前  言 裂解爐是乙烯裝置的排放大戶，通常裂解爐能耗占乙烯裝置

前 言
裂解爐是乙烯裝置的排放大戶，通常裂解爐能耗占乙烯裝置能耗的 50% ～ 60%。燃料燃燒供給熱量的同時生成大量煙氣，而煙氣中的污染物主要是 NOx。作為裂解爐排放至大氣中的主要污染物之一，NOx 的產生機理及危害已被人們所了解。因此消除、減少 NOx 的排放具有重要意義。NOx包括N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5，大氣中 NOx 主要以 NO、NO2 的形式存在。NO 是大氣中NO2的前體物質，成光化學煙霧的活躍組分。NO2具有強烈刺激性，來源于NO的氧化，會形成酸沉降并危害人體健康。另外，NO2對植物生長也有很大影響。燃燒產生的 NOx 在自然界中占 90% ，其中95% 以 NO 形式存在，其余主要為 NO2。在通常的燃燒溫度下，幾乎全部生成 NO，NO 在大氣中遇到氧很快被氧化成 NO2。鑒于 NOx 對環境的危害，國家對裂解爐的排放提出了更高要求(NOx≤100mg /m3)，為滿足裂解爐煙氣排放環保要求，乙烯裝置對裂解爐燃燒器進行改造，以控制燃燒過程中氮氧化物的生成降低 NOx排放量。此次介紹了裂解爐的基本種類和構造，重點介紹了乙烯裂解爐的低NOx技術，以及國內外裂解爐用低NOx的技術進展。低NOx燃燒器是裂解爐中燃燒器未來的發展趨勢。實現環境保護和工業生產共同發展。

裂解爐低NOx

第1章 裂解爐基本概念

乙烯裂解爐用于加工裂解氣，種類有雙輻射室、單輻射室及毫秒爐。乙烯裂解爐是乙烯生產裝置的核心設備，主要作用是把天然氣、煉廠氣、原油及石腦油等各類原材料加工成裂解氣，并提供給其它乙烯裝置，最終加工成乙烯、丙烯及各種副產品。乙烯裂解爐的生產能力及技術的高低，直接決定了整套乙烯裝置的生產規模、產量和產品品質，因此乙烯裂解爐在乙烯生產裝置乃至整套石油化工生產中都起到龍頭作用。

第2章 裂解爐的種類

乙烯裂解爐[17-19]的種類從技術上可分為雙輻射室、單輻射室及毫秒爐。從爐型上可分為CBL裂解爐、SRT型裂解爐、USC型裂解爐、KTI GK裂解爐、毫秒裂解爐、Pyrocrack型裂解爐。乙烯裂解爐的設計及建造需要豐富的技術經驗及專業知識，世界范圍內同時具有乙烯裂解爐開發、設計和建造能力的企業有，法國赫銻（HEURTEY）、SW、林德、KBR、Lummus、KTI、中石油以及惠生工程。而根據CMAI的資料全球開發了商用乙烯裂解爐的專利技術的公司則只有6家，國內只有惠生工程一家。

2.1 CBL裂解爐

CBL爐是我國在20世紀90年代，北京化工研究院、中國石化工程建設公司、蘭州化工機械研究院等多家單位，相繼開發的高選擇性裂解爐。在遼化、齊魯石化、吉化、撫順石化、燕化、天津乙烯和中原乙烯建成投產了9臺CBL－Ⅰ、CBL－Ⅱ、CBL－Ⅲ和CBL－Ⅳ型爐，主要技術經濟指標與同期國際 水平相當。 主要技術特點為:2一1型爐管構型,采用獨特的稀釋蒸汽二次注入法;二級急冷。該爐具有裂解選擇性高、調節靈活、運轉周期長等特點。

2.2 SRT型裂解爐

SRT型裂解爐即短停留時間爐，是美國魯姆斯（Lummus）公司于1963年開發，1965年工業化，以后又不斷地改進了爐管的爐型及爐子的結構，先后推出了SRT－Ⅰ～Ⅵ型裂解爐，該爐型的不斷改進，是為了進一步縮短停留時間，改善裂解選擇性，提高乙烯的收率，對不同的裂解原料有較大的靈活性。SRT 型爐是世界上大型乙烯裝置中應用最多的爐型。

