整炉应用引射式扇形燃烧器的技术改造

李兵科，汪 涛，谭永华，钱永康

（1.北京航天动力研究所，北京100076；2.航天推进技术研究院，陕西 西安710100）

重整是指烃类分子重新排列成新分子结构的工艺过程，重整反应是吸热反应，重整加热炉是芳烃联合装置的核心装置[1]。芳烃重整炉的炉体结构及重整工艺本身对配套燃烧器的热功率及火焰形状有苛刻要求[2]。燃烧器通过燃烧燃料为重整炉进行重整反应提供所需热量，是重整加热炉的关键设备，其运行负荷、对燃料的适应性、火焰形状及长度等性能直接影响重整加热炉的工艺性能和生产运行。

1 芳烃重整炉原燃烧器运行状况及存在问题

芳烃重整炉（BA-303炉）是某石化芳烃厂进口UOP公司重整工艺的关键设备，该重整炉原燃烧器为进口JONH-ZINK公司的自然通风型式的圆筒形风箱结构、扩散式燃烧器，如图1所示。燃料采用炼厂瓦斯气，实际运行过程中，厂内瓦斯气的压力、组分等参数变化较大。特别地，瓦斯气中含有较高的H2组分，其体积分数波动范围在45%～85%之间，高氢组分焚烧过程中火焰传播速度很高，尤其当其组分发生波动时，对原燃烧器的热功率和火焰结构影响较大，对重整炉的工艺运行稳定性影响很大。

图1 重整炉原燃烧器结构示意图

芳烃重整炉（BA-303炉）燃烧存在问题具体表现在以下几点：

（1）重整炉排放烟气中CO含量偏高；

（2）瓦斯气压力波动频繁剧烈，燃烧器工作过程中发生脱火现象；

（3）原设计采用扩散式燃烧器，使用过程中常有黑烟产生；

（4）瓦斯气燃烧器出口火焰过长，刚度差；

（5）重整炉（BA-303炉）排放烟气中NOx含量高。

由于以上问题，该芳烃重整炉（BA-303炉）原燃烧器未达到理想的使用效果，影响了重整炉的生产负荷，需要在不改变重整加热炉的前提下，进行燃烧器的技术改造，以期该重整炉达到稳定工艺运行状态。

2 原因分析及解决措施

通过研究该芳烃重整炉（BA-303炉）及配套燃烧器的设计资料，借鉴相关重整炉改造的经验[3-5]，结合现场实际运行问题和运行数据，分析原因并制订应对措施。

芳烃重整炉（BA-303炉）燃烧器使用的燃料气为炼厂产瓦斯气，其物性见表1。

表1 燃料气参数

2.1 燃烧过程CO产生量高

2.1.1 原因分析

燃烧器所用燃料为炼厂瓦斯气，由表1可知，瓦斯气的压力变化大。因为气体燃料在炉膛内燃烧属于匀相化学反应，压力的变化会引起反应物浓度的变化，当压力过低时，不完全燃烧产物CO的含量会因燃烧速度减缓而增加。

另外，原设计燃烧器采用自然通风圆筒式燃烧器，燃烧器进风口未设置风量调节器，进风量没有调节控制手段，进风同瓦斯气混合效果差，导致欠氧燃烧产生大量的CO，降低了燃烧的燃烧强度和热效率。

2.1.2 应对措施

燃烧器改造为预混式燃烧器，保证氧气和瓦斯气着火燃烧前的预混，提高燃烧强度；同时风箱入口设置风量调节器，用以保证瓦斯气助燃风的合适比例调节。这样，避免瓦斯气的不完全燃烧，减少燃烧产物中CO的产生，既保证重整炉可在最佳效率点运行，又留有可调节的安全余量。

2.2 燃烧器的脱火

2.2.1 原因分析

气体燃料的速度由压力转换而来，瓦斯气压力一直处于波动状态，波动幅度大，现场运行入炉燃气实际压力最低为0.017 MPa，最大为0.1 MPa，与此同时，瓦斯气中氢组分含量很高，一般都在45%以上，据统计最高时可达到85%，为典型的高氢燃烧方式。氢气作为反应能力强的气体，火焰传播速度快，其组分在瓦斯气中处于大幅度波动状态，当瓦斯气压力升至上限、氢组分含量低的工况下，燃烧器出口流速高于燃烧速度，着火点远离燃烧器而发生脱火，现场运行表明，在低负荷运行时，炉温偏低，脱火时有发生。

