徐寶平

(中國(guó)石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 255400)

工業(yè)加熱爐是個(gè)耗能大戶，其能耗占全國(guó)總能耗的1/4，燃燒產(chǎn)生的煙氣更是大氣嚴(yán)重的污染源[1]。石化企業(yè)燃料氣的消耗占據(jù)企業(yè)總能耗和動(dòng)力費(fèi)用的60%～70%，是最為關(guān)鍵的節(jié)能管理環(huán)節(jié)。深入分析加熱爐燃燒機(jī)理、完善操作管理辦法是提高加熱爐熱利用效率、確保長(zhǎng)周期運(yùn)行的基礎(chǔ)工作。

1 燃料氣加熱爐燃燒過程的數(shù)學(xué)模型的建立和計(jì)算

石化企業(yè)的燃料氣主要來(lái)自生產(chǎn)過程中副產(chǎn)的小分子氣體，俗稱“煉廠氣”，主要由甲烷、乙烷、氫氣、硫化氫等物質(zhì)組成。隨著生產(chǎn)波動(dòng)和工藝調(diào)整，石化企業(yè)燃料氣的組成變化幅度比較大。即使是冬季與夏季，石化企業(yè)燃料氣也有較多不同的組成。

編制本軟件是為了精準(zhǔn)驗(yàn)算上述不同組成的燃料氣所產(chǎn)生的不同后果，從理論上計(jì)算出影響程度和預(yù)防方法。軟件編制的邏輯關(guān)系見圖1。

為了便于計(jì)算，本軟件需要將常規(guī)氣體燃燒的化學(xué)方程式變更為如下適合各種氣體的通用化學(xué)平衡式。

(1)

燃料氣中各組分對(duì)應(yīng)上述化學(xué)平衡式中的各因子見表1。

表1 燃料氣中各組分因子

本軟件選擇表2的5種燃料氣進(jìn)行計(jì)算。

表2 5種燃料氣體積分?jǐn)?shù)組成 %

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 5種燃料氣的計(jì)算結(jié)果

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 熱值的變化

上述計(jì)算表明，當(dāng)燃料氣中甲烷、丙烷含量增加時(shí)，質(zhì)量熱值差異在1%～2%之內(nèi)，而體積熱值會(huì)增加1.5～3.0倍。

2.2 對(duì)供風(fēng)與燃燒器配風(fēng)的影響

加熱爐在“典型燃料氣”、“高甲烷燃料氣”、“高丙烷燃料氣”的體積熱值從34.63 MJ/m3分別提高至45.46 MJ/m3和82.29 MJ/m3，提高幅度分別為131%和238%；而體積需氧量分別為0.23 m3/m3、0.83 m3/m3和2.44 m3/m3，提高幅度分別達(dá)到100%、361%和1 061%，表明：

(1)燃料氣中甲烷、丙烷的比例增加后，加熱爐在既定的輸出功率下，供風(fēng)會(huì)增加3～5倍，原有的風(fēng)機(jī)功率或風(fēng)道流通面積會(huì)影響加熱爐的正常運(yùn)行。

(2)石化企業(yè)在冬季或應(yīng)急狀況下緊急“補(bǔ)烴”是將富含丙烷、丁烷的液化氣組分添加到燃料氣系統(tǒng)。這種行為會(huì)使加熱爐供風(fēng)不足，燃料燃燒不完全，煙囪冒黑煙。

2.3 對(duì)燃燒器功率的影響

已有的燃燒器功率取決于燃料流量和配風(fēng)流量。針對(duì)“典型燃料氣”選擇的燃燒器，燃料氣管道直徑、流量或壓力控制閥門、噴嘴尺寸等都已經(jīng)定型，當(dāng)燃料氣組分發(fā)生變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如下問題。

(1)在“高氫氣燃料氣”的工況下，由于燃料氣密度小，提供既定功率的熱量時(shí)，需要更大的燃料氣流量。原有的燃料氣管道直徑、流量或壓力控制閥門、噴嘴尺寸會(huì)限制加熱爐功率的輸出。

(2)在“高丙烷燃料氣”的工況下，由于燃料氣密度大，提供既定功率的熱量時(shí)，只需要較小的燃料氣流量。原有的燃料氣流量或壓力控制閥門、噴嘴尺寸過大，會(huì)造成爐膛超溫、爐出口溫度大幅波動(dòng)、煙氣氧含量高、過剩空氣系數(shù)高等種種不平穩(wěn)現(xiàn)象。

(3)石化企業(yè)的應(yīng)急“補(bǔ)烴”會(huì)嚴(yán)重?cái)_亂加熱爐的平穩(wěn)操作。

2.4 對(duì)火焰溫度和氮氧化物的影響

高溫有利于氮氧化物生成反應(yīng)，在高溫區(qū)的停留時(shí)間越長(zhǎng)，生成的T—N也越多[2]。燃燒產(chǎn)生的熱量最終分布于CO2、H2O、N2等燃燒產(chǎn)物上，燃燒產(chǎn)物越少，火焰溫度越高，這就是木柴火焰、煤炭火焰、乙炔+氧氣火焰和電弧火焰逐步升高的原因。上述計(jì)算結(jié)果中的“單位熱值排放量”是表示單位發(fā)熱值下煙氣排放數(shù)量的多少，數(shù)值越小則火焰溫度越高，也就越容易產(chǎn)生氮氧化物。