2.3 USC型裂解爐

超選擇性裂解爐簡稱USC爐。它是美國斯通－韋伯斯特（Stone & Webster）公司在70年代開發的一種爐型，USC裂解技術是根據停留時間、裂解溫度和烴分壓條件的選擇，使生成的產品中乙烷等副產品較少，乙烯收率較高而命名的。短的停留時間和低的烴分壓使裂解反應具有良好的選擇性。改型裂解爐應用比較廣泛，如中國大慶石油化工總廠以及世界上很多石油化工廠都采用它來生產乙烯及其聯產品。同時世界上單臺產能最高的乙烯裂解爐也是USC型裂解爐，單臺年產量達到19.2萬噸是主流裂解爐的2倍。這臺裂由惠生工程擔任EPC總承包，屬于揚子-巴斯夫2010年的乙烯裂解爐項目。

2.4 KTI GK裂解爐

Technip 公司的裂解爐采用早期荷蘭動力技術國際（KTI）公司開發的裂解爐型。原KTI公司從1973年開發出GK-Ⅰ、GK-Ⅱ型裂解爐后，又相繼開發了GK-Ⅲ、GK-Ⅳ、GK-Ⅴ、GK-Ⅵ型裂解爐。單臺裂解爐的能力也相應提高，到21世紀產能達到100kt/a以上的規模。對不同的裂解原料采用不同的爐管構形，對原料的靈活性較大。新型輻射段爐管的停留時間短，熱效率高。

2.5 毫秒裂解爐

即超短停留時間裂解爐簡稱USRT爐，是美國凱洛（Kellogg）公司在60年代開始研究開發的一種爐型。1978年開發成功，在高裂解溫度下，使物料在爐管內的停留時間縮短到0.05～0.1秒（50～100毫秒），因此被稱為毫秒裂解爐。毫秒爐由于管徑較小，所需爐管數量多，致使裂解爐結構復雜，投資相對較高。因裂解管是一程，沒有彎頭，阻力降小，烴分壓低，因此乙烯收率比其它爐型高。

2.6 Pyrocrack型裂解爐

林德公司從20世紀60年代開發了Pyrocrack裂解爐，該型裂解爐通常為雙輻射段、單對流段結構。為了適應不同的原料，Pyrocrack裂解爐采用了Pyrocrack4-2、Pyrocrack2-2和Pyrocrack1-1型3種不同的爐管結構。其中Pyrocrack1-1型選擇性高，停留時間也短，單組爐管處理能力最小但烯烴產量高。林德公司在90年代以后設計的裂解爐主要采用Pyrocrack1-1型爐管[11]。

第3章 裂解爐的構造

乙烯裂解爐分為對流段和輻射段。一般地說,對流段作用是回收煙氣余熱,用來預熱并汽化原料油,并將原料油和稀釋蒸汽過熱至物料的橫跨溫度,剩余的熱量用來過熱超高壓蒸汽和預熱鍋爐給水。在原料預熱汽化過程中,注入稀釋蒸汽,以降低原料油的汽化溫度,防止原料油在汽化過程中焦化。裂解爐對流段每一組盤管主要由換熱爐管(光管或翅片管)通過回彎頭組焊而成,端管板和中間管板支持起爐管,有些盤管的進出口通過集箱匯集到一起。每一組盤管的四周再組對上爐墻,則構成一個模塊。

乙烯裂解爐要根據工藝特點定制的,我們國內的乙烯裝置工藝包多是買國外的先進工藝技術專利，裂解爐根據工藝設計由設計方指定的幾個廠家進行投標產生。

裂解爐是乙烯裝置的能耗大戶，其能耗占裝置總能耗的50%-60%。降低裂解爐的能耗是降低乙烯生產成本的重要途徑之一。隨著能源價格的不斷上漲，國內外相關部門均加強了裂解爐節能措施的研究。裂解爐的能耗在很大程度上取決于裂解爐系統本身的設計和操作水平，近年來，裂解爐技術向高溫、短停留時間、大型化和長運轉周期方向發展。通過改善裂解選擇性、提高裂解爐熱效率、改善高溫裂解氣熱量回收、延長運轉周期和實施新型節能技術等措施，可使裂解爐能耗顯著下降。

