（热能工程专业论文）cgbq10052070382420型co余热锅炉节能及燃烧优化研究.pdf

重庆犬学硕士学位论文 中文摘要 摘要 在石油化工企业，为了回收催化裂化装鬣中产生的c o 再生烟气的能擞，装置 大郝设置了燃烧式c o 余热键炉。该余蕊锅炉黥主要凌裁是蘩l 爱谨强装嚣c o 孬皇 烟气余热，辅以燃料气助燃，回收c o 高温挥生烟气的物理显热和化学能。 零文镑对中石纭爨门分公司毽貔二车耀c o 余热锅炉运行过程巾出现魏翔题， 首先通过分析燃烧器工作特点及结构形式，提出了燃烧器改造方案：运用计算流 体力学( c f d ) 较转f l u e n t ，霹敬选兹篱戆燃烧器内瓣燃烧清提进行了模拟；在燃烧 器改造的基础上，采用中石化荆门分公司c o 再生烟气和炼厂瓦斯气实际假，进行 燃糕豹燃烧诗算，然矮对锅炉进行了热平鬻及热效率兹计算，对谯化改造翦嚣的 过量空气系数，燃料消耗量，各项热损失等进行了比较，并分析了优化改造能够 取褥成功的暇因。 燃烧器改造仿真结果表明：将原来燃气分配器采用一圈孔口赢径相同的喷嘴 改冀嶷径分别为2 3 m m 和8 m m 驹燃气喷孔分成甄摊分布后，不但避免了原来各股燃 气射流互相激叠的现象，而且在空气流中的穿透深度达到了预定数值，从而在旋 流器产生的垮形空气流中形成几个空气一燃气混合层。改选后的燃烧器火焰温度 分布均匀，燃烧完全，达到了预期目标。通过锅炉瓦斯燃烧器改选，降低过量空 气系数n 等接施的实施，热平衡计算结果最示，在保持出力和锅炉热效率不变的 情况下，c o 余热锅炉助燃两斯用量可大幅度降低，从而大大降低熬个装麓能耗。 关键谲：c o 余热锅炉，节熊，燃烧嚣改造，f l u e n t 。燃浇优亿 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i np e t r o l e u mc h e m i c a li n d u s t r ye n t e r p r i s e ，i no r d e rt o r e c y c l et h ee n e r g yo f r e g e n e r a t i v ec of l u eg a so fc a t a l y t i cc r a c k i n gu n i t , t h ei n s t a l l m e n th a sm o s t l y e s t a b l i s h e dt h eb u r n i n gt y p ec ow a s t eh e a tb o i l e r , m a i n l yi n s t a l l st h ec o r e g e n e r a t i o n h a z ea f f e r h e a tu s i n gt h ec a t a l y s i s ，a u x i l i a r yb yf u e lg a sc o m b u s t i o n , r e c y c l e st h e p h y s i c a lm a n i f e s t e dh e a ta n dt h ec h e m i c a le n e r g yo ft h er e g e n e r a t i v ec of l u eg a s i nt h i sp a p e r , i no r d e rt os o l v et h ep r e s e n tp r o b l e m si nc ow a s t eh e a tb o i l e ri n j i n g r n e np e t r o c h e m i c a lb r a n c hc o ，s i n o p e c ，t h ew o r ka n dc o n s t r u c t i o nf e a t u r e so f g a sb u r n e ra r ea n a l y z e d ar e c o n s t r u c t i o np l a ni sp r o p o s e d 。弧ec o m b u s t i o np r o c e s so f g a sa n da i ri ng a sb u r n e rb e f o r er e c o n s t r u c t i o na n da f t e rr e c o n s t r u c t i o na r es i m u l a t e d b a s e do nt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n 鼍m e a n w h i l e , u s i n gt h e r e a ld a t ao fr e g e n e r a t i v ec of l u eg a sa n df a c t o r yg a so fj i n 乎n e np e t r o c h e m i c a lb r a n c h c o 。