Влияние настройки горелки на выбросы и эффективность пожарных нагревателей

Наука горения в пожарных нагревателях

Выгоревшие обогреватели обеспечивают тепловую энергию, которая приводит в движение химические реакции, подпитывают предварительный нагрев и нагревают технологическую жидкость на нефтеперерабатывающих заводах, нефтехимических заводах и объектах выработки электроэнергии. Горячая машина является сердцем этой системы, преобразуя химическую энергию топлива в полезное тепло. Настройка этой горелки определяет, происходит ли это преобразование эффективно, чисто и безопасно.

Сжигание — это в основном быстрая реакция окисления. Для полного сгорания каждая молекула углеводорода в топливе должна найти достаточно кислорода для полного окисления до углекислого газа (CO2) и водяного пара (H2O). Теоретически количество воздуха, необходимое для достижения этого, называется стоихиометрическим воздухом. На практике обогреватели работают с избытком воздуха, чтобы гарантировать, что все молекулы топлива контактируют с молекулами кислорода. Разница между фактическим подаваемым воздухом и стехиометрическим воздухом называется избыточным воздухом, и это единственный наиболее важный параметр настройки, влияющий как на выбросы, так и на эффективность.

Соотношение эквивалентности ( ⁇ ) выражает это соотношение математически: фактическое соотношение топливо-воздух, деленное на стехиометрическое соотношение топливо-воздух. Когда ⁇ = 1,0, смесь стехиометрическая. Когда ⁇ < 1.0, the mixture is lean (excess air). When Φ > 1,0, смесь богата (недостаточный воздух). Настройка горелки ищет рабочую точку, слегка склоненную от стехиометрического - обычно от 2% до 5% избытка O2 в дымовых газах для нагревателей на природном газе, и несколько выше для жидких топлив - чтобы сбалансировать полноту сгорания против теплового штрафа за нагрев избыточного воздуха.

Основные выбросы от пожарных нагревателей и их формирование

Неполное или плохо оптимизированное горение производит набор загрязняющих веществ. Оксиды азота (NOx) образуются в основном через три механизма: термический NOx, быстрый NOx и связанный с топливом NOx. Тепловой NOx является доминирующим механизмом в обогревателях, образующихся, когда температура пламени превышает 1,600°C (2,900°F). Чем выше температура пламени, тем больше атмосферного азота и кислорода объединяются для образования оксидов азота. Тюнинг горелки, который снижает пиковую температуру пламени — например, поэтапное горение или рециркуляции дымового газа — непосредственно снижает образование теплового NOx.

Оксид углерода (CO) образуется, когда горение является неполным, либо из-за недостаточного кислорода, плохого смешивания топлива с воздухом, либо закалки пламени на холодных поверхностях. CO является прямым показателем неэффективности сгорания. Тюнинг, который улучшает смешивание и обеспечивает адекватное содержание кислорода, снижает CO. Во многих юрисдикциях концентрация CO в дымовых газах используется в качестве метрики настройки в режиме реального времени, потому что он быстро реагирует на изменения в избыточном воздухе.

Несгоревшие углеводороды (UHC) и летучие органические соединения (ЛОС) представляют собой топливо, которое прошло через горелку без реакции. Они непосредственно способствуют отходам топлива и вреду окружающей среде. Правильная настройка горелки в сочетании с правильной атомизацией для жидких топлив устраняет подавляющее большинство выбросов UHC.

Твердые вещества (PM) — включая сажу — образуются в богатых топливом зонах, где углеводороды пиролизуются, а не окисляются. В нагревателях, работающих на жидком топливе, плохая атомизация создает более крупные капли, которые сгорают диффузно, производя сажу и ценосферы. Тюнинг, обеспечивающий тонкую атомизацию и достаточное количество воздуха в первичной зоне сгорания, минимизирует образование ТЧ.

Ключевые параметры Burner Tuning

Соотношение топлива и избыточный кислород

Основной контрольной точкой для любого упражнения по настройке горелки является соотношение воздух-топливо, обычно отслеживаемое как процент O2 в дымовом газе. Каждый тип топлива имеет оптимальное рабочее окно O2. Для природного газа цель обычно составляет от 2% до 4% O2 на выходе нагревателя. Для топливного газа нефтеперерабатывающего завода, который может содержать водород, цель может смещаться до 2% до 5% O2 в зависимости от содержания водорода в топливе. Для тяжелого мазута диапазон обычно составляет от 3% до 6% O2 для учета качества атомизации и изменчивости топлива.

Работа на нижнем конце диапазона O2 снижает потери стека и повышает тепловую эффективность. Работа на более высоком конце обеспечивает запас прочности от колебаний состава топлива, но снижает эффективность. Инженер-тюнер должен найти баланс между эффективной работой и стабильным сжиганием с низким уровнем выбросов.

Температура и стабильность пламени

Температура пламени является функцией состава топлива, предварительного нагрева, избыточного уровня воздуха и потерь тепла из зоны пламени. Более высокие температуры предварительного нагрева — общие в технологических нагревателях с воздушными нагревателями сгорания — повышают температуру пламени и тепловую эффективность, но также увеличивают образование теплового NOx. Тюнинг горелки может включать рециркуляции излучаемого газа (FGR) или впрыскивания пара / воды до умеренной температуры пламени в системах с высоким уровнем тепла.

Стабильность пламени относится к способности пламени оставаться на якоре на кончике горелки без подъема или мигания назад. Поднятое пламя приводит к плохой передаче тепла и высоким выбросам CO. Пламя с мигающим спинным пламенем представляет собой опасность для безопасности. Настройка, которая регулирует давление топлива горелки, положение воздушного регистра и геометрию держателя пламени, обеспечивает стабильное прикрепление пламени по всему диапазону стрельбы.