第4章 裂解爐的節能措施

4.1改善裂解選擇性

對相同的裂解原料而言，在相同工藝設計的裝置中，乙烯收率提高1%，則乙烯生產能耗大約相應降低1%。因此，改善裂解選擇性，提高乙烯收率是決定乙烯裝置能耗的最基本因素。通過裂解選擇性的改善，不僅達到節能的效果，而且相應減少裂解原料消耗，在降低生產成本方面起到十分明顯的作用[5]。

（1）采用新型裂解爐。新型裂解爐均采用高溫-短停留時間與低烴分壓的設計。20世紀70年代，大多數裂解爐的停留時間在0.4s左右，相應石腦油裂解溫度控制在800-810℃，輕柴油裂解溫度控制在780-790℃。近年來，新型裂解爐的停留時間縮短到0.2s左右，并且出現低于0.1s的毫秒裂解技術，相應石腦油裂解溫度提高到840℃以上，毫秒爐達890℃；輕柴油裂解溫度提高到820℃以上，毫秒爐達870℃。由于停留時間大幅度縮短，毫秒爐裂解產品的乙烯收率大幅度提高。對丁烷和餾分油而言，與0.3-0.4s停留時間的裂解過程相比，毫秒爐裂解過程可使乙烯收率提高10%-15%。

（2）選擇優質的裂解原料。在相同工藝技術水平的前提下，乙烯收率主要取決于裂解原料的性質，不同裂解原料，其綜合能耗相差較大。裂解原料的選擇在很大程度上決定乙烯生產的能耗水平。通過適當調整裂解原料配置結構，優化煉油加工方案，增加優質乙烯原料如正構烷烴含量高的石腦油等供應，改善原料結構和整體品質，在提高乙烯收率的同時，達到節能降耗的目標。

（3）優化工藝操作條件。通過優化裂解爐工藝操作條件，不僅能使原料消耗大幅度降低，也能夠使乙烯生產能耗明顯下降。不同的裂解原料對應于不同的爐型具有不同的最佳工藝操作條件。對于一定性質的裂解原料與特定的爐型來說，在滿足目標運轉周期和產品收率的前提下，都有其最適宜的裂解溫度、進料量與汽烴比。如果裂解原料性質與原設計差別不大，裂解爐最優化的工藝操作條件可以參照設計值。反之，則需要利用SPYRO軟件或裂解試驗裝置對原料重新評價，以確定最佳的工藝操作條件[15]。

4.2 延長裂解爐運行周期

（1）優化原料結構與工藝條件。

裂解原料組成與性質是影響裂解爐運行周期的重要因素。一般含氫量高、低芳烴含量的原料具有良好的裂解性能，是裂解爐長周期運行的必要條件。對不飽和烴含量較高的原料進行加氫處理，是提高油品質量的有效途徑。當裂解原料一定時，工藝條件是影響裂解爐運行周期的主要因素。低烴分壓、短停留時間和低裂解溫度有利于延長裂解爐運行周期。但考慮到烯烴收率與蒸汽消耗，需要對裂解深度與汽烴比控制加以優化。

（2）采用在線燒焦。裂解爐在線燒焦是在爐管蒸汽-空氣燒焦結束后，繼續對廢熱鍋爐實施燒焦。與傳統的燒焦方式相比，在線燒焦具有明顯的優勢。一是裂解爐沒有升降溫過程，可以延長爐管的使用壽命，并可節省裂解爐升降溫過程中燃料與稀釋蒸汽的消耗；二是由于在線燒焦，裂解爐離線時間短，可以提高開工率，并可增加乙烯與超高壓蒸汽的產量。BASF在線燒焦程序已在國內外乙烯裂解爐上成功應用了多年，事實證明，采用在線燒焦可大大減少廢熱鍋爐的機械清焦次數，有效地降低乙烯裝置的能耗。

第5章 裂解爐低氮技術介紹

裂解爐是一種反應爐，運行周期一般為 60 天左右，較長的則可達到 80 天，到運行周期后由于裂解爐爐管、廢熱鍋爐爐管內結焦，造成爐管過熱，需要裂解爐退料燒焦，一般一年燒焦的次數達到 6 ～ 8 次。不同類型 NOx 主要產生的機理如表 1 所示。目前2#烯烴裂解爐使用的燃料氣分為新、老兩個區域，主要組分如表 2 所示。從燃料氣組分中可以看出: 裂解爐使用的燃料氣不具備大量的有機氮化物，所以出現燃料型NOx 的概率很低[7]。