，s i n o p e c ，t h ec a l c u l a t i o no f 血db u r n i n gi sm a d e ，t h ec a l c u l a t i o no ft h et h e r m a l b a l a n c ea n dt h e r m a le f f i c i e n c yo nb o i l e ra r em a d et o o e x c e s s i v ea i rc o e f f i c i e n t ，f u e l w a s t a g e , e a c hh e a tl o s sa n ds oo nh a sc a r r i e do nt h ec o m p a r i s o na n dt h er e a s o nw h y o p t i m i z e dr e c o n s t r u c t i o no b t a i n e dt h es u c c e s sa r ea n a l y z e d 髓l es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a t b e c a u s eu s et h ef u e lg a sd i v i d e rw h i c ht h e d i a m e t e rr e s p e c t i v e l yi s2 3 m ma n dt h e8 m mf u e lg a sn o z z l ed i v i d e si n t ot w ol o w so f d i s t r i b u t i o n si n s t e a do ft h eo r i 西h a lf u e lg a sd i v i d e rw h i c ham a n h o l ed i a m e t e ri ss a m e s p r a yn o z z l e , o nt h eo n eh a n di th a sa v o i d e dt h eo r i g i n a le a c hf u e lg a sj e tf l o wm u t u a l l y o v e r l a pp h e n o m e n o n , m o r e o v e ra c h i e v e st h ep r e d e t e r m i n e dv a l u ei nt h ea i rc u l t e n t d e p t ho fp e n e t r a t i o n ，t h u st h ec y c l o n ep r o d u c e ss e v e r a la i r f u e lg a sm i xl e v e li nt h e r i n g - l i k ea i rc u r r e n t a f t e rt h er e c o n s t r u c t i o n ，b u r n e rf l a m et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni s e v e n , t h ec o m b u s t i o ni sc o m p l e t e , a n di th a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dt a r g e t b e c a u s et h e m e a s u r e so fb o i l e rg a sb u r n e rr e c o n s t r u c t i o na n dt h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n t 旺r e d u c i n g a r ei m p l e m e n t e d ，t h eh e a tc a l c u l a t i o nr e s u l td e m o n s t r a t e dt h a t , i nt h em a i n t e n a n c e o u t p u ta n dt h eb o i l e rt h e r m a le f f i c i e n c yi n v a r i a b l es i t u a t i o n ，t h ec ow a s t ec o m b u s t i o n g a sa m o u n tu s e dr e d u c e sl a r g e l y , a n dt h ei n s t a l l m e n te n e r g yc o n s u m p t i o nr e d u c e d g r e a t l y k e y w o r d s ：c ow a s t e rh e a tb o i l e r , e n e r g y - s a v i n g , r e c o n s t r u c t i o no fc o m b u s t i o n , f l e n t c o m b u s t i o no p t i m i z a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 褥的研究成果。