利用装置副产物与 油气联合低氮燃烧器实现管式炉油气混烧

徐梦倩(江苏金桐化学工业有限公司，江苏 南京 210046)

0 引言

轻质油是本装置副产物之一，装置投产后一直被储存于中间罐区至一定量后进行销售。随着近年国家对危化品运输安全的进一步严格化管理，轻质油在装卸及运输过程中存在较大安全隐患。同时近几年轻质油销售价格一路下滑，与原料相比亏损较大。综合考虑，决定将轻质油引入本装置管式加热炉作为其燃料补充。该管式加热炉原先使用的是14台以天然气为燃料的低NOx气体燃烧器，现更换其中2台为油气联合低NOx燃烧器。改造后通过优化调整油气联合低氮燃烧器的操作参数，实现了该管式炉安全稳定、低NOx排放、长周期运行的油气混烧模式。

1 油气联合低氮燃烧器的技术特点及设计参数

1.1 油气联合低氮燃烧器的技术特点

本装置所用油气联合低NOx燃烧器，与原低NOx气体燃烧器相比，除燃气辅枪外，增加了中心内混式“Y”型喷油枪，可实现天然气和轻质油的切换使用。

烧气时，直接利用原低NOx气体燃烧器的炉前天然气管线，通过金属软管接入该油气联合低氮燃烧器的燃气辅枪。这两种低氮燃烧器均采用了分级燃烧、烟气再循环等技术降低NOx排放量。分级燃烧可直接拉大火焰集中区，降低局部火焰热强度，从而抑制热力型NOx的产生；烟气再循环使得空气混合部分烟气后可以回流、重新混合并再次供给燃烧，以降低燃烧区温度及氧气浓度来抑制NOx的产生。经统计，在改造和应用低NOx燃烧器后，本装置管式炉烟气中的氮氧化物排放量可稳定控制在30～50 mg/m3， 与GB 31570—2015 《石油炼制工业污染物排放标准》中规定的排放值相比，降低了近50%～70%，满足环保排放指标。

烧油时，由于轻质油的汽化温度远低于其着火温度，因此它只能在被蒸发成为油蒸汽的前提下，再和空气中的氧气相互扩散掺混后着火燃烧，而油蒸汽和氧的扩散速度远远小于其燃烧的化学反应速度，因此轻质油的蒸发和扩散速度成为了决定其燃烧速度的最重要因素。该油气联合燃烧器利用“Y”型喷油嘴的气动雾化技术来增加轻质油的总表面积，从而达到快速蒸发、掺混和燃烧的目的。1 kg呈球形的轻质油经雾化成为直径几十微米的油雾时，其总表面积可增加近4000余倍，雾化机理是利用高压气体冲击油流，使其变成细小分散的油滴，它们在高速飞行中因振动而发生破裂，破裂的油滴在周围介质的阻力作用下进一步粉碎破裂，最终形成只有几十至几百微米大小的油滴。同时喷嘴的喷孔张角可使得雾化能流向适当的方向并形成均匀分布的油雾，以促进与周围助燃空气的均匀混合，以此提高燃油的燃烧强度和燃烧效率。

1.2 油气联合低氮燃烧器的设计参数

为保证本装置轻质油火嘴能实现长周期稳定运行，因此在设计油气联合燃烧器负荷时，是以装置日均轻质油产量为依据来计算得出轻质油的燃烧量在190～210 kg/h。经核算，按此燃烧量设计的燃烧器，其放热量可满足本装置管式炉热负荷的运行要求。

雾化介质的选择一般有蒸汽和空气两种，而空气雾化又可细分为高风压空气雾化和低风压空气雾化。蒸汽雾化的雾化能力强，但成本较高，由于本装置不自产过热蒸汽，外引蒸汽需要投入新的设备及相应配套的管线仪表等，同时蒸汽价格较高，热损较大。考虑到本装置轻质油的黏度较小，燃烧量较少，而本装置现有的工业风，即压缩空气压力较高(0.65 MPa)且源头压力稳定。使用高风压的压缩空气作为雾化介质，比全部仅使用以低风压的助燃空气(助燃空气压力仅约50～100 kPa)相比，前者雾化能力更强。此外现场具备现成的可输送压缩空气的管道，在工艺设计上亦简便可行，在能达到较高雾化能力的同时，前期改造投入成本及后续蒸汽耗用成本都大大降低。因此综合考虑，选择直接使用本装置的压缩空气作为轻质油的雾化介质。

以上条件确认后，油气联合低氮燃烧器的的主要设计参数如下：(1)轻质油燃烧量在190～210 kg/h；(2)油嘴操作压力在0.35～0.4 MPa; (3)轻质油与雾化空气的压差(下简称“油气压差”)在0.1 MPa，即雾化空气压力在0.45～0.5 MPa。

2 油气联合低氮燃烧器的操作参数优化实验

2.1 雾化空气与轻质油的压差优化

该燃烧器的“Y”型油喷嘴为内混式雾化喷嘴，轻质油通过内管的中心油孔射入混合室，雾化空气则经外套管通过油孔周围的气孔喷入混合室，并以一定的夹角角度冲击油流形成充分混合的油-气乳浊液。为达到良好的雾化效果，雾化空气与轻质油的压差控制是保证燃烧器油嘴稳定燃烧的重要操作参数之一。一般规定油压需比气压低0.1 MPa，最高操作参数为油压、气压相等，以保证在燃烧过程中不会出现倒气或倒油现象。