快速型 NOx 產生在火焰面內，是富碳氫類燃料在過剩空氣因子小于 1 時燃燒特有的現象。裂解爐的過剩空氣因子在設計期間就大于 1，偶爾缺氧燃燒期間出現過剩空氣因子低于 1 的情況。經過研究對比，乙烯裂解爐上的主要 NOx 產生的源頭是熱力型的 NOx 與快速型 NOx，其中最主要的是熱力型 NOx。從現有降低 NOx 的措施來看，主要有以下幾類方法[21-23]。

5.1低NOx燃燒

目前國內外一流的燒嘴專利商在原有傳統燃燒器的基礎上增加了空氣分級、燃料分級以及煙氣再循環等優化手段，可以保證在行業標準要求的氧體積分數條件下，NOx 的排放質量濃度不大于 100 mg /m3［2］。目前主要技術商采用的低氮燃燒器技術如表 3 所示[8-10]。

5.2 選擇性催化還原技術( SCR) 煙氣脫硝法

根據催化劑類型不同，SCR 的反應最佳溫度區一般 在 260 ～ 400 ℃，氨 逃逸率可以控制在3 mg /m3[16]。該法的優點是: 使用催化劑降低了反應溫度; 脫硝效率高，可達 80% 以上; 工藝設備緊湊，運行可靠; 還原后的氮氣放空，無二次污染[4]。

5.3 爐膛注入蒸汽法

高溫燃燒容易產生 NOx，因此通過注入稀釋劑( 如水或蒸汽) 降低火焰區的溫度，可以有效降低熱力型氮氧化物的產生。通過注入燃燒區的蒸汽的冷卻效果，可使熱力型 NOx 排放降低 5% ～20% ，但同時爐膛內燃燒熱的分配也將會改變，燃燒的效率大打折扣，減排的同時使得能量不能得到合理應用[12]。在裂解爐處于燒焦、熱備工況時，一方面該工況對供熱的均勻性要求較低; 另一方面，持續時間較短，可以采用蒸汽注入的方式解決燒焦、熱備工況時的 NOx 排放問題。

5.4低氮燃燒器主要改造內容

裂解爐低氮燃燒器主要改造內容包括底燒和側燒組合件，其中，底燒組合件包括氣體燃燒器、風箱、調風器、燒嘴磚組件，側燒組合件包括引射器、燒嘴、風箱和進氣管、燒嘴磚組件[1]。底部燃燒器采用了分割火焰型燃燒器，小火焰散熱面積大，火焰溫度低，使其熱反應生成的NOx 有所下降。此外，火焰小縮短了氧、氮等氣體在火焰中的停留時間，進一步抑制 NOx 產生。具體方案如下:

1) 底部燃燒器采用多個燒嘴分割火焰，并通過異型燒嘴磚進一步分割單個燒嘴火焰，且采用燃料氣分級，火焰對沖，沿爐內底部形成平流扁平火焰[2][3]。

2) 側壁燃燒器為引射預混燃燒形式。采用燃氣分級與分別配風的燃燒形式，火焰為貼爐壁扁平圓盤形火焰，為燃氣引射預混燃燒形式，火焰剛勁穩定[6][7]。

5.5低氮燃燒器優化操作措施

1）處理裂解爐爐壁漏風

根據低氮燃燒器特性，均勻恒速的燃氣、空氣混合物通過燃燒器進入爐膛，可使燃料在爐膛內燃燒更均衡，避免出現溫度過熱點。另外，根據NOx 排放公式，大量空氣從爐壁進入爐膛，煙氣內氧氣含量高，會間接造成煙氣的 NOx 排放超標。通過對爐體底部、對流段打膠封堵，風門改為密封風門等措施，降低裂解爐漏風。

2）調整風機轉速

進入裂解爐爐膛內空氣，主要是采用爐體頂部的引風機控制。引風機的轉速越高，爐膛負壓值越高，外界進入爐體的風量就越大[13][14]。正常生產時，給定爐膛負壓，風機根據設定爐膛負壓調整轉速。風機轉速與爐膛負壓值成正比。引風機的額定電流和額定轉速如表 4 所示。