据我所知，除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论文 申不包岔其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 导重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 磷究所傲的饪傍贡藏均已在论文中俸了嗳确的专冀瞬著表示谢意。 学使论文作者签名：卅嘭亚佛签字日期：鲈7 年g 月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解薰鏖太堂 有关保留、使用学位论文的 规定，蠢权保留并向灏家有关部门或机构送交论文的复印件移磁盘，允许 论文被套阅和储阅。本人授权 冀庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据摩进行检索，酉以采雳影窜、缩印或拯攮等复测手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适孀本授投书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个搀号痰打“”) 学使论文作者签名：前勿亚佛导师签名： 签字日期：凇司年月0 日日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 党的十六大提出，到2 0 2 0 年我国将实现全面建设小康社会的目标。随着人口 增加、工业化和城镇化进程的加快，特别是重化工业和交通运输的快速发展，将 使能源需求量大幅度上升，经济发展面临的能源约束矛盾和能源环境问题将更加 突出。解决能源约束问题，一方面要开源，加大国内勘探开发力度，加快能源工 程建设，并充分利用国外资源。另一方面，必须坚持节约优先，走一条跨越式节 能的道路，建设节能型社会【1 】。国家发改委编制的节能中长期专项规划中明确 指出，要坚持把节约能源放在首位，实行全面、严格的节约能源制度和措施，显 著提高能源利用效率。 中国能源形势可以概括为：需求快速增长；供给、储备紧张；使用效率低下 节能潜力大；浪费、污染严重。我国能源消费的特点为：消费总量位居世界第二， 人均低于世界平均水平；能源消费以煤为主，环境问题日益突出；优质能源比重 上升，石油安全不容忽视；工业用能居高不下，结构调整任重道远；生活用能有 所改善，用能水平仍然很低。通过以下一组图表可以清楚得看到我国能源消费特 点： 图1 1 一次能源消费总量排序 f i g1 1t h ee n e r g y e x p e n s e t o t a l q u a n t i t yt os o r t 图1 2 人均能源消费比较 f i g1 2t h ee n c l g ye x p e n s ec o m p a r e d p e rp e r s o n 2 0 0 2 年石油净进口量8 1 3 0 万吨，对外依存度达3 2 8 。1 9 9 0 年以来工业用 能始终保持在7 0 左右，2 0 0 2 年为6 8 3 ，2 0 0 2 年居民生活用电2 0 0 1 亿千瓦时， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 天然气和煤气1 7 7 亿立方米，液化气1 1 6 9 万吨，人均生活用电仅1 5 6 千瓦时，相 当于日本的7 7 ，美国的4 。 图1 32 0 0 2 年产业结构 f i g1 3t h ei n d u s t r i a ls t r u c t u r ei n2 0 0 2 我国能源利用情况有以下几个特点： 能源利用效率有较大提高。g d p 能耗大幅下降，1 9 9 0 年：5 3 2 吨标准煤； 2 0 0 2 年：2 6 8 吨标准煤。1 2 年下降5 0 ，年均节能率为5 6 ；单位产品能耗国 际差距明显缩小。能源效率有较大提高：2 0 0 0 年能源效率：3 3 ，比1 9 9 0 年提高 5 个百分点。 表1 1 单位产品能耗国际差距比较 t a b l e1 1 t h ei n t e r n a t i o n a ld i s p a r i t yq u i t eo f t h eu n i tp r o d u c te n e r g yc o n s u m p t i o n 1 9 9 0 芷2 0 0 0 矩 单耗单耗 千克标准煤 国际差距国际差距 千克标准煤 供电煤耗 4 2 72 8 63 9 2 2 2 5 吨钢可比能耗9 9 75 8 57 8 42 1 4 水泥综合能耗 2 0 16 4 01 8 14 5 3 大型合成氨综 1 3 4 33 4 31 2 7 33 1 2 合能耗 节能取得显著经济和社会效益，1 9 9 1 2 0 0 2 年累计节能7 亿吨标煤，相当于 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 同期能源生产总量增加量 3 9 4 亿吨标准煤的i 7 7 倍，能 源消费总量增加量5 2 7 亿吨 标准煤的1 3 3 倍；以年均3 6 的能源消费增长支持了国民 经济年均9 7 的增长速度；减 少二氧化硫排放1 0 5 0 万吨。 能源利用效率与国外 有较大差距。