2.2.2 应对措施

改造设计设置风量调节器：风门分一次调风门和二次调风门，依据理论计算，将风道分为面积不同、互不相通的两部分。通过控制配风送入量，避免预混的燃气和空气在燃烧器出口流速过大而引发脱火。

2.3 运行过程产生黑烟

2.3.1 原因分析

燃烧器所烧燃料组分如表1所示，其所含碳氢化合物在重整炉内将发生（1）～（5）的化学反应[6]。碳氢化合物燃料着火燃烧前未和氧充分混合，燃烧过程中发生（式（1）的反应）热分解产生炭黑，炭黑的燃烧比较困难，如果火焰的尾部温度较低，或者氧气不充分，炭黑燃烧不完全，形成黑烟。原设计燃烧器采用扩散式燃烧，瓦斯气中各组分碳氢比又比较高，在一定程度上增加了扩散燃烧过程中火焰中炭黑粒子的数量，从而导致了黑烟的产生。

相反的，只要碳氢燃料在燃烧前已经和一定数量的氧进行预混，氧气充足的情况下，就可以完全燃烧，发生式（2）的反应；即使氧不充分，不能保证完全燃烧，也可以使得碳氢燃料完全氧化，而不至于产生炭黑，如式（3）～式（5）所示。

2.3.2 应对措施

采用预混式燃烧器，保证燃料和空气的预混，提高火焰燃烧强度，从而避免瓦斯气碳氢组分热分解产生炭黑、炭黑无法充分燃烧导致的黑烟。

2.4 火焰偏斜舔烧炉管

2.4.1 原因分析

原燃烧器采用扩散式燃烧方式，只设置一个燃气枪喷嘴，辅助燃气中氢组分含量高，火焰较长且刚度较差，实际运行过程中火焰向炉膛上部偏斜，造成炉膛内温度场不均匀，以燃烧器为界，出现明显的炉膛上部温度高，下部温度低的状态。同时，火焰偏斜还会舔烧炉管，影响加热炉的连续稳定运行。

2.4.2 应对措施

预混式燃烧器的燃烧方式采用引射预混式燃烧（部分预混式，或称大气式），燃料和空气的部分预混，燃料气和空气比例可调，火焰长度可调整变化。设置两个扇形预混燃气喷嘴，增加火焰燃烧面积，从整体上将燃烧器火焰形状由细长变粗短，增加了火焰刚度，缩短火焰长度，同重整炉结构要求相适应。

2.5 重整炉排放烟气中NOx含量高

2.5.1 原因分析

重整炉燃料气为炼厂瓦斯气，没有含氮元素组分，不会产生燃料型NOx，重整炉排放烟气中NOx为热力型NOx[7]。燃料气中氢组分含量高，由于氢气易燃、热值高的特点，瓦斯气中氢浓度高的燃烧区域易形成火焰高温区，燃烧器火焰存在温度差异大的高低温区域。当温度高于1 500℃时，空气中氮气和氧气反应生成的氮氧化物即为热力型NOx。

2.5.2 应对措施

采用预混式燃烧器，燃料和空气的部分预混，空气的掺入降低了混合燃料气的热值，同时降低了氢组分的浓度，增加了混合燃料气各组分的均匀性。混合燃料气与剩余空气的混合、燃烧，增加了燃烧火焰中温度的均匀性，减小了燃烧火焰中的高温区域，从而降低了热力型NOx的生成量。同时调节一、二级风门调整过量空气系数，引射器内燃气和空气部分预混形成混合燃气，降低了混合燃气的热值，有利于降低火焰中高温区域的比例，混合燃气喷出喷嘴后再同剩余助燃空气进一步燃烧，实现分级供风达到降低NOx的目的。

3 重整炉燃烧器技术改造要求

芳烃重整炉（BA-303炉）炉体不变，只进行燃烧器技术改造，燃烧器使用的燃料气不变。燃烧器技术改造，需要满足重整炉所需的全部热量及其分配要求，同时要满足新的国家环保排放要求。芳烃重整炉燃烧器具体的技术改造要求如下：

（1）改造燃烧器的负荷

重整炉（BA-303炉）的结构形状、容积不变，新燃烧器的设计改造需要满足重整炉的容积热负荷。重整炉配套24台燃烧器，包括两种规格燃烧器：单台热负荷为2.58×106×4.18 kJ/h的燃烧器8台，单台热负荷为2.01×106×4.18 kJ/h的燃烧器16台。

