苯乙烯焦油燃燒器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

邢 科，時(shí)明偉，王亞飛

（北京航化節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，北京 100176）

苯乙烯是重要的有機(jī)化工原料，廣泛用于生產(chǎn)塑料、樹脂和合成橡膠[1]。在工業(yè)生產(chǎn)苯乙烯過程中產(chǎn)生的殘?jiān)Q之為苯乙烯焦油，其主要成分是苯乙烯聚合物以及成分復(fù)雜的苯乙烯衍生物、低聚物等[2]，已被列入《國家危險(xiǎn)廢物名錄》。 焚燒法可使苯乙烯焦油中的有毒有害物質(zhì)在焚燒爐內(nèi)進(jìn)行高溫燃燒熱解變成無害煙氣后排入大氣。 本文以我單位為國內(nèi)某化工企業(yè)所建以苯乙烯焦油為燃料， 副產(chǎn)過熱蒸汽的焚燒裝置為背景， 重點(diǎn)介紹分析了苯乙烯焦油燃燒器的設(shè)計(jì)方案。

1 苯乙烯焦油主要成分

苯乙烯焦油主要由苯乙烯裝置中的乙苯單元和苯乙烯精餾單元產(chǎn)生，主要成分見表1。

表1 苯乙烯焦油主要成分

2 燃燒器設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目為蒸汽保障工程， 產(chǎn)生的過熱蒸汽供工注：另需考慮焦油中含有20%質(zhì)量占比的阻聚劑DNBP工況廠及工業(yè)園區(qū)利用。當(dāng)苯乙烯焦油流量不夠時(shí)，需伴燒天然氣以保障蒸汽供應(yīng)， 同時(shí)天然氣也需作為焚燒爐烘爐和升溫的燃料使用， 因此燃燒器需能夠?qū)崿F(xiàn)油、 氣單獨(dú)燃燒或混燒。 本項(xiàng)目基于產(chǎn)生流量為30 t/h 的過熱蒸汽（1.5 MPa，220 ℃）進(jìn)行設(shè)計(jì)，燃燒器主要性能參數(shù)見表2。

表2 燃燒器主要性能參數(shù)

燃燒器是為焚燒裝置提供熱源的核心設(shè)備，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，主要構(gòu)造如圖1所示。天然氣分為兩路分別供入主燃?xì)鈽尯痛稳細(xì)鈽?。次燃?xì)鈽尀閱胃鶉姌?，設(shè)計(jì)流量為400 m3/h。主燃?xì)鈽屧O(shè)計(jì)流量為1 900 m3/h，通過主燃?xì)鈽尛h(huán)管分成12支均布的噴槍供入爐內(nèi)燃燒。 長明燈與次燃?xì)鈽尣捎锰坠苁浇M合結(jié)構(gòu)， 作為中心槍布置于燃燒器中間位置，中心槍外圈設(shè)置穩(wěn)焰器。苯乙烯焦油采用過熱蒸汽進(jìn)行霧化， 將焦油霧化成霧狀微小顆粒后噴入焚燒爐內(nèi)進(jìn)行燃燒。 苯乙烯焦油路共設(shè)置3支焦油槍，單支噴槍設(shè)計(jì)流量為700 kg/h。 3支焦油槍均布在中心槍外側(cè)，并插入穩(wěn)焰器內(nèi)，與助燃風(fēng)加強(qiáng)混合。 燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^燃燒道和燃燒室進(jìn)入焚燒爐爐膛。 設(shè)置燃燒道和燃燒室有利于減少油火焰根部的散熱， 耐材蓄積的熱量能夠提供輻射熱源，并且能夠約束助燃風(fēng)，迫使其燃料混合而不致散溢于爐膛中， 對(duì)著火和穩(wěn)燃都是很有幫助的[3]。

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于燃燒器中的天然氣噴槍， 市場上技術(shù)已很成熟，在此不做過多描述，以下重點(diǎn)介紹苯乙烯焦油霧化噴嘴和燃燒助燃配風(fēng)的設(shè)計(jì)。

2.1 苯乙烯焦油霧化噴嘴設(shè)計(jì)