高耗能行业主要 产品单位能耗比国际先进水 表1 2 商耗能行业单位能耗国际差距 t a b l e1 2t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni n t e r n a t i o n a ld i s p a r i t y o f t h eh i g hc o n s u m ee n e r g yp r o f e s s i o nu n i t 国际差距 火电供电煤耗 2 2 5 吨钢可比能耗 2 1 4 钢冶炼综合能耗6 5 水泥总和能耗4 5 3 大犁合成氨综合能耗 3 1 2 纸和纸板综合能耗 1 2 0 平平均高4 0 ，如表1 2 所示。主要能耗设备效率低，能源效率比国际先进水平低 1 0 个百分点。火电机组平均3 3 ，低6 7 个百分点能源利用中间环节( 加工、 转换和储运) 损失大。据测算目前节能潜力为3 亿吨标准煤。 2 0 2 0 年能源需求量预测超过4 0 亿吨标准煤，按能源中长期发展规划，消费总 量控制在3 0 亿吨标煤以内。要达到2 0 2 0 年g d p 能耗( 吨标煤万元) 1 5 4 ，年均 节能率3 ，即累计节能1 4 亿吨标准煤的目标。解决以上能源约束问题应在加大 国内勘探开发力度，充分利用国外资源的同时，走一条跨越式节能的道路，才能 够支持国民经济持续快速协调健康发展。而且，节能是确保能源安全、环境保护、 增强企业竞争力的必然选择。 节能中长期专项规划中，节能的十项重点工程包括：燃煤工业锅炉( 窑 炉) 工程；区域热电联产工程；余热余压利用工程；节约和替代石油工程；电机 系统节能工程；能量系统优化工程；绿色照明工程；建筑节能工程；政府机构节 能工程；节能技术服务体系建设工程。 1 1 1 余热余压回收利用 余热余压利用作为节能中长期专项规划的十项重点工程之一，是指冶炼( 焦 化) 行业实施干法熄焦、高炉炉项压差、全高炉煤气发电改造，转炉煤气回收， 油田、石化、有色金属业放散气回收及余热利用，建材行业中低温余热回收利用。 “十一五”期间。钢铁联合企业年可节能2 6 6 万吨标煤，日产2 0 0 0 吨以上水泥生产 线建设中低温余热发电装置3 0 套年，形成年节能能力1 0 0 万吨标煤。通过地面煤 层气开发及地面采空区、废弃矿井和井下瓦斯抽放，瓦斯气年利用量达到1 0 亿立 方米，相当于年节约1 3 5 万吨标准煤。重点推广7 5 吨时及以上级干法熄焦技术、 大容量全高炉煤气发电技术、高炉炉顶压差发电、高炉热风余热回收技术、转炉 煤气回收技术、水泥中低温余热回收技术、油田气集中回收技术、煤矿瓦斯回收 技术及大型余热锅炉和先进热交换技术。 重庆大学硕+ 学位论文1 绪论 回收余热并谋求余热的有效利用是推进节能工作的重要的课题之一【6 】。工业余 热利用，是工业节能的重要方面，同时也是利用既得能源的重要手段，可以看作 是“工业二次能源”的开发利用，包括具有一定温位余热、有压力的余热流体的 余压能和还能补燃的排气、排液与排渣的化学能在内的统称“工业余热”。我国历 来的能源消耗结构中，工业生产部门始终是能源消费的大户，约占全国能耗量的 7 0 左右。表1 3 给出了我国主要耗能工业部门的余热来源及余热所占比例。 表1 3 我国主要耗能工业部门余热来源及余热所占比例 t a b l e1 3o u rc o u n t r y sm a i nc o n s u r f l ee n e r g yi n d u s t r ys e c t o r sa f l e r h e a to r i g i n a n da f l e r h e a to c c u p i e sp r o p o r t i o n s 余热约占部门燃料消耗量 工业部门余热来源 的比例 冶金工业高炉、转炉，平炉、均热炉、扎钢加热炉3 3 高温气体、化学反应、可燃气体，高温产品 化学工业1 5 等 机械工业锻造加热炉、冲天炉、退火炉等 1 5 造纸1 = 业造纸烘缸、木材压机、烘干炉、纸浆黑液等 1 5 玻璃搪瓷- i = 业 玻璃熔炉、坩锅窖、搪瓷转炉、搪瓷炉窖等 1 7 建材工业高温排烟、炉项冷却、高温产品等 4 0 由表1 3 可知，余热资源存在于各工业部门，它的热源载体种类繁多，量有大 小，品位有高低，特性各异，从而导致回收利用的设备结构品种规格也千姿百态， 但是总的归属于余热锅炉、汽化冷却装置和换热器三大类别产品。其中余热锅炉 作为现代化工业回收余热和燃烧废气、废渣的有效设备得到较快的开发。 余热锅炉系指那些利用工业过程中的余热以产生蒸气的锅炉，其主要设各为 锅炉本体和气包，辅助设备有给水预热器、过热器等。在过去，工业过程中许多 余热是未加以充分利用即行浪费掉的，例如烟道气( 约2 0 0 3 0 0 ) 、高炉炉气( 约 1 5 0 0 ) 、需要冷却的化学反应工艺气( 3 0 0 一1 0 0 0 ) 的余热即是如此。随 着工业的发展和能源供求的紧张，及国家建设节约型社会的需求，工程技术人员 对于这些过去废弃不用的余热加以重视利用它来产生压力蒸气，以此作为供热、 供气、供电和动力的辅助能源，借以提高热能的总利用率，降低燃料悄耗指标， 降低电耗，以获取经济效益。余热锅炉利用的余热，不仅是高温气体的显热，而 且还利用这些废气中所含少量可燃物质，( 如c o 、h 2 、c h 4 、h 2 s 、c 、) 的 化学能【9 】。燃烧式c o 余热锅炉既属于此类余热锅炉。 把余热锅炉自产的高压、高温过热蒸汽用来驱动大功率背压式气轮机，以直 接拖动本厂的大型机器，例如大型压缩机、大型泵和风机等。