裂解炉低NOx文献综述

                                                              前  言 裂解炉是乙烯装置的排放大户，通常裂解炉能耗占乙烯装置

前 言
裂解炉是乙烯装置的排放大户，通常裂解炉能耗占乙烯装置能耗的 50% ～ 60%。燃料燃烧供给热量的同时生成大量烟气，而烟气中的污染物主要是 NOx。作为裂解炉排放至大气中的主要污染物之一，NOx 的产生机理及危害已被人们所了解。因此消除、减少 NOx 的排放具有重要意义。NOx包括N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5，大气中 NOx 主要以 NO、NO2 的形式存在。NO 是大气中NO2的前体物质，成光化学烟雾的活跃组分。NO2具有强烈刺激性，来源于NO的氧化，会形成酸沉降并危害人体健康。另外，NO2对植物生长也有很大影响。燃烧产生的 NOx 在自然界中占 90% ，其中95% 以 NO 形式存在，其余主要为 NO2。在通常的燃烧温度下，几乎全部生成 NO，NO 在大气中遇到氧很快被氧化成 NO2。鉴于 NOx 对环境的危害，国家对裂解炉的排放提出了更高要求(NOx≤100mg /m3)，为满足裂解炉烟气排放环保要求，乙烯装置对裂解炉燃烧器进行改造，以控制燃烧过程中氮氧化物的生成降低 NOx排放量。此次介绍了裂解炉的基本种类和构造，重点介绍了乙烯裂解炉的低NOx技术，以及国内外裂解炉用低NOx的技术进展。低NOx燃烧器是裂解炉中燃烧器未来的发展趋势。实现环境保护和工业生产共同发展。

裂解炉低NOx

第1章 裂解炉基本概念

乙烯裂解炉用于加工裂解气，种类有双辐射室、单辐射室及毫秒炉。乙烯裂解炉是乙烯生产装置的核心设备，主要作用是把天然气、炼厂气、原油及石脑油等各类原材料加工成裂解气，并提供给其它乙烯装置，最终加工成乙烯、丙烯及各种副产品。乙烯裂解炉的生产能力及技术的高低，直接决定了整套乙烯装置的生产规模、产量和产品品质，因此乙烯裂解炉在乙烯生产装置乃至整套石油化工生产中都起到龙头作用。

第2章 裂解炉的种类

乙烯裂解炉[17-19]的种类从技术上可分为双辐射室、单辐射室及毫秒炉。从炉型上可分为CBL裂解炉、SRT型裂解炉、USC型裂解炉、KTI GK裂解炉、毫秒裂解炉、Pyrocrack型裂解炉。乙烯裂解炉的设计及建造需要丰富的技术经验及专业知识，世界范围内同时具有乙烯裂解炉开发、设计和建造能力的企业有，法国赫锑（HEURTEY）、SW、林德、KBR、Lummus、KTI、中石油以及惠生工程。而根据CMAI的资料全球开发了商用乙烯裂解炉的专利技术的公司则只有6家，国内只有惠生工程一家。

2.1 CBL裂解炉

CBL炉是我国在20世纪90年代，北京化工研究院、中国石化工程建设公司、兰州化工机械研究院等多家单位，相继开发的高选择性裂解炉。在辽化、齐鲁石化、吉化、抚顺石化、燕化、天津乙烯和中原乙烯建成投产了9台CBL－Ⅰ、CBL－Ⅱ、CBL－Ⅲ和CBL－Ⅳ型炉，主要技术经济指标与同期国际 水平相当。 主要技术特点为:2一1型炉管构型,采用独特的稀释蒸汽二次注入法;二级急冷。该炉具有裂解选择性高、调节灵活、运转周期长等特点。

2.2 SRT型裂解炉

SRT型裂解炉即短停留时间炉，是美国鲁姆斯（Lummus）公司于1963年开发，1965年工业化，以后又不断地改进了炉管的炉型及炉子的结构，先后推出了SRT－Ⅰ～Ⅵ型裂解炉，该炉型的不断改进，是为了进一步缩短停留时间，改善裂解选择性，提高乙烯的收率，对不同的裂解原料有较大的灵活性。SRT 型炉是世界上大型乙烯装置中应用最多的炉型。

