焚烧炉系统设计论文

1燃烧空气的控制方案

焚烧炉的炉膛温度完全取决于一次过剩空气量的多少。如果过剩空气量过大，则炉膛温度低，满足不了稳定燃烧的需要；如果过剩空气量过于接近化学比例，炉膛温度有可能达到2000℃以上，会对炉子的安全运行造成严重威胁。炼油厂加热炉对过剩空气量的控制一般有两种做法：①烟气氧含量调节法：在炉膛烟气出口设置氧化锆分析仪，通过测量烟气中的氧含量来调节燃烧空气量。由于是在炉膛尾部测量，因此有一定的滞后性。但其优点是能适应燃料组分多变的场合。②空气燃料比例调节法：在燃料管线设置流量计，在空气管线上设置流量计及调节阀，按照固定比例将空气流量控制在燃料量的倍数上。由于是燃烧前的测量与控制，因此能及时准确地反映燃料流量的变化，可确保对火焰温度的准确控制。其缺点是不能适应燃料组分多变的场合。如果燃料组分变化过大，还需设置燃料密度计对空燃比进行校正。该项目尾气组分非常稳定，因此非常适合比例调节法。经过燃烧计算，当炉膛温度为1100℃时，相应的空燃比为6．81，本项目按此数值锁定空燃比。

2采用双燃烧器解决大调节比

经过多方考虑，决定采用双燃烧器、双尾气管线、双燃烧空气管线的办法来实现1∶40的大调解比。设想采用大、小两种燃烧器，操作中采用如下组合：①小流量时采用小燃烧器单独运行；②中流量时采用大燃烧器单独运行；③大流量时采用双燃烧器同时运行。运行范围为15～600m3／h，假定大、小两个燃烧器有相同的调节比P，则：小燃烧器能力：15～15Pm3／h；大燃烧器能力：15P～15P2m3／h；而大小燃烧器能力之和应满足600nm3／h的要求，即：15P＋15P2＝600。求解上述方程得：P＝5．84。即大小两个燃烧器，均采用5．84的调节比，即可满足系统1∶40的调节比要求。大、小燃烧器的能力分别为：15～88，88～512m3／h，而调节比为5．84的燃烧器则完全是常规要求，没有特殊的设计难度。考虑到系统长期在88m3／h附近运行时，有可能会出现两个燃烧器之间频繁切换、导致运行不稳定，因此实际采用的大小燃烧器的能力比理论值稍有扩大，使大小燃烧器能力略有重叠。有关阀门的控制值也做相应的调整。两个燃烧器的说法是从功能上区分的。实际在结构设计时，两个燃烧器仍然被组合在一起，统一布置（见图1），小燃烧器布置在中心位置，大燃烧器则环形布置在四周。大小燃烧器的区别在于它们的燃料及空气是分开供应、分开控制的。采用组合式燃烧器能实现的最大调节比仍有潜力可挖。理论上讲，在维持每个燃烧器1∶8调节比的前提下，双组合式燃烧系统最大可以实现72倍的调节比例。

3风机与二次风管线

风机的正常运行区间在1∶6之内。超出此范围，将不可避免地进入低效率甚至喘振范围。风机的关停需要一整套阀门、挡板的切换，不能采用大小两台风机来解决问题。炉膛内完成焚烧的烟气出口温度是1100℃，在排入大气之前需要用二次掺和空气将其冷却至350℃以下。焚烧介质中没有腐蚀成分，对排烟温度无下限要求。可充分利用二次掺和风管线，作为风机稳定运行的“调节旁路”。即最大工况下将排烟温度设计在350℃，而在小工况下，多余空气全部通过二次掺和风道排入烟囱。在最终的PID图中（见图2），把二次风调节做成了一个风机出口的压控，即通过调节二次掺和风的流量来确保风机出口压力的稳定，不管一次燃烧用风如何变化，单一风机仍能稳定运行在一个固定的流量、压力上。

4烟囱高度

烟囱高度一般由两个因素决定：烟气污染物排放和炉内负压要求。项目全部设备都被组合进了框架内。原来的火炬和焚烧炉都就放置在38．5m高的混凝土框架上。不必再考虑烟囱的排放要求。常规管式加热炉均要求炉膛在负压下操作，以防止炉体有高温烟气泄漏。该负压一般由烟囱高度或引风机来保证。但对于本焚烧炉而言，由于炉体简单，很容易实现密闭，不需要对炉膛提负压要求。综上所述，本焚烧炉对烟囱高度无任何功能上的要求。仅在平面布置时需要考虑把烟气出口避开周边其它设备平台。实际设计中二次掺和风入口以上的烟囱高度仅取为不足1m。