苯乙烯焦油中重組分成分較多，黏度大，在低溫狀態(tài)下表現(xiàn)為黏稠膠狀液體，流動(dòng)性較差。若噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在運(yùn)行中容易出現(xiàn)結(jié)渣堵塞現(xiàn)象，造成焚燒裝置頻繁停車， 導(dǎo)致清理和檢修噴槍的人工成本、 焚燒爐重啟升溫的燃料成本以及噴嘴更換備件的設(shè)備成本等費(fèi)用大大增加。在保證霧化效果、使焦油燃燒完全和尾部煙氣排放達(dá)標(biāo)的同時(shí)， 還要優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使焦油噴嘴不易堵塞，實(shí)現(xiàn)長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)苯乙烯焦油成分復(fù)雜、黏度大、熱值高的特性，焦油霧化噴嘴主要由液芯、混合器及鎖緊外套組成，如圖2所示。

圖2 苯乙烯焦油霧化噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

苯乙烯焦油霧化噴嘴的設(shè)計(jì)思路和結(jié)構(gòu)形式主要有以下特點(diǎn)：

（1）焦油采用直流式通道，防止焦油流道彎曲和出現(xiàn)臺(tái)階，消除堵塞和積碳起始點(diǎn)。

（2）焦油從噴孔噴出后經(jīng)直通式混合器噴入爐膛內(nèi)，噴出后油壓接近爐膛壓力，避免出現(xiàn)焦油滯留區(qū)。

（3）液芯頭部加工具有一定傾斜角度的導(dǎo)流槽，使霧化氣體向著焦油流股運(yùn)動(dòng)方向呈螺旋狀斜插進(jìn)來，沖擊焦油流股，并以較高的相對(duì)流速圍繞焦油流股而流動(dòng)。 這樣就避免霧化蒸汽沖刷焦油流股時(shí)出現(xiàn)小股渦流， 并且增加了霧化蒸汽對(duì)焦油流股沖擊作用的時(shí)間和長度， 因而也增加了它們相互作用的表面積，增強(qiáng)霧化過程和混合效果。

（4）混合器處設(shè)置迷宮結(jié)構(gòu)，霧化蒸汽通過迷宮結(jié)構(gòu)處的多個(gè)小孔沖刷流入混合器的焦油流股，使霧化作用比較均勻。 高速的霧化蒸汽降壓而迅速膨脹，動(dòng)量很大，焦油流股受到霧化蒸汽的沖刷和脈動(dòng)作用，破碎焦油使其迅速霧化成細(xì)小的油滴。

（5）噴嘴出口采用收縮型式，是為了最大限度地利用霧化蒸汽膨脹所產(chǎn)生的動(dòng)能， 使霧化噴出時(shí)具有較高的速度，加強(qiáng)霧化效果。

（6）焦油噴口縮在混合器內(nèi)，避免受爐膛高溫?zé)彷椛洌煞乐菇褂土鸦氯麌娍凇?/p>

（7）焦油噴嘴霧化角度和霧化直徑小，能夠適用于較小的爐膛空間， 避免霧化油滴噴到爐膛壁面上而造成襯里耐材處腐蝕和結(jié)焦。

（8）焦油噴嘴結(jié)構(gòu)簡單合理，容易拆裝，易于檢查，可單獨(dú)將部分零件作為備件，節(jié)省運(yùn)行成本。

2.2 燃燒助燃配風(fēng)設(shè)計(jì)

在保證苯乙烯焦油霧化效果的基礎(chǔ)上，配風(fēng)成為能否組織良好燃燒的關(guān)鍵問題。油霧與空氣的混合不像煤氣與空氣混合的那樣容易，凡是有利于氣體流股混合的措施都可用到油燒嘴上以強(qiáng)化油霧與空氣的混合，例如使空氣分兩次與油霧相遇等[4]。同時(shí)考慮到苯乙烯焦油中含有20%質(zhì)量占比的阻聚劑DNBP（4，6-二硝基-2-仲丁基苯酚，分子式為C10H12N2O5）工況，該工況的焦油中氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.33%。 因此根據(jù)本項(xiàng)目物料特點(diǎn)和為減少氮氧化物產(chǎn)生， 采用助燃風(fēng)分級(jí)燃燒方案。助燃風(fēng)分為一次風(fēng)和二次風(fēng)，分別進(jìn)入燃燒器和燃燒室。 燃料與一次助燃風(fēng)首先進(jìn)入燃燒器進(jìn)行燃燒， 產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c燃燒室隨之引入的二次風(fēng)進(jìn)行強(qiáng)烈混合， 使焦油在爐膛內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全燃盡。 在實(shí)際操作過程中，可通過控制一、二次風(fēng)量分配，最大限度地減少氮氧化物的生成。