（2）改造燃烧器的设计要求

新燃烧器能够适应瓦斯气的压力变化和组分变化，避免运行过程发生脱火和回火现象；燃烧性能良好，降低重整炉排放烟气中CO含量，避免黑烟生成；设置风门要求调节灵活、方便；火焰刚度好，长度合理，确保火焰不舔炉管；火焰形状适应炉体结构以及重整工艺需求；同时降低重整炉排放烟气中的NOx含量。

（3）噪音要求

单台燃烧器运行噪音≤75 dB。

（4）NOx排放指标

保证重整炉排放指标满足GB 31571-2015《石油化学工业污染物排放标准》重点地区要求的排放限值：工艺加热炉烟气中NOx排放量＜100 mg/m3。

4 重整炉燃烧器改造研制

根据重整炉燃烧器新的设计范围及要求，结合燃烧器燃烧工况分析，首先确定重整炉新燃烧器的方案，然后进行相关的设计计算，完成重整炉新燃烧器的改造研制。

4.1 重整炉燃烧器方案确定

相比扩散式燃烧，预混式燃烧能提高燃烧强度，促进气体燃料的完全燃烧。通过控制掺混比，可以使得燃烧温度低于理论燃烧温度，也低于或略高于热力氮氧化物生成的起始温度，可以降低氮氧化物的生成量。

根据重整炉的改造要求，新燃烧器的燃烧方式采用预混式燃烧。从节约能源角度出发，考虑充分利用燃料气的压力，采用引射式预混方式（部分预混式，或称大气式），用燃料气压力引射部分环境空气形成预混气，然后预混气与剩余空气进行燃烧。这种设计实现了燃料气的所需空气分级供应，燃料气引射部分环境空气形成预混燃气，降低了预混燃气的热值，有利于降低火焰中高温区域的比例，抑制NOx生成。

燃料气引射空气的引射器带有混合管，引射器混合管与其后的燃气扇形喷嘴组成引射式扇形燃气喷嘴，每台燃烧器设置两件引射式扇形燃气喷嘴。预混燃气与剩余空气的燃烧采用扇形多孔燃烧器，既考虑了预混燃气体积流量的增加需要气体喷射孔面积的增加，又考虑了燃烧器火焰长度的调节。燃烧器采用了长方形风门外置式设计，而非传统的圆筒形结构，方便了风门调节装置及消音器的设计安装，为实现提高热负荷、降低生产噪音创造了条件。

燃烧具体结构方案如下：

（1）风道：方形风道内表面加装消音层，采用法兰结构与风量调节器相联。消音层由50 mm超细玻璃棉及30目金属滤网组成，由12根内置螺栓固定。

（2）风量调节器：风门分一次调风门和二次调风门，依据理论计算，将风道分为面积不同、互不相通的两部分。手柄加装分度盘及弹簧，转轴底帽可以调节风门转动阻力。风量调节器内表面也加装消音层，进一步降低噪音。

（3）风箱：方形风箱为整台燃烧器的主体部分，内装两只气枪及一只长明灯，侧面接风量调节器，前端面与炉墙联接。为了保证瓦斯喷枪的位置度公差，枪尾部安装了瓦斯喷枪垫板，枪前端有瓦斯枪固定环。

（4）瓦斯喷枪：瓦斯喷枪由进气管、定位环、瓦斯喷头、混合管、喷火口五个部件组成，定位环的前端凸面与混合管末端凹面相配合，保证与定位环内表面配合的瓦斯喷头中心线与瓦斯喷枪中心线重合。扇形喷头前端开7个等径圆孔，两侧外缘内翻，翻边内各藏六个等径小孔，来保证主火焰燃烧稳定、不脱火。因普通加工手段难于满足设计要求，扇形喷头采用了熔膜铸造，以保证表面质量及加工精度。

（5）长明灯：长明灯由喷头、调风片、混合器、长明灯头、稳火罩等零件组成，供开车时点火及避免主燃烧气突然波动熄火等紧急情况下确保炉子的安全。

（6）重整反应加热炉在实际运行中，很难稳定地运行在“最高”热效率点，因此在实际操作中，首先确定一个合适的负压，通过随时调节烟道挡板，使其尽量保持稳定，然后，通过稍开大进风量，检测并使烟气中CO含量很低。其后，再逐渐关小进风门，检测并观察CO含量变化情况，当CO含量急剧增加，说明此时空气量合适，炉子热效率最高，最后，再稍开进风门，降低CO含量，使CO含量不超过100 mL/m3，让炉子在这个点运行，热效率比较高，又留有可调节的安全余量，这便是加热炉的“最佳”热效率点。