5焚烧炉采用立式结构

下游带有余热回收或其它换热设备的焚烧炉，不能单独要求其采用立式或是卧式，要结合下游设备进行综合考虑。而对于无余热回收设备、烟气经冷风混兑后直接排放的焚烧炉，一般不建议采用立式结构，原因如下。采用冷风混兑的立式焚烧炉，冷风进入炉膛后总是有向炉膛底部回流的趋势。炉膛温度计的指示将随冷风流量变动。若炉膛温度参与燃料量或者一次风流量控制，则整个控制将陷入混乱。而卧式结构焚烧炉能彻底避开此问题。本次设计破例采用了立式结构。其原因为：①焚烧炉是临时添加设备，只能在38．5m高平台上找到有限的位置，不允许采用卧式布置；②烟囱极短，实际上二次混兑空气可以直接携带烟气流出烟道，而不在炉膛内产生回流；③炉膛上的温度计仅仅用作显示，不参与控制，即使不准也不会导致控制逻辑混乱。

6其他特点

6．1远程自动点火

因为点火有安全风险，加热炉一般不用远程自动点火。但由于本焚烧炉地处框架的最顶部，整个装置的介质亦属于高度危害，应尽量减少作业人员到现场，要求实现远程点火。点火棒设置长明灯上，点火系统与长明灯一体化，整个点火系统采用当地控制柜，用PLC自动控制。CO尾气及燃烧空气则由装置的DCS系统统一控制。

6．2低压降流量计

经过比较，选用一种新型的调整型流量计。其节流元件为4个圆孔，对管内流体流态进行调整改善。其压差仅需要100Pa，即可测量1∶10的流量变化，精度可保证0．5％，对直管段的要求仅为前1．0D、后0．5D，完全满足本项目要求。

6．3取消三门一板

根据本项目的特点，设计中取消了全部的三门一板。①取消烟气挡板：本炉子不需要对炉体内烟气压力做任何保证或调整，因此取消烟气挡板；②取消防爆门：取消烟囱挡板后，烟气在炉膛出口完全敞口运行，炉膛内即使有闪爆也可以通过烟囱自由排放，不需要防爆门进行泄压；③取消看火门：由于燃烧器上已设置有密闭的看火孔，可以观察火焰燃烧的情况，本炉内又没有炉管需要密切观察，因此决定取消炉体看火门；④取消人孔门：本项目中，炉衬是在车间内预制的，不需现场炉衬施工。设置人孔门仅仅是检修时用。由于炉膛操作温度达到1100℃，人孔需厚重的耐火结构，其开闭麻烦。全炉高度仅为4m，检修人员完全可通过炉顶敞口烟道进入炉膛内查看。人孔取消之后，炉体平台也顺理取消。全炉仅设一个通高的立梯，所有的仪表均布置在立梯两侧。炉膛内部需要检修时可从立梯顶部翻入。

6．4采用可塑料衬里

焚烧炉选用可塑捣打料作为炉衬，其优点如下：①耐火度高，残余收缩率小，具有较好的耐熔渣侵蚀性能，最适合耐热震性要求高的焚烧炉；②没有砖缝，不会因砖缝开裂造成烟气窜出；③施工时含水量很少，无需烘炉即有较高强度，施工完成两天即可进行长距离运输；④采用非金属锚固件，可以承受较高炉膛温度。即使炉衬偶有局部脱落，也不会因此造成炉衬的连续破坏；⑤可塑料采用捣打成形，可灵活实现各种特殊结构外形要求；⑥对化学气氛耐受性好，可以与腐蚀性、还原性气氛直接接触。炉子耐火面炉衬最终采用R160，最高使用温度1600℃。考虑到焚烧炉的操作温度变化幅度大，炉衬采用较高的温度富余量是必要的。选用的炉衬是可塑料中等级较低的一种，既物美价廉又稳妥可靠。

7结束语

自2012年4月正式投用以来，本炉一直运行正常。炉顶烟气出口设置有在线监测仪表，监测到的CO体积分数一直不高于25μL／L，满足了环保法规的要求。投用以来经历两次装置的正常停工检修，本焚烧炉所有部件全部正常，未做任何整改或修补。

作者：张小康 蔡昊 吴银登 孙彦雯 李育乐 单位：上海万方博通石油化工工程公司 洛阳冠亚石化设备有限公司