二次風(fēng)是在著火以后才和一次風(fēng)混合的， 一次風(fēng)著火以后，溫度升高，體積膨脹，二次風(fēng)和一次風(fēng)的混合就要比著火前困難[5]，因此燃燒器處一次風(fēng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)燃燒配風(fēng)系統(tǒng)中的主要因素。 燃燒器出口處采用葉輪式穩(wěn)焰器， 空氣通過彎曲傾斜的葉片后形成旋轉(zhuǎn)氣流動(dòng)力場與油霧相遇， 使油霧高度分散在空氣流中，尤其在低過?？諝夤r下，能夠加強(qiáng)火焰根部送風(fēng)，防止焦油因高溫缺氧而裂解，易于著火和火焰穩(wěn)定。 通過穩(wěn)焰器與喉口之間的高速直流風(fēng)，能夠增加火焰沿程的紊流脈動(dòng)，加強(qiáng)燃燒。另外葉輪穩(wěn)焰器能夠產(chǎn)生適當(dāng)?shù)母邷責(zé)煔饣亓鲄^(qū)，使油霧液滴能夠連續(xù)地蒸發(fā)和氣化，達(dá)到著火溫度，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定燃燒。 葉輪式穩(wěn)焰器的葉片傾斜角一般在45°～60°范圍內(nèi)， 角度過小可能不出現(xiàn)回流區(qū)，角度過大則穩(wěn)焰器阻力過大，將影響助燃風(fēng)量，回流區(qū)的形狀和位置也不合適[6]。 本項(xiàng)目葉片傾斜角取45°，穩(wěn)焰器的旋流強(qiáng)度計(jì)算值為1.7。

為加強(qiáng)空氣與油霧混合， 同時(shí)減小對(duì)火焰阻力影響， 二次風(fēng)分成兩圈共計(jì)16個(gè)通孔切向旋轉(zhuǎn)噴入燃燒室， 使氣流形成以燃燒室軸線為中心的一個(gè)假想切圓。 分散的高速空氣與油霧呈交角相遇，增強(qiáng)了助燃空氣與油霧的混合效果， 使焦油燃燒完全，并且在燃燒室耐材表面形成一層溫度較低的保護(hù)膜，使耐火材料保持在較低的溫度下，延長了使用壽命。 實(shí)際切圓直徑與一次風(fēng)和二次風(fēng)流量有明顯的相關(guān)性，受上游一次風(fēng)射流對(duì)二次風(fēng)切圓射流的偏轉(zhuǎn)作用，假想切圓直徑大，則實(shí)際切圓直徑與假想切圓直徑偏差較小，假想切圓直徑小，則實(shí)際切圓直徑與假想切圓直徑偏差較大[7]。本項(xiàng)目切圓直徑設(shè)計(jì)取值為800 mm。

2.3 工業(yè)應(yīng)用效果

苯乙烯焦油燃燒器正式投入運(yùn)行一年多以來狀況良好，各項(xiàng)指標(biāo)均已滿足設(shè)定值，焦油霧化噴嘴從未發(fā)生過堵塞現(xiàn)象， 煙氣排放指標(biāo)達(dá)到國家和當(dāng)?shù)刈顕?yán)苛的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，主要監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。

表3 煙氣主要監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

苯乙烯焦油燃燒器投產(chǎn)后運(yùn)行安全穩(wěn)定、 可靠高效，能夠?qū)崿F(xiàn)長周期穩(wěn)定運(yùn)行，煙氣排放指標(biāo)完全達(dá)到環(huán)保要求， 可以為相關(guān)領(lǐng)域的焦油類及高黏度類廢液的處理提供參考和借鑒。