PBT热媒炉低氮燃烧及效率提升改造.pdf

第3 6 卷第4期2023-07doi:10.3969/j.issn.1008-8261.2023.04.008聚酯工业Polyester IndustryPBT热媒炉低氮燃烧及效率提升改造Vol.36 No.4July.2023李世元,成浩宇,李志浩,李忠义,张志鹏,黄海平1（1.中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征2 119 0 0;2.北京航天石化技术装备工程有限公司，北京10 0 7 16）摘要：随着国家对化工行业氮氧化物排放限制的不断提高，PBT装置某热媒炉需要大量的烟气再循环才能保证NOx含量在100mg/m以下，排烟温度较高，不能满足锅炉大气污染物排放标准（DB32/43852022）最新要求。通过实施超低氮技术改造，烟气中NO含量降低至50 mg/m以下，降低了排烟温度，提升了热媒炉热效率，为同类装置低氮改造提供借鉴经验。关键词：低氮燃烧；热效率；热媒炉；PBT装置中图分类号：TQ3151项目背景仪征化纤PBT装置某热媒炉，设计热负荷11.5MW,采用天然气为燃料。天然气为洁净能源，SO2、颗粒物在烟气中含量较低，主要污染物为NOx。该热媒炉设计NO，排放量低于10 0 mg/m，由于采用烟气再循环技术，排烟温度达17 0，热效率仅有89%，炉效率较低。根据锅炉大气污染物排放标准（D B3 2/43 8 52 0 2 2）要求，热媒炉烟气中NO需要低于50 mg/m因此，该热媒炉不满足最新环保要求，需要对其进行技术改造。2低氮燃烧技术 NO，根据生成机理可分为燃料型、热力型、快速型等3 种。热媒炉采用天然气为原料，产生的NOx以热力型为主，高达9 0%2 。热力型NO,是指燃烧用空气中的氮气（N）在高温下氧化生成 NOx。根据泽尔多维奇机理,反应方程式为：N,+ONO+NN+O2NO+ONO+1/2O,NO2N2分解所需活化能很高,NO生成速度由式(1)决定。整体来说，热力型NO生成量主要受燃烧温度、燃烧环境中0 2 以及N2含量有关。根据阿伦尼乌斯定律，反应温度升高，NO生成速度将成指数规律增长。研究表明，热媒炉炉膛温度低于13 0 0，NO生成量较低，当热媒炉炉膛温度高于13 0 0 时，NO生成量随温度升高骤升，温度每升高10 0,NO,生成量将提高约6 7 倍 3 。收稿日期：2 0 2 3-0 1-19。作者简介：李世元（19 8 9-），男，江苏徐州人，本科，工程师，研究方向为聚酯生产及管理。文献标识码：A文章编号：10 0 8-8 2 6 1(2 0 2 3)0 4-0 0 2 4-0 3(1)(2)(3)目前超低氮燃烧技术主要有：烟气循环燃烧技术、旋流燃烧技术、阶段燃烧型燃烧技术等 4。本次改造采用了某公司提供的超低氮燃烧解决方案，包括烟气分级燃烧技术、烟气内循环技术和超低氮燃烧数值仿真模拟技术等燃烧技术。2.1燃气分级燃烧技术新的低NO，型燃气燃烧器，将普通燃气分级燃烧技术升级为浓淡偏差燃烧模式。中心火焰浓氧燃烧拉偏最佳混合比的同时，降低火焰温度，外围火焰淡氧使其形成不稳定燃烧，中心和外围的燃烧火焰在某一区域二次混合燃烧，达到完全燃烧的同时，不会导致火焰温度过高,降低了氮氧化物的生成。2.2烟气内循环技术该燃烧器同时利用喷嘴高速射出的燃气与卷吸的烟气混合，降低火焰的极值温度，从而达到降低热力型NO的目的。通过炉膛与燃烧器的配合，充分利用燃料和助燃风的动能引射炉膛烟气，结合特殊的稳焰结构，代替烟气外循环的效果。2.3超低氮燃烧数值仿真模拟炉膛最高温度为19 43 左右，出口处的温度为9 50 左右，温度分布比较均匀，燃烧状态良好，除燃烧器附近区域外不存在明显的局部高温区，整体温度场有利于降低NO的生成。炉膛出口NOx浓度的排放值在2 5mg/m左右。3项目改造实施新型超低氮燃烧器投运后，理论上不需要烟气外循环技术NO，排放量就可以满足环保要求，为确保改造效果以及适应更加严格的环保排放要求，本第4期次项目配有烟气外循环系统。本次项目改造共分为2部分：更换新型超低氮燃烧器以及改造烟气外循环系统。新型燃烧器在炉底传统主燃气管线并联一中心枪，本次改造保留原外循环系统,同时在空气预热器的烟气进口与鼓风机人口之间设置一根回流管线，通过鼓风机替代原外循环风机提供动力实现烟气外循环，减少能源消耗。4项目调试和影响因素分析热媒炉点炉后，热媒炉负荷的燃气流量由2 50m/h升至8 9 0 m/h,在不同负荷调整中心枪开度、新增烟气回流流量，记录不同工况下烟气中NO含量、残氧量、排烟温度等数据，根据监测结果反向调整中心枪开度、新增烟气回流流量，保证热媒炉运行稳定、排放达标的前提下，实现降低能耗的最优运行参数。