以背压式气轮机抽 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 出的中压蒸汽，部分用在凝气式中压汽轮发电机发电，以供本厂的各种中小型 机器和照明之用。另一部分中压蒸汽可以供中压工艺蒸汽用，或者供中压蒸汽轮 机直接拖动中型机器，而将其低压乏气作为低压工艺蒸汽和采暖用。这样一来既 回收了余热，节约了原料蒸汽，又节省了燃料，并自给了动力和电力，使产品成 本大大降低。因此余热锅炉在各行各业中均获得广泛应用。尤其是2 0 世纪7 0 年 代以来，由于世界的能源逐渐短缺，而能源需要量则日渐增多，有些工业国家出 现能源危机，因此节约能源的呼声甚高，节能措施和技术的研究者也日益增多。 我国建设节约型社会，这方面的研究也在紧张进行当中。余热锅炉是节能工作中 回收热能用的最普遍、最多的一种技术装备，因而对余热锅炉的研究和应用，将 对能源节约起着极为重要的作用。 1 1 2 燃烧式c o 余热锅炉及其在催化裂化装置中的应用 在当前我国加入w t o 的进程中，作为国民经济的支柱企业一一石化系统也同 样面临着国际市场激烈竞争的挑战，在国内石化企业内广泛使用的锅炉、加热炉 一直是燃料消耗的大户，如果采用新的技术并通过技术改造，能够提高炉自身效 率，降低运行消耗和生产成本，则将成为降低产品成本、提高企业生存和竞争能 力的有效途径。 图1 4 催化裂化工艺流程图 f i g1 4c a t a l y t i cc r a c k i n gf l o wc h a r t 液化气 稳定汽油 轻柴油 外甩油浆 新鲜原料 在石油化工企业，催化裂化是石油二次加工的主要方法之一，催化裂化在原 油深度加工中发挥着非常重要作用，特别是在重油转化中，发挥着越来越重要的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 作用。目前国内大约有5 0 的重质油由催化裂化装置来加工完成，成品汽油中8 0 以上是催化裂化汽油组分。催化裂化对促进我国的炼油工业，对国民经济发展所 起的作用，也是难以估量的。催化裂化工艺流程图见图1 4 。 催化裂化用原料经加热或换热后，进入提升管反应器，与来自再生器的高温 再生催化剂接触，立即汽化反应。油气在提升管内的停留时间很短，一般只有几 秒钟。在提升管出口设有旋风分离器，使催化剂和油气快速分离，减少二次反应。 含有极少量催化剂的油气经沉降器内的集气室去分馏塔进行产品分离。积有焦碳 的催化剂( 待生催化剂) ，由沉降器落入下面的汽提段，经蒸汽汽提脱除吸附油气后 由待生斜管进入再生器。再生器的作用是使用空气烧去催化剂上的积炭，使催化 剂的活性得以恢复。再生后的催化剂经再生斜管去提升管反应器。再生烟气经旋 风分离器分离出夹带的催化剂后，去废热炉回收能量，然后经烟囱排至大气f 1 0 】。 在再生塔中，由于控制焦炭燃烧使其陷于部分燃烧( 调节空气来控制) ，因而 再生塔的排气中含有c 0 6 1 0 ，所以再生塔的排气拥有以下三种形态的巨大 能量。 物理显热 c o 气体的燃烧热 由压力产生的机械能 再生烟气排出温度很高( 5 0 0 6 5 0 ) ，有的装置再生烟气中还含有c o ，所 以再生烟气蕴涵着很大的能量。初期的催化裂化装置，再生塔排气的能量不回收， 全部排入大气，后来设置了回收显热的换热器式样的蒸汽发生器，进而为了回收 c o 气的燃烧热，设置了以再生塔排气为燃料的燃烧式c o 余热锅炉，显然，在 c o 燃烧式锅炉中同时也能回收排气显热，减少大气污染。但无论在任何情况下， 为了使稀薄的c o 气体稳定燃烧，至少必须使用1 1 0 左右的辅助燃料。 余热回收设旌可将再生烟气温度降到1 7 0 2 3 0 c ( 视s o , 露点温度而异) ，大 幅度降低装置能耗。对于没有烟气轮机的催化裂化装置，设置余热回收设施，将 再生烟气温度从6 5 0 降至2 0 0 。装置能耗可降低2 0 。对于有烟气轮机的装置， 将再生烟气温度从5 2 0 5 5 0 降到2 0 0 ，可将装置能耗降低1 5 。对于含有 c o 的再生烟气，余热回收设施不仅回收气物理能量，而且可以回收其化学能，从 而大幅度地降低装置能耗。 余热回收设施分为余热锅炉、c o 锅炉及c o 焚烧炉+ 余热锅炉三种形式。中 小型装置余热回收设施发生低压蒸汽，大型装置余热回收设施则发生中压蒸汽。 由于再生烟气中含有催化剂粉尘及s o x 等杂质，余热回收设施需要考虑除尘及s o x 露点腐蚀问题。 燃烧式c 0 余热锅炉应用于贫氧再生的催化裂化装置，一般烟气中c 0 含量为5 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 8 由于燃烧热偏低，其中的c o 燃烧火焰温度很少超过9 0 0 ，而c o 稳定燃 烧需要9 5 0 以上，因此需补充燃料气体提高燃烧温度。c o 燃烧炉( 焚烧炉) 是 空桶燃烧器，向其中补充1 5 的燃料气。含c o 烟气在c 0 燃烧炉中停留时间l s 左 右，在9 5 0 1 0 0 0 c 下使c 0 充分燃烧成c 0 。，高温烟气再进入余热锅炉回收显热。 c o 燃烧炉有卧式和立式两种。由于c 0 燃烧炉体积较大，采用卧式结构占地面积大。 立式结构占地面积较小，可与立式余热锅炉巧妙结合，故应用较多，见图1 5 。 