Драфтовое и фуражное давление

Подгоревшие обогреватели работают при небольшом отрицательном давлении (тяге), чтобы содержать дымовые газы, позволяя свежему воздуху в пожарную коробку. Сквозняк на лучевой секции обычно поддерживается на уровне -0,05 - -0,15 дюйма водяной колонки. Неадекватный сквозняк лишает горелку воздуха сгорания, что приводит к неполному сгоранию. Чрезмерный сквозняк тянет в воздух бродяги через проверочные двери или трубки проникновения, охлаждения печи и снижения эффективности. Тюнинг, который координирует положения демпфера с настройками регистра горящего воздуха оптимизирует сквозняк.

Переменная состав топлива

На многих НПЗ и химических заводах состав топлива существенно варьируется в зависимости от технологических операций. Топливный газ НПЗ может содержать водород, метан, этан, пропан, бутан и инертные газы, такие как азот и углекислый газ. Содержание водорода напрямую влияет на скорость пламени, температуру пламени и образование NOx. Фиксированная позиция воздушного регистра, откалиброванная для одной топливной композиции, может вызвать плохое горение при изменении топлива. Современная настройка включает в себя онлайн-мониторинг индекса Воббе и, в современных установках, автоматическую обрезку соотношения воздух-топливо на основе анализа топливного газа.

Влияние настройки на тепловую эффективность

Тепловая эффективность для обогревателя определяется как доля энергии топлива, которая передается в технологическую жидкость. Единственным крупнейшим механизмом потерь является , потери стека — разумное тепло, осуществляемое дымоходом горячими дымовыми газами. Для каждого снижения температуры дымового газа на 22 ° C (40°F) тепловая эффективность повышается примерно на 1%. Достижение более низких температур стека требует минимизации как избыточных потерь воздуха, так и потерь тепла через стенки печи.

Избыточный воздух является самой большой контролируемой переменной, влияющей на потери стека. Сокращение избыточного O2 с 6% до 3% в нагревателе, работающем на природном газе, с температурой стека 370 ° C (700° F) повышает тепловую эффективность примерно на 1,5 процентных пункта. Для нагревателя мощностью 50 MMBtu/ч, работающего 8000 часов в год, что представляет собой экономию топлива примерно от 50 000 до 100 000 долларов США в год по типичным ценам на природный газ.

Плохая настройка горелки также вызывает операционную неэффективность помимо потерь стека. Пламенное воздействие на трубках создает горячие точки, которые снижают эффективность теплопередачи и ускоряют деградацию металла трубки. Холодная коррозия возникает, когда температура дымового газа падает ниже точки кислотной росы — обычно от 120°C до 140°C (250°F до 285°F) для типичных серосодержащих топлив. Тюнинг, который поддерживает температуру дымового газа выше точки кислотной росы, предотвращает эту коррозию, продлевая экономайзер и срок службы предварительного нагрева воздуха.

Радиационная теплопередача основана на излучательной способности пламени излучать энергию в трубки. Хорошо настроенная горелка производит пламя с высокой плотностью частиц углерода в первичной зоне, максимизируя излучательную способность. Слишком стройное пламя становится прозрачным и менее эффективным радиатором, уменьшая теплопередачу, даже если общий тепловой выброс неизменен. Слишком богатое пламя производит сажу, которая откладывается на трубках, изолируя их и деградируя теплопередачу с течением времени.

Методологии настройки и лучшие практики

Предварительный сбор данных

Перед началом любой регулировки горелки инженер-тюнер должен собрать исходные данные: скорость обжига нагревателя, температура входа и выхода процесса, температура трубчатого металла, дымовой газ O2, CO, NOx, температура стека, профиль стека и состав топлива. Переносные анализаторы дымовых газов с электрохимическими ячейками или парамагнитными датчиками обеспечивают точные показания O2 и CO. Для измерения NOx стандартны анализаторы хемилюминесценции.

Авиарегистр и корректировка по Дамперу

Процедура настройки начинается при низком огне, регулировка регистра горящего воздуха для установления стабильного пламени с СО ниже 20 ppm и O2 в целевом диапазоне. Инженер систематически проверяет каждую горелку в многогорючем нагревателе, балансируя распределение воздуха во избежание изолированных богатых топливом или топливных зон. Отбор проб поперечного сечения газа на лучевом выпуске выявляет пространственные вариации, которые указывают на дисбаланс горелки к горелке.

Для горелок с отдельными первичными и вторичными воздухозаборниками разделение между первичным и вторичным воздухом имеет решающее значение для формы пламени и контроля NOx. Первичный воздух контролирует стабильность пламени в корне. Вторичный воздух завершает горение и снижает температуру пламени. Настройка, которая уменьшает первичный воздух и увеличивает вторичный воздух - на этапах, где позволяет конструкция горелки - снижает пиковую температуру пламени и образование NOx.

Системы приборостроения и управления

Современные обогреватели с обжигами получают выгоду от систем непрерывного мониторинга выбросов (CEMS), которые обеспечивают данные O2, CO и NOx в режиме реального времени. Эти системы могут подавать непосредственно в цифровые контуры управления, которые автоматически обрезают воздушные регистры или топливные клапаны. Общая стратегия заключается в контроле обрезки кислорода : контур управления поддерживает заданный уровень O2 путем регулирования расхода воздуха при сжигании, в то время как скорость обжига нагревателя изменяется с технологическим спросом.