計(jì)算結(jié)果表明：

(1)火焰溫度或氮氧化物產(chǎn)生量從高到低依次排序是：高氫燃料氣>典型燃料氣>富甲烷燃料氣>高甲烷燃料氣>高丙烷燃料氣。

(2)忽略煙氣組成，以高氫燃料氣的火焰溫度1 250 ℃計(jì)算，典型燃料氣、富甲烷燃料氣、高甲烷燃料氣、高丙烷燃料氣的火焰溫度分別是1 249 ℃、1 110 ℃、968 ℃、622 ℃。

(3)同時(shí)也說(shuō)明，高丙烷燃料氣的體積熱值高，但是火焰溫度低，不適合加熱300 ℃以上的工藝物料。

2.5 對(duì)加熱爐燃燒效率的影響

單位熱值排放量不僅能與火焰溫度、氮氧化物產(chǎn)生量相關(guān)聯(lián)，也能與加熱爐熱利用效率相關(guān)聯(lián)?！皢挝粺嶂蹬欧帕俊痹酱螅訜釥t的煙氣排放量也越多，在相同的熱負(fù)荷和傳熱效率下，加熱爐的熱效率也越低。

計(jì)算結(jié)果表明：

(1)燃燒效率依次是：高氫燃料氣>典型燃料氣>富甲烷燃料氣>高甲烷燃料氣>高丙烷燃料氣。

(2)忽略煙氣組成，以高氫燃料氣火焰溫度為92%計(jì)算，典型燃料氣、富甲烷燃料氣、高甲烷燃料氣、高丙烷燃料氣的火焰溫度分別是92%、91%、90%和84%。

(3)由此也可以判斷，石化企業(yè)在冬季或應(yīng)急狀況下緊急“補(bǔ)烴”，不僅會(huì)擾亂加熱爐的平穩(wěn)操作，更會(huì)大幅降低加熱爐的燃燒效率。

2.6 對(duì)露點(diǎn)溫度和露點(diǎn)腐蝕的影響

煙氣露點(diǎn)一般是指煙氣的露點(diǎn)溫度，其定義是：在保持壓力和煙氣中水汽含量不變的條件下，使煙氣冷卻達(dá)到飽和時(shí)的溫度稱露點(diǎn)溫度。實(shí)際上也就是水蒸氣與水達(dá)到平衡狀態(tài)的溫度。

熱電燃煤企業(yè)的煙氣組成富含粉塵，一般用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表征氣煙氣的露點(diǎn)溫度。世界上這類經(jīng)驗(yàn)公式有數(shù)十種之多，適用性和差異性在20～80 ℃之間。石化企業(yè)燃?xì)饧訜釥t無(wú)粉塵，本軟件用理想氣體性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)基本吻合。

露點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 燃?xì)饧訜釥t煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：

(1)燃?xì)饧訜釥t的露點(diǎn)溫度普遍低于80 ℃。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)加熱爐在100 ℃時(shí)，會(huì)因保溫效果差、煙氣流動(dòng)速度不均和冷空氣竄入煙氣等原因而出現(xiàn)局部結(jié)露現(xiàn)象。這種現(xiàn)象并不表明煙氣的露點(diǎn)溫度在100 ℃，而是工程實(shí)施導(dǎo)致的局部溫度不均問題，應(yīng)該通過工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工加以完善。

(2)高丙烷燃料氣中碳含量高、氫含量低，使得其煙氣中水含量只有典型燃料氣的一半，其煙氣需要降低到更低的溫度下，才能使水蒸氣冷凝成液。

(3)計(jì)算結(jié)果也說(shuō)明，在較低的壓力下，煙氣的露點(diǎn)溫度也較低，更加有利于低溫余熱的回收利用。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，可以合理放大引煙機(jī)的功率，降低空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)的壓力，避免煙氣冷凝水的出現(xiàn)和預(yù)熱器的露點(diǎn)腐蝕。

(4)既使用自產(chǎn)燃料氣，又使用外購(gòu)天然氣的石化企業(yè)，需要將加熱爐分類管理，使用天然氣的加熱爐可以采用比使用自產(chǎn)燃料氣的加熱爐更低的排煙溫度。

需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，夏季爐用空氣水含量高于冬季，根據(jù)氣象學(xué)露點(diǎn)測(cè)算，夏季露點(diǎn)溫度一般比冬季露點(diǎn)溫度提高20 K。

進(jìn)一步拓展本軟件的計(jì)算功能，還可以計(jì)算出煙氣溫度低于露點(diǎn)后冷凝液的SO2和CO2含量，由此推測(cè)露點(diǎn)的腐蝕情況。

3 結(jié)論

通過本軟件的編制和計(jì)算，詳細(xì)表征了燃?xì)饧訜釥t燃燒過程的質(zhì)量、熱量和溫度變化情況，為精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和操作加熱爐提供較全面的技術(shù)支撐。通過驗(yàn)算表明：

(1)本軟件具有化學(xué)、熱力學(xué)和物理相變等過程的計(jì)算功能；

(2)軟件計(jì)算所得的熱值、火焰溫度、加熱爐熱效率和露點(diǎn)溫度等數(shù)據(jù)符合工業(yè)應(yīng)用的加熱爐現(xiàn)狀；

(3)燃料氣組成變化會(huì)嚴(yán)重影響火焰溫度、氮氧化物排放量、加熱爐熱效率等；

(4)石化企業(yè)應(yīng)該慎重變更燃料氣的組成，尤其是向燃料氣系統(tǒng)“補(bǔ)烴”時(shí)，會(huì)嚴(yán)重?cái)_亂加熱爐的正常操作，出現(xiàn)煙囪冒黑煙、爐效下降等嚴(yán)重后果；

(5)石化企業(yè)應(yīng)該深入研究煙氣露點(diǎn)溫度，深入開展加熱爐低溫?zé)煔獾某浞掷谩?/p>