优化本装置管式炉油气联合燃烧器油气压差的实验过程如下：控制轻质油油压稳定在0.38 MPa，该压力下轻质油燃烧量能较好地控制在设计燃烧量的范围内。在管式炉的燃气及燃油组分、燃烧器风门、环境温度、加热炉热负荷等因素基本不变的条件下，调节油气差压由高到低进行试验，其对应的加热炉运行参数变化如表1所示。

从表1对比发现，当油气压差大于0.08 MPa时，雾化效果虽好，但增加了进料阻力。随着雾化空气量地上升，轻质油进料量以较快的速度降低，同时还直接加大了进炉的空气量，造成炉膛过剩空气系数升高，雾化剂量的增大还会带走较多的热量，以上因素综合导致了炉效率的降低。在燃烧状况方面，其火焰刚度符合要求但火焰长度过短。当油气压差低于0.06 MPa时，虽然炉膛氧含量可维持在合理的控制范围内，但轻质油的雾化效果不良，火焰刚度不足导致火焰上飘，顶部发散，易舔炉管。而当油气压差控制在0.07～0.08 MPa之间时，可以得到良好的雾化效果，火焰形状刚直有力，颜色中兰上黄，呈稳定的塔柏树型，同时限制了进炉空气量，使得炉膛氧含量亦在合理的控制范围内。

表1 不同油气压差下对应的加热炉运行参数变化

因此，当轻质油压力控制在0.38 MPa时，油气压差相较于设计参考值(0.1 MPa)，调整控制在0.07～0.08 MPa后，能优化该油气联合燃烧器的实际操作性能，同时有效控制了炉膛氧含量。

2.2 炉效率优化

当本装置管式炉使用低NOx气体燃烧器及油气联合燃烧器的气嘴时，即管式炉的14台燃烧器都处于烧气模式时，各燃烧器的负荷相当，其供风风门的开度统一控制在45%时，可维持炉膛氧含量在2.0%～2.5%。而在投用油气联合燃烧器的油嘴时，即管式炉处于油气混烧模式(12台燃烧器烧气和2台燃烧器烧油时)，考虑到由于轻质油需要空气雾化，该部分雾化空气同时也作为助燃空气的一部分参与了燃烧，因此在燃烧器的风门控制过程中应充分识别到该因素，需要在操作中对风门开度有一个适当的优化调整，这也直接影响炉效率的重要因素之一。

优化本装置管式炉效率的实验过程如下：在加热炉的燃气及燃油组分、环境温度、加热炉热负荷等因素基本不变的条件下，控制保持油压稳定在0.038 MPa、油气压差稳定在0.08 MPa进行试验，通过调节油气联合燃烧器的风门开度(自开度45%依次降低10%直至开度为15%)，同时观察对应炉膛氧含量及燃烧火焰的变化情况。

实验发现，油气联合燃烧器烧油时风门开度控制在45%时，加热炉氧含量为2.81%，该风门开度下的火焰因供风量过大导致回流循环区周围的气流温度降低，不利于形成稳定的保持高温的中心温度场，导致燃烧不稳定，火焰易熄，同时炉膛氧含量过高，炉效率降低明显；当风门开度控制在35%时，火焰刚度有所增加，火焰顶部轻微发红，加热炉氧含量在2.62%，炉膛氧含量较高；当风门开度控制在25%时，可达到满意的燃烧状态，火焰刚直有力呈明黄色，形状呈稳定的塔柏树型，高温烟气能回流对油雾进一步进行加热、汽化和强迫点燃，实现稳定燃烧的目的，该状态下炉膛内氧含量为2.43%，符合控制要求，且计算发现加热炉效率相较于风门开度在45%时提高了约0.3%；当风门开度继续降低至15%时，炉膛氧含量虽降低至2.38%，但此风门开度下的火焰无力发飘，刚度不足，燃烧状态不佳。因此，在油气联合燃烧器烧气时，风门可控制在45%，在其切换燃料为轻质油后，将其风门开度降至25%，可在保证稳定燃烧的同时降低炉膛氧含量，提高炉效率约0.3%。

3 效益核算

按轻质油低热值41.648 MJ/kg，天然气(以CH4粗算)低热值35.906 MJ/m3计算，每吨轻质油的热值相当于1159 m3的天然气。

根据每立方天然气的售价，可通过热值换算得出每吨轻质油折算成天然气后的费用为A。该费用A与轻质油每吨的销售净收益B之差，即为每吨轻质油作为燃料补充时产生的经济效益与其外销时产生的经济效益之差。经核算，相较于外销，使用轻质油作为燃料补充，每年可为本装置节省近200万元的燃气费用，经济效益显著。

4 结语

正常使用状况下油压控制在0.038 MPa，油气压差控制在0.07～0.08 MPa，可使得该低NOx油气联合燃烧器的油嘴达到最佳燃烧状态，实现了本装置管式炉低污染物、安全高效、长周期运行的油气混烧模式。当低NOx油气联合燃烧器切换为烧轻质油时，将其风门开度从正常烧天然气时的45%降至25%左右，可降低炉膛氧含量。加热炉过剩空气系数在1.15左右，提高炉率约0.3%。本装置引进油气联合低氮燃烧器，利用装置副产物—轻质油作为燃料补充，不仅满足环保排放要求，同时经济效益十分显著，每年可节省近200万元燃料费用。