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摘 要:介绍加热炉基于CO分析的燃烧控制技术基本原理和控制过程设计,对比分析当前基于O2分析控制燃烧技术的不足,阐述了CO控制技术在镇海炼化延迟焦化加热炉安装、过程调试以及实际应用效果。工业应用结果表明:投用基于CO控制的低氧燃烧技术后,屏蔽了加热炉本体漏风缺陷带来的负面影响,使得燃料气与氧气在接近理论配比范围内燃烧;在相同的加工负荷条件下,加热炉氧含量下降至1.0%以下,烟气中的CO含量能稳定控制在40~50 μg/g,加熱炉热效率从92.03%上升至93.14%,鼓风机变频从35%下降至28%,烟气中NOx下降至30 mg/m3以下,减少烟气排放52 000 kNm3/a,加热炉节能减排效果明显。
关 键 词:延迟焦化;加热炉;热效率;CO
中图分类号:TE 624 文献标识码: A 文章编号: 1671-0460(2017)06-1231-04
Application of CO Control Technology in the Delayed Coking Furnace
YANG Yun-feng
(Sinopec Zhenhai Refining and Chemcial Co.,Ltd., Zhejiang Ningbo 315207, China)
Abstract: The basic principle and control process design of the combustion control technology for furnaces based on CO analysis were introduced. The deficiency of current combustion control technology based on O2 analysis were analyzed. The equipment installation, process testing and practical application effect of the CO control technology in the delayed coking furnace of Zhenhai Refining and Chemcial Co.,Ltd. were described. The results of industrial application show that, the low oxygen combustion technology based on CO control can overcome the negative effect caused by air leaking of furnace, and can make fuel and air combust under the theoretical ratio; Under the same processing load condition, the volumetric percentage of oxygen in the flue gas can drop to below 1.0%, the CO content in the flue gas can be stably controlled in 40~50μg/g, the thermal efficiency of the furnace can be increased from 92.03% to 93.14%, the frequency conversion rate of air blower can be decreased from 35% to 28%,the NOx in flue gas is below 30 mg/m3, the total emission reduction of furnace is 52 000 kNm3/a.