d 图1 5 典型的余热回收系统工艺流程示意图 f i g1 5t h et e c h n i c a lp r o c e s ss c h e m a t i cd r a w i n go f t h et y p i c a la f l e r h e a tr e c o v e r ys y s t e m 1 1 3 当前国内外燃烧式c o 余热锅炉研究概况 重油催化裂化装置( r f c c u ) 余热锅炉主要利用催化装置c o 再生烟气余热、 辅以燃料气助燃，回收c o 高温再生烟气的物理显热和化学能，以降低装置能耗，从 而降低装置的加工成本艄除再生烟气中c o 气体及其它有害气体对大气的污染。 c o 余热锅炉对保证石化企业全厂中压蒸汽管网正常运行以及全厂各装置的安全 生产都起到十分重要的作用。但是，由于c o 锅炉工作条件较一般中压蒸汽锅炉恶 劣如烟气中携带大量催化剂细粉和因装置生产原料性质的变化导致炉膛温度的较 大波动等，运行中出现的问题较多。再加上燃烧传热过程本身就是一个复杂的物理 化学过程，涉及到燃烧学、流体力学、热力学、传热传质学等学科领域。因此， 影响锅炉燃烧好坏的参数多，各参数之间的关系复杂：燃烧器结构、燃气组分、 配风量、预热空气温度、排烟温度等因素都与燃烧有着复杂的关系。 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 c o 燃烧式余热锅炉在催化裂化装置中的作用极其重要，它的安全经济运行对 于整套装置的效益有明显的影响，因此石化企业都非常重视c o 余热锅炉的技术改 造及优化运行。 多数石化企业都是从技术改造方面实现c o 燃烧式余热锅炉的节能运行，针对 c o 余热锅炉出现的问题，燃烧式c o 余热锅炉节能改造及优化运行主要集中在以 下几个方面： 过热器。由于设计原因，多数余热锅炉运行一段时间后都会出现过热器过 热能力不足的问题，主要原因是由于过热段管束积灰导致热交换能力下降。文献 【1 7 】【1 8 】通过更换过热器管束，增设低温过热段等很好地解决了过热能力不足地问题。 省煤器。c o 余热锅炉改造最多的是省煤器。由于尾部受热面缺乏有效的 吹灰手段和传热管错列布置等原因，使催化剂很容易因静电而吸附在换热器表面 上，造成流通阻力增大( 常常有共鸣现象) 和传热效率下降。文献【2 0 】【2 1 1 针对出 现的问题通过省煤器的改造取得了很好的效果：将原光管省煤器改为高效翅片管 省煤器，换热管采用顺排布置，即增加了换热面积，降低了阻力，又便于清灰。 风烟系统及燃烧器。燃烧稳定性差，易灭火，供风量不足，燃烧工况差， 辅助燃料量增加等问题都是此部分常出现的问题。针对以上常出现的问题，通过 加长旋风口深度，增加前期供风设施，形成一个稳定的燃烧区域并加装了稳焰器， 使气流有了一定的漩流强度，形成了一个大小和位置适当的汇流区，保证燃料及 时着火，提高燃烧稳定性【2 2 j 。实际操作补燃瓦斯量过小，容易造成熄火，影响安 全生产，补燃瓦斯量大，助燃空气不足，燃烧不完全，排放烟气中c o 含量超标， 影响能量回收效果。文献【2 3 】通过增设小流量和高可靠性常明燃烧系统，即在每台 瓦斯燃烧器中个增设一台专门设计的特殊常明燃烧器，确保了燃烧器旋口高风速 ( 5 0 m s 以上) 下稳定燃烧，确保余热锅炉炉膛不熄火。 其他方面的改造。这部分涉及到方面比较多，但对于具体的锅炉又特别重 要。由于烟气中携带大量催化剂细粉，各级过热器排列方式等原因，极其容易造 成低温过热器积灰，流通阻力增大，低温露点腐蚀一系列问题。大部分石化企业 通过增设低温过热器、烟气过热器、给水过热器、水热媒空气预热器都得到了比 较理想的效果。吹灰器的优化也是这部分的重点，通过增设各种蒸汽吹灰器、声 波吹厌器、增加吹灰时间等措施也使该问题得到初步解决。文献瞄】详细地介绍了 弱爆炸波吹灰器在c o 燃烧式余热锅炉中的应用。对于控制方案方面，余热锅炉尾 部热量再分配三级控制方案，计算机群控余热锅炉系统【2 5 】的应用都取得了比较好 的经济效益。 1 2 燃烧式c o 余热锅炉燃烧系统存在问题 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 催化裂化装置燃烧式c o 余热锅炉，利用高温再生烟气，并补充燃料气( 一般 为炼油厂瓦斯) ，产生中压蒸汽。为保证过热蒸汽出口温度，便于过热蒸汽温度和 压力的调节，一般都设置瓦斯喷嘴燃烧装置辐射过热室。过热蒸汽温度由调 节瓦斯气流量来控制。自再生器来的再生烟气随着催化装置掺渣比的变化，再生 烟气热量，含c o 量也会随之变化，造成配风量很难准确地随之变化。燃料气量与 供风量的调节不合理，容易造成熄火事故和过剩空气量过大。经过查阅大量的资 料文献发现，目前燃烧式c o 余热锅炉燃烧系统存在以下主要问题： 燃烧器设计不合理由于燃烧器设计问题，不能使空气跟燃气很好地混合， 就得不到理想的、均匀的燃气一空气混合物，燃烧时间不能保证，这样的燃烧器 燃烧不完全，燃烧效率低。 燃烧稳定性差，配风量调节难度大，燃烧工况差。锅炉底部进余热烟气， 烟气进入绝热炉膛先吸热、后放热、烟气流量大、流速快、冲刷严重，边角区域 易形成一定强度的涡流，干扰火嘴燃烧的稳定性。如果配风器为直流无漩流强度， 不能使燃烧器出口形成高强烟气回流区，无法建立稳定燃烧区，当外来烟气发生 波动时，极易造成灭火现象，危机正常安全生产。