表 4風機額定電流及額定轉速

風機調整過程中應注意將電流控制在額定電流以內，以防電機超載，影響電機壽命。在給定爐膛負壓后，如果風機電機電流超載，可以采用適當關閉風門的方法來調整電機電流。

3）調整燃燒器風門

風機轉速與燃料氣風門的開度和爐膛負壓有直接關系。其中，底部風門占主導作用。當爐膛負壓一定時，底部風門開度越大，風機轉速越高，反之越低。如果煙氣中 CO 過高，NOx 排放合格，并且風機在高轉速狀況下，盡量不調節底部風門，但可通過調整側壁風門的開度，使 CO 含量下降;當風機轉速存在上調空間，一般可以提高爐膛負壓來調整 CO 含量。實際運行中，爐膛負壓小于60 Pa 時，CO 含量(標準狀態) 一般可以控制在0 ～ 60 mg /m3。如果煙氣中 CO 含量合格，NOx 排放過高，可適當關小底部風門的開度，降低 NOx 的產生。與此同時，CO 生成量會以較快速度上升，可通過提高爐膛負壓或者開大側壁風門把 CO 生成量調整下來。如果氧含量過高，首選調整側壁風門開度。也可根據裂解爐運行狀態，適當通過調整爐膛負壓來控制[28]。

經過摸索，爐膛氧含量不能過低，一般情況下要大于 1% ，氧含量過低，會造成 CO 生成量過高。側燒第一排風門按一次風門全開控制，第二排風門按 一次風門50%以上控制，底部風門按照30% ～ 50% 控制。裂解爐運行末期，側壁燃燒器噴頭出現堵塞時，噴頭噴出的燃料曲線有所變化，會出現輕度冒黑煙現象，可以適當調節第一排側壁燃燒器的二次風門，以減少CO的生成量。調整步驟均需緩慢進行，一步調整完成好，待裂解爐運行穩定，再進行下一步優化調整，以免裂解爐工藝參數波動大，對生產造成影響。

4）其他

燃料氣的組成發生變化，熱值隨之改變，NOx 生成量也隨之變化。當燃料氣混入液化氣時，單位燃料熱值增加，裂解爐 NOx 生成量增加明顯。燃料內混入液化氣后，低氮燃燒器優化調節空間變小。這也證實燃料燃燒熱量局部過高，會造成 NOx 生成量大幅增加。另外空氣中的灰塵吸入燃燒器的風道中，尤其是春季，風道堵塞情況嚴重，空氣進量變小，致使燃燒器燃燒不充分，進而會影響裂解爐煙氣測量結果。因此，需定期排查燃燒器燃燒情況，定期清理和維護，使NOx排放達標。

第6章 裂解爐用低NOx國內技術進展

燃燒器是乙烯裂解爐的一個重要組成部分，裂解爐所需的熱量是通過燃料在燃燒器中燃燒獲得的。同時，助燃空氣中的氮氣將和氧氣發生反應生成 NOx。隨著爐膛溫度的提高，NOx 的濃度會升高。燃燒器的選擇對爐膛溫度有影響，從而影響 NOx 的生成。不同的燃燒器在爐內產生不同的熱強度分布，而不同的熱強度分布產生不同的溫度分布。隨著助燃空氣溫度的提高，火焰溫度和 NOx 濃度也會升高。當燃料氣中的氫含量升高時，將導致火焰溫度的提高，從而產生更多的NOx。另外，隨著助燃空氣中水分的增加，NOx 的生成有降低的趨勢[11].

燃燒產生的 NOx 對人類及其生存的自然環境有很大的影響。隨著人們對 NOx 危害的日益重視，NOx 含量的高低成為衡量燃燒器燃燒性能的重要指標之一，世界各大乙烯公司都十分關注裂解爐 NOx 的排放量，相繼開發了各種類型的低NOx 燃燒器。

6.1裂解爐用低 NOx 燃燒器的發展方向

隨著裂解爐爐型多樣化、大型化和環保要求的提高，裂解爐用低 NOx 燃燒器也朝著形式多樣化、能力大型化、排放苛刻化、控制自動化和維護便利化的方向發展[9]。

6.1.1形式多樣化

為了降低 NOx 排放量，改進燃料和空氣的進入方式，以延遲混合、降低 O2 的有效性和火焰峰值溫度。按燃料燃燒方式的不同，低 NOx 燃燒器有擴散式、預混式和半預混式 3 種形式; 按 NOx控制方法的不同，有分級空氣、分級燃料和煙氣再循環 3 種形式[24]; 按火焰形狀的不同，有長火焰、短火焰、扁平火焰及柱狀火焰等。考慮到裂解爐不同的燃料來源和爐型特點，低 NOx 燃燒器結構形式要與裂解爐相匹配，燃燒火焰的方向、外形、剛性和鋪展性符合裂解爐工藝要求。