4.1负荷对烟气中NO含量影响在调试过程中发现，不同负荷下，中心压力高于0.6kPa,炉膛火焰稳定；中心压力低于0.6 kPa,火焰跳动，火焰燃烧不稳定。调试中首先调整不同负荷下中心枪开度，各负荷热媒炉稳定运行时，中心枪开度及中心压力关系如图1所示。+中心阀开度%中心压力kPa6057555045403530200Fig.1 Relationship between center gun opening热媒炉运行稳定后，在不开烟气外循环工况下检测烟气中NO的含量，燃气流量与烟气中NOx含量关系如图2 所示。90250,8380CUN/BurxON706050403020200图2 燃气流量与烟气中NO含量关系Fig.2Relationship between gas flow rate and NOxcontent in flue gas热媒炉负荷较低时，燃气流量、助燃风量下降，李世元，等：PBT热媒炉低氮燃烧及效率提升改造268.33301.1251120490.90.850.8430.7380.6-0.6300400图1中心枪开度及中心压力的关系and center pressure400,58500,48580,44680,4030040025项目改造后燃烧器设备各流道管径不变，流速、助燃风速下降，造成烟气卷吸力下降，烟气内循环量不足，烟气中NO含量上升。故燃气流量低于50 0m/h时，烟气中NO,含量较高，需投运部分烟气外循环。燃气流量大于50 0 m/h时，不增加烟气外循环工况下，烟气中NO，含量低于50 mg/m，满足环保指标。综合考虑能源消耗以及装置运行稳定性，PBT生产中热媒炉燃气流量低于50 0 m/h工况时，只有装置开停车、热媒炉切换作业才会发生，正常生产中无须投运烟气外循环系统。4.2烟气外循环流量对烟气中NO，含量影响PBT装置热媒炉正常负荷燃气流量约6 8 0 m/h，在此负荷下烟气回流量（外循环）与烟气中NO含量关系如图3 所示。由图3 可知，负荷不变时，烟气回流量越大，烟气中NO含量越低。在该工况下，烟气回流量达到8 2 0 m/h，烟气中NO，含量低于国内环保最严指标3 0 mg/m。烟气回流可作为技术储备应对更加严格的环保要求。45400,40201,390200图3 烟气回流量与烟气中NO含量关系0.6360.60.5500600500600燃气量/Nmh-1634,31820,28400600燃气量/Nmh-!Fig.3 Relationship between flue gas reflux rate and NOxcontent in flue gas7005改造对能耗的影响5.1停运外循环风机新型超低氮燃烧技术改造后，热媒炉正常工况运行时将不需要借助烟气外循环系统，烟气中NO含量满足环保指标要求；特殊工况下需要投运烟气外循环系统，可利用新增烟气管线实现，原烟气外循环系统无须再投运。外循环风机功率40 kW，装置按3 3 0 d运行计算，年节电量为：40 2 43 3 0=31.7 104 kWh。885,385.2#提高热媒炉效率热媒炉效率一般分正平衡与反平衡两种。反平7008001089,251308,228001000900衡效率是通过测定和计算锅炉中的各项热损失得到具体数值，对减少热媒炉损失参考意义更大。热媒炉效率反平衡公式为：m=100-q1-q2-q3 式中：9 1为排放烟气中损失热量占总热量百分12001400(4)26数；9 2 为燃气不完全燃烧损失热量占总热量百分数；q为炉体本体散热损失热量占总热量百分数。q3主要受设备保温情况影响，改造后对同等负荷工况下炉体表面温度进行测温，结果如表1所示。改造前后温度变化不大，改造对本体散热损失热量未产生明显影响，即q3不变。表1改造前后炉体表面温度Table 1 Surface temperature of furnace bodybefore and after renovation项目炉壁温度改造前76改造后75q2主要与燃气燃烧过程中的空气过剩系数以及烟气中CO含量有关。改造前后烟气中CO含量均在10-5以下，几乎不需要考虑q2对热媒炉效率影响。影响热媒炉效率的主要因素是烟气排放损失91。改造后，停运外循环烟气，降低了进人预热器热风流量，而冷风流量及预热器换热面积均不变，热媒炉排烟温度大幅度下降。另一方面，改造后降低了烟气排放总量。