神华宁夏煤业集团有限公司烯烃二分公司宁夏银川750001
摘要：综述了裂解炉用低NOx燃烧器的发展方向和技术开发的国内进展情况，介绍了低NOx燃烧器的CFD模拟结合理论研究和冷热态试验的研发手段，这些技术将满足裂解炉对火焰形状、热通量分布、NOx排放和操作稳定性的要求，提升具有自主知识产权低NOx燃烧器的市场竞争力，最后探究了自主裂解炉低NOx燃烧器的应用成功，以天华化工机械及自动化研究设计院有限公司自主开发的裂解炉用低氮氧化物（NOx）燃烧器为例展开了详细的探究
关键词：低NOx；燃烧器；热态试验；CFD模拟；技术开发
前言
燃烧器是乙烯裂解炉的一个重要组成部分，裂解炉所需的热量是通过燃料在燃烧器中燃烧获得的。同时，助燃空气中的氮气将和氧气发生反应生成NOx。随着炉膛温度的提高，NOx的浓度会升高。燃烧器的选择对炉膛温度有影响，从而影响NOx的生成。不同的燃烧器在炉内产生不同的热强度分布，而不同的热强度分布产生不同的温度分布。随着助燃空气温度的提高，火焰温度和NOx浓度也会升高。当燃料气中的氢含量升高时，将导致火焰温度的提高，从而产生更多的NOx。另外，随着助燃空气中水分的增加，NOx的生成有降低的趋势。燃烧产生的NOx对人类及其生存的自然环境有很大的影响。随着人们对NOx危害的日益重视，NOx含量的高低成为衡量燃烧器燃烧性能的重要指标之一，世界各大乙烯公司都十分关注裂解炉NOx的排放量，相继开发了各种类型的低NOx燃烧器。
1裂解炉用低NOx燃烧器的发展方向
近年来，随着裂解炉炉型多样化、大型化和环保要求的提高，裂解炉用低NOx燃烧器也朝着形式多样化、能力大型化、排放苛刻化、控制自动化和维护便利化的方向发展。
1.1形式多样化
为了降低NOx排放量，改进燃料和空气的进入方式，以延迟混合、降低O2的有效性和火焰峰值温度。按燃料燃烧方式的不同，低NOx燃烧器有扩散式、预混式和半预混式3种形式；按NOx控制方法的不同，有分级空气、分级燃料和烟气再循环3种形式；按火焰形状的不同，有长火焰、短火焰、扁平火焰及柱状火焰等。考虑到裂解炉不同的燃料来源和炉型特点，低NOx燃烧器结构形式要与裂解炉相匹配，燃烧火焰的方向、外形、刚性和铺展性符合裂解炉工艺要求。
1.2能力大型化
现代裂解炉主要采用底部、侧壁联合供热和全底烧供热方案，底部、侧壁联合供热通常也以底部供热为主，达总热量的60%-90%，随着裂解炉生产能力的不断扩大，同时为了降低建设和维护费用，减少燃烧器数目，便于与空气预热器或燃气轮机匹配，开发大能力燃烧器势在必行，特别对底部燃烧器的设计提出了更高的要求，如火焰长度、火焰刚性及热流密度分布等。大能力燃烧器还应有较高的调节比，在裂解炉烘炉、清焦或其他低负荷工况时不需要关闭燃烧器，就能安全、可靠地运行。
1.3排放苛刻化
燃烧器燃烧的污染包括燃烧产物（NOx、SO2、CO和烟尘）污染和噪声污染，裂解炉燃料气中几乎不含H2S，完全燃烧时，SO2、CO和烟尘的排放量通常很少，NOx是环境污染的主要因素之一，通常认为NOx的排放与臭氧的减少等环境问题有关。各国政府对NOx的排放提出了更苛刻的要求，如美国加州南海岸空气质量管理区（SCAQMD）标准要求，NOx的排放需小于0.01‰（体积分数），在没有燃烧后处理控制的条件下，目前仍未有燃烧器能达到这个排放标准。
1.4控制自动化