6.1.2能力大型化

現代裂解爐主要采用底部、側壁聯合供熱和全底燒供熱方案，底部、側壁聯合供熱通常也以底部供熱為主，達總熱量的 60% ～ 90% ，隨著裂解爐生產能力的不斷擴大，同時為了降低建設和維護費用，減少燃燒器數目，便于與空氣預熱器或燃氣輪機匹配，開發大能力燃燒器勢在必行，特別對底部燃燒器的設計提出了更高的要求，如火焰長度、火焰剛性及熱流密度分布等。大能力燃燒器還應有較高的調節比，在裂解爐烘爐、清焦或其他低負荷工況時不需要關閉燃燒器，就能安全、可靠地運行。

6.1.3排放苛刻化

燃燒器燃燒的污染包括燃燒產物( NOx、SO2、CO 和煙塵) 污染和噪聲污染，裂解爐燃料氣中幾乎不含 H2 S，完全燃燒時，SO2、CO 和煙塵的排放量通常很少，NOx 是環境污染的主要因素之一，通常認為 NOx 的排放與臭氧的減少等環境問題有關。各國政府對 NOx 的排放提出了更苛刻的要求，如美國加州南海岸 空氣質量管理區( SCAQMD) 標準要求，NOx 的排放需小于 0． 01‰( 體積分數) ，在沒有燃燒后處理控制的條件下，目前仍未有燃燒器能達到這個排放標準[25]。

6.1.4控制自動化

通常裂解爐內過剩氧含量為 2% ～ 3% ，而環境條件的變化可以導致爐內氧含量和火焰溫度的改變，進而影響裂解爐的熱效率和污染物的排放，低 NOx 燃燒器對環境條件的改變更為敏感。嚴格控制低 NOx 燃燒器的操作條件對裂解爐的運行很重要，大多數裂解爐燃燒器的風門是手動控制的，當環境條件變化時需人工調整每個燃燒器的風門。采用自動風門控制系統使燃燒器的風門可在控制室內完成，不需要室外操作工，且可避免人為因素改變燃燒器進風量，進而避免燃燒火焰不均勻、火焰翻卷以及沖擊爐管等更多的操作問題。

6.1.5維護便利化

燃燒器主要的維護問題是燃料噴孔堵塞，它能導致燃燒器能力下降及燃燒火焰不均勻、不穩定等一系列問題。燃料管線中帶有氧化皮、鹽粒及污垢等雜質顆粒，或燃料中含重烴、不飽和化合物等液體，液態烴碰到噴頭熱表面裂解而留下焦炭，都能引起噴孔堵塞。低 NOx 燃燒器由于使用多點燃燒、分割火焰等策略，噴孔直徑越小，維護問題越嚴峻。采用顆粒過濾器和凝聚過濾系統可有效地減少噴孔堵塞問題，但要充分考慮其自身帶來的壓降問題。另外，便于在線拆卸的燃料噴頭結構，也使低 NOx 燃燒器的維護更為便利。

6.2低 NOx 燃燒器研發手段

以往燃燒器的設計主要是在理論研究的基礎上進行半經驗設計，依據燃燒器能力、燃料組成、壓力和溫度通過公式計算得到噴孔直徑[20]，根據所需的火焰形狀布置噴孔及空氣流道，得到初步的燃燒器結構尺寸，通過冷熱態試驗來驗證初步設計的合理性并加以修正，經過多次、反復的修正和試驗才運用在實際裝置中，通過其在裂解爐中的實際運行情況和熱性能測試，最終改進后才開發出新的滿足工藝和環保要求的燃燒器[26]。當然，這個過程需要較長的周期。

目前，計算流體動力學( CFD) 的興起和高性能計算機的應用可以輔助進行燃燒器的結構設計與改進，預測燃燒器的燃燒狀況，結合燃燒器的理論研究和冷熱態試驗，使燃燒器的開發周期大大縮短，新型、大能力的低 NOx 燃燒器層出不窮。CFD 與乙烯裂解爐工藝軟件包相結合使燃燒器的布置及爐內溫度場分布更加合理。