改造前烟气外循环等因素造成火场不稳定，空气过剩系数（烟气残氧量）过低时，会发生火焰检测器检测不到火焰信现象，热媒炉有停运风险。正常生产中烟气残氧量控制在3%左右；改造后热媒炉火场稳定性大幅提升，操作中可适当降低空气过剩系数（烟气残氧量），减少进人热媒炉中空气。改造前后部分能效参数如表2 所示。Low nitrogen combustion and efficiency improvementtransformation of PBT heat medium furnaceLI Shi-yuan,CHENG Hao-yu,LI Zhi-hao,LI Zhong-yi?,ZHANG Zhi-peng,HUANG Hai-ping(1.Sinopec Yizheng Chemical Fibre Co.,Ltd.,Yizheng 211900,China;2 Bejing Aerospace Petrochemical Technology Equipment Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100716,China)Abstract:With the continuous increase of national restrictions on nitrogen oxide emissions in the chemical industry,a certain heat medium boiler in the PBT plant requires a large amount of flue gas recirculation to ensure that theNO,content is below 100 mg/m,and the exhaust temperature is high,which cannot meet the latest requirementsof the boiler air pollutant emission standard(DB32/43852022).By implementing ultra-low nitrogen technologytransformation,the NO,content in the flue gas has been reduced to below 50 mg/m,reducing the exhaust temper-ature and improving the thermal efficiency of the heat medium furnace,providing reference experience for similarlow nitrogen transformation devices.Key words:low nitrogen combustion;thermal efficiency;heating medium furnace;PBT device聚酯工业表2 改造前后部分能效参数Table 2 Partial energy efficiency parameters beforeand after renovation项目排烟温度/烟气残氧量/%烟气中CO含量/10-6改造前175改造后140根据9 1计算公式得出，排烟温度下降1520，炉效率提高约1%；根据空气过剩系数与燃燃关系推出，烟气中残氧量下降1%，炉效率下降约炉底温度0.3%0.5%。改造后热效率提升为1.8 1%。856结语86（1）利用燃气分级燃烧以及烟气内循环技术对热媒炉实施改造后，PBT热媒炉正常运行工况，外排烟气中NO含量满足环保指标50 mg/m要求。(2)投运适量烟气回流，外排烟气中NO含量可以满足目前国内最严环保指标3 0 mg/m要求,改造后热媒炉具备应对更加严格环保要求能力。（3）改造后PBT热媒炉正常运行工况停运烟气外循环,热媒炉火场稳定性提高，热媒炉控制排烟温度大幅下降减少了热损失，热媒炉效率提升约1.8 1%。参考文献：【1郭勇，刘善民，朱丽华，等.生物质燃料锅炉低氮燃烧技术研究进展 J.节能,2 0 2 3,42(5):9 0-9 2.2闫玉平，俞维根，杨阳，等.影响热媒炉的NOx排放性能因素J.化工进展,2 0 14(1):3 17.3刘义中.加热炉燃烧器在线低氮改造 J.石油化工设备技术，2022,43(6):10.4崔名双，李小炯，苗鹏，等.低NO燃气燃烧技术研究进展 J.洁净煤技术,2 0 2 0,2 6(2)：2 7-2 9.第3 6 卷3.032.85