引射式扇形燃烧器结构如图2所示。

图2 引射式扇形燃烧器结构

预混式燃烧存在回火的可能性，调节比有限。本引射式扇形燃烧器设计中，设置了燃料空气供应量恒定的扩散燃烧长明灯，保持长明灯扩散火焰作为稳定的点火源，同时预混空气与燃料气的预混具有可调节性，共同作用来拟制燃烧器回火的发生。

4.2 引射式扇形燃烧器设计计算

根据重整炉燃烧器热负荷及燃料气物性，利用气体燃烧及气气引射公式（6）～（8）[8-10]及相关经验参数取值进行计算，设计燃烧器（引射器）关键参数及尺寸：瓦斯喷嘴孔直径及数量、引射器喉管直径、预混燃气喷嘴孔直径及数量，空气过量系数取1.15，设计空气进口相关尺寸等，完成引射式扇形燃烧器设计。

式中：Fp—火孔总面积，mm2

Q—燃烧器热负荷，kW

vp—火孔出口气流速度，m/s

H1—燃气低热值，kJ/m3

α′—空气过量系数

V0—理论空气需要量，m3/m3

Lg—喷嘴流量，m3/h

u—喷嘴流量系数，无量纲

d—喷嘴直径，mm

H—燃气压力，Pa

S—燃气相对密度，无量纲（空气取1）

DT—引射器喉管直径，mm

Dg—燃气喷嘴直径，mm

K—引射器系数，无量纲

4.3 引射式扇形燃烧器技术特点

新研制的引射式扇形燃烧器主要技术特点如下：

（1）采用燃气（瓦斯气）与一次风空气引射预混，增强混合程度，提高燃烧强度，一次风需要量少，流速低，利于稳定火焰，二次风空气为火焰外部供风，使火焰充分燃烧。

（2）用了扇形带稳焰孔的新型喷火口，火焰燃烧稳定、刚劲、充满度好、燃烧效率高。

（3）燃烧强度提高，加上进风管内壁消音器的设置，可大大减低燃烧器运行噪音。

（4）一、二次风门采用了外置式结构，风门、手柄采用了新型设计，调节灵活方便，稳定可靠。

（5）燃烧器瓦斯喷头为快装式结构，便于操作、清理，整个燃烧器外形美观、实用。

5 燃烧器改造运行情况

芳烃重整炉（BA-303炉）24台引射式扇形燃烧器开始使用以来，运行情况良好，燃烧器改造前后对比见表2。

表2 改造前后燃烧器参数及运行效果对比

引射式扇形燃烧器现场实际运行过程中：

（1）燃烧稳定，浅蓝色火焰明亮干净，火焰外形与锥角合理，不舔烧炉管和风砖，有利于重整炉长期运行。

（2）燃烧适应性强，在生产过程中能适应炼厂瓦斯气的组分变化，燃烧效果理想。

（3）燃烧负荷调节比大，对炼厂瓦斯气的压力变化适应性强。当瓦斯气压力在0.017～0.10 MPa之间变化时，扇形燃气烧嘴仍可保持稳定燃烧，火焰不发散，火焰外形与锥角合理。

（4）扇形燃气喷嘴不堵孔、不结焦。

（5）燃烧充分，烟气中一氧化碳和氧含量很低，运行过程中烟气中CO含量低于100 mg/m3，重整炉膛内积灰明显减少。

（6）重整炉排放烟气中NOx含量低于50 mg/m3，满足国家标准GB 31571-2015《石油化学工业污染物排放标准》环保要求。

6 结论

针对芳烃重整炉燃烧器实际使用中的问题，改造研制了全新的引射式扇形燃烧器，实际运行以来，有效地解决了原燃烧器使用过程中出现的烟气中CO含量偏高、燃烧器脱火、火焰刚度差尺寸变化引发的舔烧炉管、烟气中产生黑烟及烟气中NOx含量高等问题，引射式扇形燃烧器各项性能达到了改造要求，提高了燃烧强度和热效率，保证了在瓦斯气压力、组分大范围波动下的重整炉连续稳定运行。