6.2.1冷態試驗

冷態試驗是燃燒器開發的必要步驟。它主要包括燃燒器的配風試驗和噴頭的噴射角度試驗。燃燒器配風的好壞直接關系到燃燒的穩定性、火焰形狀、火焰長度和爐子的熱效率，因此有必要進行燃燒器燒嘴磚和調風器的配風試驗，確定燒嘴磚和調風器的最佳形狀尺寸。燃燒器配風試驗通過大能力風洞試驗裝置，使助燃空氣進入調風器和燒嘴磚風道。采用皮托管和微壓計進行燒嘴磚風道入口和出口截面速度的測試，以驗證空氣流場是否與所要求的火焰形狀相匹配。燃燒器的冷態試驗還可以獲得噴頭的噴射角度及壓力流量曲線等數據，為確定燃燒器合理的結構尺寸提供依據。

6.2.2熱態試驗

熱態試驗可以驗證燃燒器的性能，了解燃燒器的燃燒質量、風門調節性能和調節比，測量各種污染物排放( CO、NOx 和噪聲) 數據，得到驗證CFD 模擬所需的參數，并獲取燃燒器工藝性能曲線。早期的熱態試驗裝置是小型的圓筒爐或方箱爐，僅能測試單臺燃燒器的部分性能( 如污染物排放和火焰質量) 。

6.2.3CFD 模擬

采用 CFD 模擬能夠了解燃燒器內部實際流動和燃燒過程的規律，可以輔助進行燃燒器的結構設計與改進，預測燃燒器的燃燒狀況( 如火焰形狀、溫度分布及熱通量分布等) ，提早發現可能存在的問題，如空氣分配不合理、火焰舔爐管、火焰翻卷交叉以及局部熱通量過高等。通過改變計算模型幾何尺寸( 如噴頭噴孔角度，直徑，數量及空氣流道等) 進行多方案比較，從而得到燃燒器最佳結構形式。CFD 模擬過程分為前處理、迭代計算和后處理 3 個階段。利用 CFD 后處理的功能，通過建立等值面、云圖及流線等方法觀察爐膛內的火焰形狀、煙氣流動情況以及溫度分布情況等[27]。

第7章 結語

低氮燃燒系統調整應本著安全、經濟、環保的原則，采用主燃區低氧、燃盡區富氧的燃燒方式在裂解爐低氮燃燒系統調整上完全可行，已經過裝置多臺裂解爐的有效驗證。

NOx 的排放效果與裂解爐的設計因素緊密相關，低氮燃燒器采用的綜合技術、裂解爐爐膛容積、底部側壁燃燒器供熱的分配比例、燃燒設備布置方式等對 NOx 的排放起決定性作用。

1)對裂解爐爐體漏風處進行封堵，通過調整風機轉速，底部、側壁風門開度等手段，控制煙氣內氧氣含量，降低裂解爐煙氣內 NOx 生成量。摸索出煙氣內氧氣含量對 NOx 和 CO 生成的影響，確認最優的煙氣氧含量區間為 0.96%～1.29%。

2)實際生產中，影響 NOx 生成的因素很多，定期維護及優化調整低氮燃燒器，以使裂解爐 NOx排放達標。

3)降低煙氣氧過剩系數，使 NOx 生成降低，但過低過剩空氣系數會造成 CO 生成量增加，CO 在對流段有繼續燃燒風險，應密切關注煙氣內 CO 生成量。

4)經過優化調整，煙氣 NOx 排放達標，但煙氣過剩空氣系數可波動幅度小，CO 生成量超過設計指標，裂解爐操作彈性小。

參 考 文 獻

[1]王海靖,李昌力,趙永華,邵晨.裂解爐脫硝技術及低NO_x燃燒器改造效果分析[J].乙烯工業,2019,31(03):43-47+6.

[2]位衛衛.裂解爐低氮燃燒器改造綜述[J].乙烯工業,2019,31(02):41-44+6.

[3]史寶明.低NO_x燃燒器在中沙石化裂解爐上的應用[J].乙烯工業,2019,31(02):52-54+58+6.

[4]王哲.降低乙烯裂解爐NO_x排放的工藝研究[J].石油石化綠色低碳,2019,4(02):53-57.

[5]魏月娥,王猛.裂解爐低氮燃燒器優化運行探討[J].乙烯工業,2018,30(04):53-56+6.