配风器设计不合理，当燃料量 变化时，不是配风量不足，燃烧不完全，就是过剩空气量大。 运行优化研究滞后。对于燃烧式c o 余热锅炉，多数采取节能改造的方式进 行。针对燃烧系统，通过热平衡计算，找出影响锅炉效率及其热损失的各种因素， 分析其原因，建立c o 锅炉燃烧系统的数学模型，分析比较燃烧优化问题，提出实 现燃烧系统优化运行的技术方案，确定燃烧系统的最佳运行参数，达到优化锅炉 燃烧运行的目的，这方面的研究几乎没有。 基于燃烧式c o 余热锅炉节能及燃烧系统优化中存在的以上问题，本文将从燃 烧器技术改造及燃烧系统优化运行等方面对c o 余热锅炉燃烧进行节能挖掘，以达 到为整套催化裂化装置节能降耗，提高经济效益的目的。 1 3 本文的研究目的和研究内容 中石化荆门分公司催化二车间c o 余热锅炉运行过程中出现了以下问题：( 1 ) 烟气流通阻力偏大，导致炉膛压力偏高、再生烟气处理能力不足，大约1 0 烟气 直接排入大气，助燃瓦斯量上升；( 2 ) 锅炉蒸汽过热器过热能力不足，部分中压饱 和蒸汽不能过热且直接串入低压蒸汽管网；( 3 ) 催化剂跑损增加，导致严重积灰， 造成热交换能力下降，排烟温度上升，热效率下降。为解决以上问题，荆门分公 司于2 0 0 1 年三月对c o 余热锅炉进行了节能改造，在c o 余热锅炉锁气器部位增 设一烟气旁路烟道，并在旁路烟道中加装低温过热器和无腐蚀空气及给水预热系 9 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 统的烟气换热器，使部分烟气通过该旁路烟道的低温过热器和烟气换热器后与原 烟道相接，增大烟气流通能力：增设空气预热器并将空气预热器布置在鼓风机出 口与燃烧器入口间风道上：增设给水预热器并将给水预热器布置在距离烟气换热 器较近的位置。通过以上节能改造，提高了余热锅炉抗低温露点腐蚀能力，增加 c o 余热锅炉蒸汽产量和蒸汽过热能力，但是锅炉的燃料用量一直居高不下，造成 整个装置的能耗降不下来。中石化荆门分公司为解决燃料用量上升的问题，委托 重庆大学动力工程学院进行c g b q l 0 0 5 2 0 7 0 3 8 2 4 2 0 型c 0 余热锅炉节能及燃 烧优化方面的研究。经过对c o 余热锅炉的工艺流程、结构特点、运行工况、燃烧 器的工作特点及结构形式、配风等认真系统的研究，综合考虑各方面因素，本文 提出了针对c o 余热锅炉的燃烧特点，一方面通过燃烧器改造，另一方面通过调节 过量空气系数、热平衡计算的方案对c o 余热锅炉进行节能改造。 本课题的主要研究内容及成果是： 经过对c o 余热锅炉的工艺流程、结构特点、运行工况、燃烧器的工作特点 及结构形式、配风等认真系统的分析研究，本文提出了从c o 余热锅炉瓦斯燃烧器 改造和锅炉配风调整两方面入手的锅炉燃烧优化及节能改造方案。 本文认真分析瓦斯燃烧器的工作特点及结构形式，对气体燃烧方式、流动 特性、配风方式及其稳燃机理等进行了深入研究，在此基础上重新设计了燃烧器 燃气分配器，并提出改造措施。 运用计算流体力学( c f d ) 软件f l u e n t ，对改造前后的燃烧器内的燃烧情况进 行了模拟，并分析改造效果。 进行气体燃料的燃烧计算，对中石化荆门分公司c o 锅炉进行热平衡及热效 率的计算。本文根据现有运行参数，先确定锅炉热效率，再用反平衡法，在锅炉 热效率及锅炉出力不变的情况下计算各项热损失，调整过量空气系数n ，算出燃 料量( 瓦斯消耗量) 与过量空气系数之间的关系。研究表明：如燃烧器改造和过 量空气系数调整方案能够实施，可以使瓦斯消耗量由原来的1 3 4 5 n m h 减少到 1 1 7 2 n m h ，瓦斯消耗量每小时减少1 7 3n m 3 ，能大大降低装置能耗。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 气体燃料及燃烧计算 2 气体燃料及燃烧计算 气体燃料通常由一些单一气体混合而成，其组分主要是可燃气体，同时也含 有一些不可燃气体。可燃气体有碳氢化合物、氢及一氧化碳。不可燃气体有氮、 二氧化碳及氧。此外，燃气中还含有少量的混杂气体及其他杂质，例如水蒸气、 氮、硫化氢、萘、焦油和灰尘等。常用的气体燃料有纯天然气、石油伴生气、液 化石油气、炼焦煤气、炭化煤气、高压气化煤气、热裂解油制气、催化裂解油制 气和矿井气等。 气体燃烧计算是工业炉、锅炉及燃气用具热力计算的一部分。它为工业炉、 锅炉及燃气用具热平衡计算、传热计算、空气动力计算和燃烧器计算提供可靠的 依据。燃气燃烧计算的内容包括；确定燃气的热值、计算燃烧所需的空气量及烟 气量、确定燃烧温度和绘制焓温图等。 2 1 气体燃料燃烧特性 2 1 1 燃烧及燃烧反应计量方程式 气体燃料中的可燃成分( h 2 、c o 、c 。h 。和h 2 s 等) 在一定条件下与氧发生 激烈的氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学反应过程称为燃烧。 燃烧必须具备的条件是：燃气中的可燃成分和( 空气中的) 氧气需按一定比 例呈分子状态混合；参与反应的分子在碰撞时必须具有破坏旧分子和生成新分子 所需的能量；具有完成反应所必需的时间。 燃烧反应计量方程式是燃气进行燃烧计算的依据。它表示各种单一可燃气体 燃烧反应前后物质的变化惰况以及反应前后物质间的体积和重量的比例关系。