生物质燃烧机是生物质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生物质燃烧机中燃烧获得的, 生物质燃烧机的型式、性能和配置都会对裂解炉性能产生影响 ,生物质燃烧机的优劣直接关系到裂解炉能否长周期安全稳定运转。对生物质裂解炉而言,燃烧系统存在的问题 ———如火焰形状 、火焰长度、火焰的刚性以及热流密度分布等,往往是致命的,它会造成炉管严重弯曲变形、炉子运转周期缩短以及炉管寿命缩短等严重后果 。生物质燃烧机设计和运行维护是生物质燃烧机性能优劣的关键 , 而设计尤为重要 ,其基本设计原则包括 :适应燃料特点 ;满足裂解炉工艺要求;与裂解炉炉型匹配 ;合理布置;满足节能和环保要求。
近年来 ,随着裂解炉的大型化及环保要求的提高, 对生物质燃烧机的设计提出了更高的要求 ,如火焰长度、火焰形状、炉内热通量分布以及 NOx排放等 。裂解炉生物质燃烧机的研究主要集中在生物质燃烧机布置优化、新型底部生物质燃烧机和侧壁生物质燃烧机开发 、降低燃烧器 NOx排放技术、应用 CFD模拟技术进行燃烧器设计以及操作诊断等方面。
1 生物质裂解炉生物质燃烧机布置优化烃类的热裂解反应是一个吸热反应, 热量是由炉墙和烟气通过辐射传热到反应炉管。裂解炉炉管一般是单排 、错排或双排布置,管排两侧为辐射墙, 为了有利于管排传热和管排安全,裂解炉生物质燃烧机布置在辐射炉管两侧, 要求底部生物质燃烧机提供火焰形状为扁平扇形火焰 。裂解炉大多采用底部和侧壁联合供热的方式加热炉管中的物料, 也有部分裂解炉采用了 100%底部供热或 100%侧壁供热来加热炉管中的物料 。
近年来 ,在裂解炉生物质燃烧机布置方面的进展 ,一个关注的焦点是 100%底部供热。世界各大公司为了降低建设和维护费用 ,减少生物质燃烧机数目,以便与空气预热器或燃气轮机联用和大型裂解炉相配套 , 都在大力开发长火焰超大能力底部生物质燃烧机。侧壁生物质燃烧机则由多排逐渐变为一排, 甚至采用100%底部供热。上世纪 80年代以前 , 美国 S＆W公司设计的裂解炉均采用底部和侧壁生物质燃烧机联合供热, 通常底部和侧壁生物质燃烧机的供热比例在 50/50 ～ 80/20之间变化。然而 , 已经实践证明的侧壁生物质燃烧机能力仍然只有 0.44 ～ 0.59MW, 底部生物质燃烧机被限制在 1.76MW。随着裂解炉的大型化 , 要求每个底部生物质燃烧机的释热量最高达 4.40MW。对于大型裂解炉设计,底部供热的优点是明显的 。以 175kt/a大型液体炉为例 ,总供热量大约是 146.50MW, 假设每个底部生物质燃烧机的最大释热量为 2.34MW, 并且底部和侧壁的供热比例为 80/20, 底部生物质燃烧机的数量是 50个 , 侧壁生物质燃烧机的数量将是 60 ～ 80个 。某台裂解炉的实际设计中采用了 64个底部生物质燃烧机 ,随着生物质燃烧机能力的逐渐扩大 ,底部生物质燃烧机的数量可以减少到 32个,显然底部生物质燃烧机数量的减少, 使得生物质燃烧机的操作和维护比较容易。假如采用 100%底部供热 ,所有生物质燃烧机都放在炉底, 底部生物质燃烧机的操作和维护就会更加容易 。图 1为某100%底部供热裂解炉的炉内热通量曲线。实践证明, 经过精确设计和热态测试验证 ,裂解炉采用全底部生物质燃烧机供热时同样可以获得较佳的热通量分布。当裂解炉超过设计产量操作时 ,底部生物质燃烧机有更多的固有稳定性, 调节比可以高达 10∶1, 这就意味着在裂解炉清焦和其它调节工况下不需要关闭生物质燃烧机 。另外 ,自动风门控制系统的采用使生物质燃烧机的风门调节可在控制室完成 ,而不需要室外操作工。