通常裂解炉内过剩氧含量为2%-3%，而环境条件的变化可以导致炉内氧含量和火焰温度的改变，进而影响裂解炉的热效率和污染物的排放，低NOx燃烧器对环境条件的改变更为敏感。严格控制低NOx燃烧器的操作条件对裂解炉的运行很重要，大多数裂解炉燃烧器的风门是手动控制的，当环境条件变化时需人工调整每个燃烧器的风门。采用自动风门控制系统使燃烧器的风门可在控制室内完成，不需要室外操作工，且可避免人为因素改变燃烧器进风量，进而避免燃烧火焰不均匀、火焰翻卷以及冲击炉管等更多的操作问题。
1.5维护便利化
燃烧器主要的维护问题是燃料喷孔堵塞，它能导致燃烧器能力下降及燃烧火焰不均匀、不稳定等一系列问题。燃料管线中带有氧化皮、盐粒及污垢等杂质颗粒，或燃料中含重烃、不饱和化合物等液体，液态烃碰到喷头热表面裂解而留下焦炭，都能引起喷孔堵塞。低NOx燃烧器由于使用多点燃烧、分割火焰等策略，喷孔直径越小，维护问题越严峻。采用颗粒过滤器和凝聚过滤系统可有效地减少喷孔堵塞问题，但要充分考虑其自身带来的压降问题。另外，便于在线拆卸的燃料喷头结构，也使低NOx燃烧器的维护更为便利。
2自主裂解炉低NOx燃烧器应用成功
由天华化工机械及自动化研究设计院有限公司自主开发的裂解炉用低氮氧化物（NOx）燃烧器已在茂名石化乙烯裂解炉装置上成功投运一个多月。目前，低NOx燃烧器运行平稳，NOx排放由之前的150mg/m3左右，下降至80mg/m3以下。这标志着我国裂解炉用燃烧器技术又迈上了一个新台阶，不仅为我国乙烯裂解炉燃烧器摆脱长期进口局面提供契机，更为乙烯化工产业绿色发展奠定坚实基础。据了解，我国乙烯裂解炉用燃烧器技术长期被国外专利商垄断，尤其是大型裂解炉燃烧器严重依赖进口。
目前，运行的燃烧器（包括进口设备）NOx排放绝大部分都超过100mg/m3。天华院作为国内燃烧技术主要的研究开发机构，拥有一支研发乙烯裂解炉用燃烧器的科研骨干队伍和世界最先进的流体动力学计算（CFD）模拟软件及热态试验装置。近年来，他们在燃烧器的性能上进行了大量卓有成效的探索。在天津石化百万吨乙烯装置的11台10万吨/年裂解炉中，有1台裂解炉底部燃烧器采用了天华院自主研发的新型燃烧器。经专家鉴定，与引进的燃烧器相比，自主研发的新型燃烧器火焰更给力，性能更优。随后在中国石化科技部的组织和支持下，该院又改进、研发了新的燃烧器。武汉80万吨/年乙烯项目裂解装置中的1104台燃烧器全部采用了该院产品，从2013年8月开车至今一直运行良好，火焰扁平刚直，满足热通量曲线要求，过剩空气系数低，噪音低，受到用户好评。业内人士称，改进燃烧方法及使用各种低NOx燃烧器是裂解炉NOx抑制技术中最简单经济的。
在中国石化推出碧水蓝天环保计划后，天华院根据新的环保标准，以NOx排放低于100mg/m3为突破口，通过CFD模拟、热态试验、多方案比较等手段，成功研发出了具有自主知识产权、达到国家环保新要求的裂解炉燃烧器。燃烧器是乙烯裂解炉的重要组成部分，裂解炉所需的热量是通过燃料在燃烧器中燃烧获得。燃烧器的型式、性能和配置都会影响裂解炉的性能，关系到裂解炉能否长周期安全稳定运行。裂解炉的大型化及对人们对环保的重视，对燃烧器提出了更高的要求，如火焰长度、形状、炉内热通量分布、NOx排放等
3结语
近年来，随着国内燃烧器专利商的研发手段与国际水平的进一步接轨，开发出了各种具有自主知识产权的低NOx燃烧器，完全满足裂解炉的工艺和环保要求，打破了国外专利技术的垄断，特别是实现了大型乙烯装置燃烧器的完全国产化，提高了国产燃烧器的市场竞争力，经济效益和社会效益显著。
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