例 如： c h 4 + 2 0 | = c 0 2 + 2 2 0 + a h 表示l m o l c h 4 与2 m o l 0 2 完全燃烧后，生成l m o l c 0 2 与2 m o l h 2 0 ，同时放出一 定的热量a h ，其他常见的单一可燃气体与氧完全燃烧的反应计量方程式( 简称燃 烧反应式) 列于表2 1 中。 任何一种形式的碳氢化合物c m h n 的燃烧反应式，都可用以下通式表示： g 峨+ ( m + ) d 2 = m c d 2 + 等吼d + 日 叶 各种单一气体的摩尔容积实际上是不完全相等的，但在燃挠计算时可近似假 定它们相等。这样，燃烧反应计量方程式所反映的摩尔之间的比例关系，就可以 转化为容积之间的比例关系。 重庆大学硕士学位论文 2 气体燃料及燃烧计算 2 1 2 燃气热值的确定 1 n m 3 燃气完全燃烧所放出的热量称为燃气的热值，单位为k j n m 3 。发热量 可分为高位发热量和低位发热量。 高位发热量是指燃料完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气 以凝结水状态排出时所放出的热量。 低位发热量是指燃料完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而烟气中的水蒸 气仍为蒸汽状态时所放出的热量。 显然，燃气的高位发热量在数值上大于其低位发热量，差值为水蒸气的汽化 潜热。 在燃气锅炉中，烟气中的水蒸气通常是以气体状态排出的，因此实际工程中 常用燃料低位发热量计算。而只有当烟气冷却至露点温度以下时，其水蒸气的汽 化潜热才能被利用。 单一可燃气体的发热量可根据表2 1 所示的该气体燃烧反应的热效应算得。 表2 1 单一可燃气体燃烧特性 t a b l e2 1t h es o l ef l a m m a b l eg a sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c 序热效应 标态下发热量 标态f t 燃气的 燃烧反应式 k j k = o l虬f - 理论空气量 号 t | t 高低高 低 空气纯氧 1h 2 + 0 5 0 r - h 抑 2 8 6 0 1 32 4 2 0 6 41 2 7 5 31 0 7 9 4 2 3 80 j 2c o + o ，5 0 , - 戈嘎2 8 3 2 0 82 8 3 2 0 81 2 6 4 41 2 6 4 42 3 8o 5 3 c h + 2 0 ：= c 0 2 + 2 h 抑 8 9 0 9 4 38 0 2 9 3 23 9 8 4 23 5 9 0 69 5 22 0 4g + 2 5 0 = 2 c 0 z + h 2 0 5 8 5 0 25 6 4 8 81 1 9 02 5 5 c 捌+ 3 0 = = 2 c 0 , + 1 k 0 1 4 1 1 9 3 1l 3 2 1 3 5 4 5 6 3 4 3 8台9 4 8 2 1 4 2 8 & o 6 g + a5 岛蝴+ 删 j 5 6 0 8 9 81 4 2 8 7 9 27 0 3 5 】6 4 3 9 7j6 6 63 5 7 c 4 1 6 + 4 5 0 = = 3 c 0 , + 3 f _ 1 2 0 2 0 5 9 8 3 0 1 9 2 7 8 0 89 3 6 7 18 7 6 6 72 1 4 24 5 8g h 十缸：3 c 0 4 h 抑 2 2 2 1 4 8 72 0 4 , 5 4 2 41 0 1 2 7 09 3 2 4 42 3 8 0 5 0 9c i 十峨= 4 c 0 。+ 4 h ：0 2 7 1 9 1 3 42 5 4 3 0 0 41 2 5 8 4 71 1 7 6 9 52 & 5 66 o 1 0 c 一。+ 6 5 0 f 4 0 0 ，5 l 抑 2 8 7 9 0 5 72 6 5 8 8 9 41 3 3 8 8 51 2 3 6 4 93 0 9 46 5 l lc 洲嵋5 0 产4 c m + 5 t l 一0 2 8 7 3 5 3 52 6 5 3 4 3 91 1 3 0 4 81 2 2 8 5 7 3 0 9 46 5 1 2 c 1 1 + 7 ，5 0 f = 5 c 0 = + 5 1 0 3 3 7 8 0 9 93 1 5 7 9 6 91 5 9 2 l t1 4 8 8 3 73 5 7 07 5 1 3( 甜，一8 吼= 5 ：+ 5 h z 【) 3 5 3 8 4 5 33 2 7 4 3 0 8 1 6 9 3 7 71 5 6 7 3 33 8 0 88 0 1 4口1 。+ 7 5 0 ：6 c 0 3 h - o 3 3 0 3 7 5 03 j7 1 6 1 41 6 2 2 5 91 5 5 7 7 0 3 5 7 07 5 1 5 h 占+ l5 c f s 嘎+ 5 6 2 5 7 25 1 8 6 4 4 2 5 3 6 42 3 3 船7 1 41 5 例如，根据表2 1 中c h 4 的燃烧反应式可计算出每n m 3 c h 4 的发热量为 巩：翌丝：3 9 8 4 2 k 3 n m 3 4 2 2 3 6 2 1 1 2 重庆大学硕士学位论文2 气体燃料及燃烧计算 h ：3t 8 0 2 9 3 2 3 5 9 0 6 1 d n m 式中2