2.3 USC型裂解炉

超选择性裂解炉简称USC炉。它是美国斯通－韦伯斯特（Stone & Webster）公司在70年代开发的一种炉型，USC裂解技术是根据停留时间、裂解温度和烃分压条件的选择，使生成的产品中乙烷等副产品较少，乙烯收率较高而命名的。短的停留时间和低的烃分压使裂解反应具有良好的选择性。改型裂解炉应用比较广泛，如中国大庆石油化工总厂以及世界上很多石油化工厂都采用它来生产乙烯及其联产品。同时世界上单台产能最高的乙烯裂解炉也是USC型裂解炉，单台年产量达到19.2万吨是主流裂解炉的2倍。这台裂由惠生工程担任EPC总承包，属于扬子-巴斯夫2010年的乙烯裂解炉项目。

2.4 KTI GK裂解炉

Technip 公司的裂解炉采用早期荷兰动力技术国际（KTI）公司开发的裂解炉型。原KTI公司从1973年开发出GK-Ⅰ、GK-Ⅱ型裂解炉后，又相继开发了GK-Ⅲ、GK-Ⅳ、GK-Ⅴ、GK-Ⅵ型裂解炉。单台裂解炉的能力也相应提高，到21世纪产能达到100kt/a以上的规模。对不同的裂解原料采用不同的炉管构形，对原料的灵活性较大。新型辐射段炉管的停留时间短，热效率高。

2.5 毫秒裂解炉

即超短停留时间裂解炉简称USRT炉，是美国凯洛（Kellogg）公司在60年代开始研究开发的一种炉型。1978年开发成功，在高裂解温度下，使物料在炉管内的停留时间缩短到0.05～0.1秒（50～100毫秒），因此被称为毫秒裂解炉。毫秒炉由于管径较小，所需炉管数量多，致使裂解炉结构复杂，投资相对较高。因裂解管是一程，没有弯头，阻力降小，烃分压低，因此乙烯收率比其它炉型高。

2.6 Pyrocrack型裂解炉

林德公司从20世纪60年代开发了Pyrocrack裂解炉，该型裂解炉通常为双辐射段、单对流段结构。为了适应不同的原料，Pyrocrack裂解炉采用了Pyrocrack4-2、Pyrocrack2-2和Pyrocrack1-1型3种不同的炉管结构。其中Pyrocrack1-1型选择性高，停留时间也短，单组炉管处理能力最小但烯烃产量高。林德公司在90年代以后设计的裂解炉主要采用Pyrocrack1-1型炉管[11]。

第3章 裂解炉的构造

乙烯裂解炉分为对流段和辐射段。一般地说,对流段作用是回收烟气余热,用来预热并汽化原料油,并将原料油和稀释蒸汽过热至物料的横跨温度,剩余的热量用来过热超高压蒸汽和预热锅炉给水。在原料预热汽化过程中,注入稀释蒸汽,以降低原料油的汽化温度,防止原料油在汽化过程中焦化。裂解炉对流段每一组盘管主要由换热炉管(光管或翅片管)通过回弯头组焊而成,端管板和中间管板支持起炉管,有些盘管的进出口通过集箱汇集到一起。每一组盘管的四周再组对上炉墙,则构成一个模块。

乙烯裂解炉要根据工艺特点定制的,我们国内的乙烯装置工艺包多是买国外的先进工艺技术专利，裂解炉根据工艺设计由设计方指定的几个厂家进行投标产生。

裂解炉是乙烯装置的能耗大户，其能耗占装置总能耗的50%-60%。降低裂解炉的能耗是降低乙烯生产成本的重要途径之一。随着能源价格的不断上涨，国内外相关部门均加强了裂解炉节能措施的研究。裂解炉的能耗在很大程度上取决于裂解炉系统本身的设计和操作水平，近年来，裂解炉技术向高温、短停留时间、大型化和长运转周期方向发展。通过改善裂解选择性、提高裂解炉热效率、改善高温裂解气热量回收、延长运转周期和实施新型节能技术等措施，可使裂解炉能耗显著下降。

第4章 裂解炉的节能措施

4.1改善裂解选择性

对相同的裂解原料而言，在相同工艺设计的装置中，乙烯收率提高1%，则乙烯生产能耗大约相应降低1%。因此，改善裂解选择性，提高乙烯收率是决定乙烯装置能耗的最基本因素。通过裂解选择性的改善，不仅达到节能的效果，而且相应减少裂解原料消耗，在降低生产成本方面起到十分明显的作用[5]。