Key words: Delayed coking; Heating furnace; Thermal efficiency; CO
镇海炼化某套延迟焦化装置设计规模为200~210万t/a,采用典型的“一炉两塔”工艺,炉出口温度控制在497~500 ℃。加热炉设计为六管程双面辐射箱式炉,单点注气,采用相对独立的“六炉膛”结构,每两组辐射室共用一个对流室,三组对流室共用一个排烟系统;燃烧器采用低NOx火嘴,燃烧控制为传统的氧含量控制技术;加热炉余热回收系统采用组合式板换空气预热器,鼓风机和引风机设有变频功能,为深挖装置潜能,降低装置能耗,装置于2016年12月至2017年3月对加热炉进行技术改造,采用CO分析燃烧控制技术(以下简称CO控制技术),改造后不仅提高了加热炉的热效率,而且降低了加热炉燃料气耗量,减少烟气排放量和烟气携带的热量,提高了加热炉温度控制自动化程度,实现了加热炉的长周期安全平稳运行。
1 基于CO控制技术
1.1 CO控制技术原理
加热炉燃烧的燃料气的组分主要为C1-C5的饱和烃和非饱和烃,此类气体与氧气按照摩尔比进行反应,充分燃烧的产物只有二氧化碳和水蒸气,即燃料气充分燃烧,没有未燃烧的燃料气和剩余氧气留在燃烧室内,该燃烧结果产生的排放物质最少,加热炉热效率处于最佳位置,此时燃烧达到了理想状态的理论配比[1]。
根据相关资料研究:加热炉氧含量在1%以上时,随着氧含量增加,CO含量趋于零,但是过剩空气带走的热量损失会增大;当氧含量在0.5%以下时,随着氧含量的减少,CO含量会快速增加,此时处于不完全燃烧状态;将氧含量控制在0.5%~1%之间时,CO含量在50~150 ppm范围之内,通过控制烟气中的CO含量,能很好的平衡过剩空气引起的排烟热损失和CO引起的不完全燃烧损失,使得加热炉的燃烧接近理论配比燃烧[2]。因此将CO作为控制参数,调节加热炉氧含量在0.5%~1%之间是此次研究的目的。方案实施期间燃料气的平均组分与理论配比空气见表1。
1.2 CO控制设计
CO控制技术通过在加热炉烟道中安装CO光束分析仪,检测烟气中CO含量,并在现有的加热炉控制系统中加入理论配比燃烧控制策略和控制变量,控制烟气中CO含量,使燃料和空气达到最佳配比。CO控制示意图见图1。
1.3 传统的O2控制和CO控制技术对比
目前,延迟焦化加热炉普遍采用基于O2的燃烧控制技术。该技术核心是利用氧化锆在辐射室顶部进行定点测量烟气中的氧含量,氧含量数据反馈给计算机进而调节加热炉燃料气的消耗量,实现炉膛温度、炉出口温度控制合理范围内。但是,采用此技术只是将燃烧程度控制在一定较宽的范围内,要想达到精确控制,实现燃料气与空气充分燃烧,达到最佳配比,采用CO分析控制技术不失为一种较好的方式,二者优缺点见表2。
故基于CO光束分析仪低氧燃烧控制策略具有如下优势[5]:
(1)安全性更高:控制策略及时能测量并调整燃料、空气配比,不会出现缺氧燃烧情况,真正实现低氧燃烧。
(2)操作精细化:结合CO和O2数据情况,能够及时发现火嘴燃烧过程中的异常情况,并及时调整。
(3)延长设备寿命:加热炉内烟气中的氧含量降低,从而减缓了炉管与炉内件氧化速率。
(4)提高加热炉效率:降低了氧含量,减少烟气排放量,降低燃料气消耗,提高加热炉效率。
(5)环保明显提升:充分燃烧减少了NOX排放。
2 CO控制技术的工业应用
2.1 实施条件
基于CO控制的燃烧技术要求:加热炉需要有配套的强制通风系统;鼓风机及引风机有相应的变频器,当CO光束分析仪检测到烟气中CO含量与设定值出现偏差时,可通过鼓风机变频调节进风量,从而达到调节烟气中的氧含量,实现低氧燃烧。具体实施要求:①具备强制通风系统;②鼓风机、引风机具备变频器;③在适合的位置安装CO光束分析仪,后安装此仪器需要加热炉在停用时安装完成;④控制策略集成在DCS控制系统中,可在装置停工时将控制方案组态至DCS系统中,若DCS具有在线下装功能,可在实施完成后组态下载。
2.2 工业安装