[6]魏月娥.乙烯裂解爐脫硝改造方案分析[J].石油石化綠色低碳,2017,2(04):32-36.

[7]杜學軍.裂解爐低氮燃燒方案研究[J].石油化工技術與經濟,2017,33(02):34-37.

[8]閻建亭.自主裂解爐低NO_x燃燒器應用成功[J].化工管理,2014(19):65.

[9]張建,李金科.裂解爐用低NO_x燃燒器國內技術進展[J].化工機械,2012,39(06):681-685.

[10]閻建亭. 自主裂解爐低NOx燃燒器應用成功[N]. 中國化工報,2014-06-02(002).

[11]API RP 535-2006，Burners for Fired Heaters in Gen-eral Refinery Services ( 2th Edition) ［S］． WashingtonDC: API Publishing Service，2006．

[12]Toward accommodating realistic fuel chemistry in large-scale computations[J]. Tianfeng Lu,Chung K. Law. Progress in Energy and Combustion Science . 2008 (2)

[13] Stijn Vangaever,Pieter A. Reyniers,Steffen H. Symoens,Nenad D. Ristic,Marko R. Djokic,Guy B. Marin,Kevin M. Van Geem. Pyrometer-based control of a steam cracking furnace[J]. Chemical Engineering Research and Design,2020,153.

[14] M. Mobaraki,B. Afshang,M.R. Rahimpour,M.E. Bahrololoom,A. Bolhasani,R. Davand. Effect of cracking feedstock on carburization mechanism of cracking furnace tubes[J]. Engineering Failure Analysis,2020,107.

[15]Benfeng Yuan,Yu Zhang,Wenli Du,Meihong Wang,Feng Qian. Assessment of energy saving potential of an industrial ethylene cracking furnace using advanced exergy analysis[J]. Applied Energy,2019,254.

[16]胡貴華,葉貞成,杜文莉.助燃空氣對乙烯裂解爐NO_(x)排放的影響[J/OL].化工學報:1-18[2020-01-06].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1946.TQ.20191128.1606.014.html.

[17]王子宗,何細藕.乙烯裝置裂解技術進展及其國產化歷程[J].化工進展,2014,33(01):1-9.

[18]鄭顯偉.我國乙烯裂解爐輻射爐管的使用狀況[J].壓力容器,2013,30(05):45-52.

[19]何細藕.乙烯裂解爐技術進展[J].現代化工,2001(09):13-17.

[20]張建,李金科,徐紅兵,王愛軍.低NO_X燃燒器研究開發[J].乙烯工業,2006(01):22-25+9.

[21]王海靖,李昌力,趙永華,邵晨.裂解爐脫硝技術及低NO_x燃燒器改造效果分析[J].乙烯工業,2019,31(03):43-47+6.

[22]袁波,馬金剛,陳德明.裂解爐低氮氧化物燃燒器改造及運行調整[J].乙烯工業,2018,30(02):35-38+6.

[23]陳雄,朱芳瑞,黃夏林.國產低NO_x燃燒器在乙烯原料適應性改造裂解爐上的應用[J].石油化工設備技術,2015,36(01):34-36+40+4-5.

[24]夏信虎.乙烯裂解爐煙氣脫硝技術現狀及發展趨勢[J].遼寧化工,2019,48(8):817-819.

[25]馬紹委,胡丹,劉源波.低NOx燃燒器在四川石化乙烯裂解爐的應用[C].//全國乙烯工業協會.全國乙烯工業協會裂解單元的運行與優化專題研討會論文集.2015:237-239.

[26]HONEYWELL INTERNATIONAL INC..LOW NOX BURNER FOR ETHYLENE CRACKINGFURNACESANDOTHERHEATINGAPPLICATIONS:WO2014US61859[P].2015-05-14.

[27]Gasser Hassan,Mohamed Pourkashanian,Derek Ingham,Lin Ma,Paul Newman,Anand Odedra. Predictions of CO and NO x emissions from steam cracking furnaces using GRI2.11 detailed reaction mechanism – A CFD investigation[J]. Computers and Chemical Engineering,2013,58.

[28]Hu Guihua,Wang Honggang,Qian Feng. Numerical simulation on flow, combustion and heat transfer of ethylene cracking furnaces[J]. Chemical Engineering Science,2010,66(8).