2 底部生物质燃烧机技术进展各国政府部门不断公布更加严格的环境保护标准, 以限制气体污染物的排放数量 ,比如排入大气中的 NOx和 CO。这些标准促进了各种大型改进型气体生物质燃烧机的发展, 以减少 NOx和其它污染气体的排放 。近年来 ,裂解炉底部生物质燃烧机的开发主要集中在提高燃烧效率、降低气体污染物排放等方面 。例如, 使燃料在氧浓度偏离化学计量的条件下燃烧 ,这一概念被用于分级空气生物质燃烧机和分级燃料生物质燃烧机 。还有一些其它的燃烧装置采用烟气再循环的方法, 使烟气和燃料气 (或燃料气和空气的混合物 )混合以降低烟气温度,减少 NOx的形成 。美国 JoinZink公司开发了一种分级燃料的低 NOx生物质燃烧机(图 2), 部分燃料在烧嘴砖内部的第 1燃烧区(主燃烧区 )内进行燃烧, 剩余的燃料气(二次燃料气 )被送入第 2燃烧区完成燃烧。这种生物质燃烧机可以大大降低 NOx排放。
为了满足更加严格的空气质量要求, 如果不开发出可以满足要求的新生物质燃烧机技术 ,那么工厂就要使用十分昂贵和精细的技术 , 比如采用催化减排 的方 法, 以 减 少 NOx 排 放。 为 此, 美 国ZEECO公司开发了一个低 NOx 燃烧装置 (图3)。该专利的低 NOx生物质燃烧机与目前有效的低NOx生物质燃烧机相比, 操作更稳定、更简单和成本较低 ,而且在维护和控制上更加简单, 提供了一个较宽的有效操作 (调节比)范围, 调节比大约在 5∶1～ 10∶1 之间, 与以前高 NOx生物质燃烧机的调节比相当 。该专利生物质燃烧机还大大减少了生物质燃烧机内贵金属元件的需要量,使生物质燃烧机的尺寸大幅减小 ,加上该生物质燃烧机可以提供大的调节比, 允许裂解炉的操作者在优化和稳定的热通量特性下操作。JohnZink公司还开发出了一种低 NOx燃烧装置,该燃烧装置包含一个带有空气出口的烧嘴砖和围绕着空气出口的砖墙 , 砖墙伸入炉膛并形成混合区。在烧嘴砖上至少形成一个通路通入混合区,燃料通过这一通路被喷入 ,由此烟气被吸入, 并且燃料气和烟气的混合物被排入混合区。燃料气和烟气的混合物在混合区呈旋流状并同空气混合 ,在炉膛主反应区内燃烧 ,烟气中形成低的NOx。由于烟气对一次和二次燃气的稀释 , 相对较低的燃烧温度会使形成的烟气 NOx含量较低 。美国 ZEECO公司还开发了一个用于炉墙壁面附近进行燃料气和空气燃烧的扁平火焰生物质燃烧机,此生物质燃烧机有一个矩形或者正方形而不是标准圆形的通道,助燃空气流经此通道 ,并顺着炉墙壁面流出 ,在炉墙壁面处发生反应。如此设计使燃烧在炉墙壁面周围产生一个几乎均匀的热量分布 ,相应的炉管或其它一些需要被加热的壁面将会受到均匀的热辐射, 提供一个更加令人满意的热流曲线,加热的效果会更好。为此 ,在较低的火焰峰值温度下获得了所要求的加热工艺, 排放较少的氮氧化物。另外 ,烧嘴砖内有燃料气 /烟气喷射通道 ,依靠此通道形成扁平的火焰形状 。炉设计研究所开发了一种长火焰低氮氧化物排放的气体生物质燃烧机 (图 6, ZL200720032397.8), 主要由消音罩、风道、调风挡板 、风箱 、折流板、一级生物质燃烧机、二级生物质燃烧机、烧嘴砖和长明灯组成 ,该气体生物质燃烧机采用分级燃料燃烧技术 , 适合在裂解炉内作为底部生物质燃使用,可形成扁平长火焰,实现大能力燃烧和低 NOx排放 。