CO光束分析仪主要由信号源、接收器和控制器组成。信号源和接收器安装在引风机入口处,便于全面检测烟气中的CO含量,控制器安装在仪表机柜室。由信号源发射激光光束垂直穿透烟气流向,接收器接受激光光束信号并对其信号进行分析,检测烟气中的CO含量并将其转化为4~20 mA电流信号传输至DCS(DCS控制逻辑见图2),DCS系统控制器根据CO含量控制值和测量值之间的偏差输出控制信号至鼓风机变频器,调节加热炉鼓风量的大小,控制加热炉内氧含量在0.5~1%之间,真正实现低氧燃烧。
2.3 应用调试
根据各加热炉烟气系统、燃烧器、风门等不同条件,CO控制技术的基本调试过程如下:
(1) DCS控制逻辑组态完成,鼓风机变频完好,CO管束分析儀检测准确且相应较好。
(2)确保加热炉内所有火嘴及长明灯燃烧器无堵塞,保证加热炉各火嘴燃烧在低氧的工况下供热均匀并保持较好的燃烧状态。
(3)根据调试前加热炉燃烧状况及加热炉炉膛氧含量数据,确定鼓风机一个变频值,该变频值一般比正常燃烧值要低,可由调试前氧含量、变频开度;根据调试后需要达到的氧含量估算并确定变频值。
(4)本装置燃烧器所配比的每个风门共有19扣,测试最佳开度在50%左右。调节风门开度主要目的是使各燃烧器风门配比均匀,见图3。
(5)炉膛火焰调节。① 通过调节风道总挡板和每个燃烧器风门的开度,使每个燃烧器风门开度保持在6~8扣之间,控制火焰处于图4中a)状态;② 降低风道总挡板开度,直至个别火嘴出现图4中b)状态,说明黄色火焰的燃烧器配风量偏小,调节相关燃烧器风门,使之达到图4中c)状态;③ 降低风道总挡板开度,若出现图4中d)状态,说明每个燃烧器在不同总风量下提供同比例的供风能达到最佳燃烧效果,若重复出现图4中b)状态,则按照Ⅱ步骤继续调节,直至出现c)、d)状态;④ 将加热炉CO控制策略投自动状态,整定PID参数是鼓风机变频变化速率与CO值向对应,调节达到理想状态。
(6)投用CO控制系统后,加热炉对燃料的变化会更加灵敏,对加热炉瓦斯控制阀位和炉出口温度控制更加平稳,主要分析如下:①由于加热炉内过剩空气减少的原因,加热炉升温速度相对减少,在升温过程中,与氧含量分析控制技术相比,升温所需的燃料气量提升速度减少,燃料气控制阀调节幅度平缓;②加热炉出口温度控制更加平稳,当实际温度与设定值偏差1~2 ℃时即开始进行微量调整,使得燃烧过程始终保持在理论配比的燃烧。
3 CO控制技术应用效果
加热炉经过低氧燃烧改造调试,通过对燃烧器风门的调节,发现燃烧器燃烧效果得到明显改善,具体效果见图5。
左图的为调试前火嘴燃烧情况,右图的为调试后火嘴燃烧情况,经过调试后,燃烧器主火嘴及长明灯风量与燃料气的配比更加均匀,火焰颜色呈较好的淡蓝色,火焰形状直且硬,炉膛明亮且颜色分布均匀,炉膛热强度更加均匀。
在相同的加工负荷下,投用基于CO控制的低氧燃烧技术后,加热炉氧含量下降至1.0%以下,烟气中的CO含量能稳定控制在40~50μg/g,加热炉热效率从92.03%上升至93.14%,鼓风机变频开度从35%下降至28%,减少烟气排放5.2×104 kNm3/年,可节能84 t油/a,同时烟气中NOx下降至30 mg/m3以下,减少NOx排放14 t/a,加热炉节能减排效果明显。
4 结束语
基于CO分析控制技术的低氧燃烧技术经调试后,应用在延迟焦化装置加热炉上的实际情况表明:加热炉各项操作参数控制更加平稳,燃烧器火焰燃烧工况良好,加热炉热效率可提高1%以上,加热炉单项节能减排效果明显,满足设计指标和生产需求,真正达到了环保和效益的双赢。
参考文献:
[1] 李方运. 天然气燃烧及应用技术[M]. 北京:石油工业出版社,2001:35- 62.
[2]张立华, 谭德宽, 等. 加热炉基于 CO 控制的燃烧优化技术的应用[J]. 石油化工安全环保技术,2013,29 (3):1- 4.
[3]Bambeck, Rober J. Gas analyzer systems and methods: US, 7414726B1 [P]. 2008-08-19.
[4] 王欣. 一种基于CO分析的加热炉燃烧控制技术[J]. 炼油技术与工程,2016,46(8):36-39.
[5]杜鹏. 加热炉低氧燃烧控制技术的应用[J]. 石油石化节能与减排,2015,5(2):41-43.