3 侧壁生物质燃烧机技术进展美国 JohnZink公司开发出了适于燃烧气体燃料的轴向预混低 NOx生物质燃烧机的设备和方法,第 1部分燃料气与所有助燃空气混合后形成贫的一次燃料 -空气混合物, 注入炉内并在一次燃烧区燃烧 ,把第 2部分燃料气注入一次燃烧区来稳定产生的火焰, 并将剩余的燃料气注入炉内的二次燃烧区。
美国 ZEECO公司开发出了一种向上燃烧的辐射墙加热系统的燃烧装置 (图 7),这种燃烧器可有效防止火焰发飘和冲击炉管问题, 还能减少 NOx的排放,提供稳定的操作和大的调节比 。天华化工机械及自动化研究设计院南京工业炉设计研究所开发了一种新型低 NOx侧壁燃烧器 。该侧壁生物质燃烧机采用了燃料分级和烟气再循环燃烧技术,燃料分为二级注入燃烧区 ,一级燃料与全部助燃空气在炉膛燃烧区混合燃烧 ,过剩的助燃空气冷却了火焰温度 , 从而减少 NOx的生成;剩余的二级燃料进入燃烧区之前先与烟气混合,利用二级燃料气流产生的低压区 , 使烟气再循环到燃烧区域中 ,与过剩的助燃空气完成燃烧。由于惰性烟气冷却了火焰,并降低了氧分压 ,从而降低了 NOx排放量 。
4 CFD模拟技术的应用
计算流体动力学 (CFD)以及高性能计算机的应用, 使得生物质燃烧机燃烧状况的预测成为可能。国内外各生物质燃烧机专利商均利用 CFD模拟技术 ,结合生物质燃烧机的热态试验,进行生物质燃烧机的研发。CFD模拟是采用有限差分的思想 ,把在时间和空间上连续的物理量场离散为有限个离散点上变量值的集合, 将流道内的流体划分为一个个微小的单元,每个微小单元内的流体具有相同的物理性质和流动特性 。因此 , CFD模拟首先要对流道内的流体建立计算模型并进行网格划分, 然后施加边界条件并求解 ,获得计算域内流体的基本物理量的分布 , 以及这些物理量随时间的变化。图 8为某底部生物质燃烧机和侧壁生物质燃烧机流道 3D模型 ,图 9为网格划分, 图 10为生物质燃烧机的温度分布 。CFD模拟通常可实现以下目标:a.预测生物质燃烧机之间 、生物质燃烧机与炉子之间、燃烧器和炉管之间的相互影响作用;b.显示有没有火焰舔炉管;c.预测辐射段烟气温度和速度分布情况 ;d.确保炉管金属温度没有超过炉子各段的许用范围;e.预测炉子中的热通量分布 。CFD模拟还能够克服理论分析难以给出解析结果 、实验研究投资大和周期长的缺点 ,只要通过改变参数 ,就好像在计算机上进行了一次模拟试验, 便于进行多方案比较和燃烧效果预测。
5 结束语
近年来裂解炉用生物质燃烧机的技术进展主要体现在满足炉内热通量曲线要求的前提下 ,对气体污染物排放的控制上, 特别是对 NOx排放的控制,出现了各种类型的低 NOx生物质燃烧机 。为了降低操作和维护费用,生物质燃烧机能力越来越大 ,生物质燃烧机数量越来越少。在生物质燃烧机研发手段上的进展主要体现在 CFD模拟技术的广泛应用。
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