（1）采用新型裂解炉。新型裂解炉均采用高温-短停留时间与低烃分压的设计。20世纪70年代，大多数裂解炉的停留时间在0.4s左右，相应石脑油裂解温度控制在800-810℃，轻柴油裂解温度控制在780-790℃。近年来，新型裂解炉的停留时间缩短到0.2s左右，并且出现低于0.1s的毫秒裂解技术，相应石脑油裂解温度提高到840℃以上，毫秒炉达890℃；轻柴油裂解温度提高到820℃以上，毫秒炉达870℃。由于停留时间大幅度缩短，毫秒炉裂解产品的乙烯收率大幅度提高。对丁烷和馏分油而言，与0.3-0.4s停留时间的裂解过程相比，毫秒炉裂解过程可使乙烯收率提高10%-15%。

（2）选择优质的裂解原料。在相同工艺技术水平的前提下，乙烯收率主要取决于裂解原料的性质，不同裂解原料，其综合能耗相差较大。裂解原料的选择在很大程度上决定乙烯生产的能耗水平。通过适当调整裂解原料配置结构，优化炼油加工方案，增加优质乙烯原料如正构烷烃含量高的石脑油等供应，改善原料结构和整体品质，在提高乙烯收率的同时，达到节能降耗的目标。

（3）优化工艺操作条件。通过优化裂解炉工艺操作条件，不仅能使原料消耗大幅度降低，也能够使乙烯生产能耗明显下降。不同的裂解原料对应于不同的炉型具有不同的最佳工艺操作条件。对于一定性质的裂解原料与特定的炉型来说，在满足目标运转周期和产品收率的前提下，都有其最适宜的裂解温度、进料量与汽烃比。如果裂解原料性质与原设计差别不大，裂解炉最优化的工艺操作条件可以参照设计值。反之，则需要利用SPYRO软件或裂解试验装置对原料重新评价，以确定最佳的工艺操作条件[15]。

4.2 延长裂解炉运行周期

（1）优化原料结构与工艺条件。

裂解原料组成与性质是影响裂解炉运行周期的重要因素。一般含氢量高、低芳烃含量的原料具有良好的裂解性能，是裂解炉长周期运行的必要条件。对不饱和烃含量较高的原料进行加氢处理，是提高油品质量的有效途径。当裂解原料一定时，工艺条件是影响裂解炉运行周期的主要因素。低烃分压、短停留时间和低裂解温度有利于延长裂解炉运行周期。但考虑到烯烃收率与蒸汽消耗，需要对裂解深度与汽烃比控制加以优化。

（2）采用在线烧焦。裂解炉在线烧焦是在炉管蒸汽-空气烧焦结束后，继续对废热锅炉实施烧焦。与传统的烧焦方式相比，在线烧焦具有明显的优势。一是裂解炉没有升降温过程，可以延长炉管的使用寿命，并可节省裂解炉升降温过程中燃料与稀释蒸汽的消耗；二是由于在线烧焦，裂解炉离线时间短，可以提高开工率，并可增加乙烯与超高压蒸汽的产量。BASF在线烧焦程序已在国内外乙烯裂解炉上成功应用了多年，事实证明，采用在线烧焦可大大减少废热锅炉的机械清焦次数，有效地降低乙烯装置的能耗。

第5章 裂解炉低氮技术介绍

裂解炉是一种反应炉，运行周期一般为 60 天左右，较长的则可达到 80 天，到运行周期后由于裂解炉炉管、废热锅炉炉管内结焦，造成炉管过热，需要裂解炉退料烧焦，一般一年烧焦的次数达到 6 ～ 8 次。不同类型 NOx 主要产生的机理如表 1 所示。目前2#烯烃裂解炉使用的燃料气分为新、老两个区域，主要组分如表 2 所示。从燃料气组分中可以看出: 裂解炉使用的燃料气不具备大量的有机氮化物，所以出现燃料型NOx 的概率很低[7]。

快速型 NOx 产生在火焰面内，是富碳氢类燃料在过剩空气因子小于 1 时燃烧特有的现象。裂解炉的过剩空气因子在设计期间就大于 1，偶尔缺氧燃烧期间出现过剩空气因子低于 1 的情况。经过研究对比，乙烯裂解炉上的主要 NOx 产生的源头是热力型的 NOx 与快速型 NOx，其中最主要的是热力型 NOx。从现有降低 NOx 的措施来看，主要有以下几类方法[21-23]。

5.1低NOx燃烧

目前国内外一流的烧嘴专利商在原有传统燃烧器的基础上增加了空气分级、燃料分级以及烟气再循环等优化手段，可以保证在行业标准要求的氧体积分数条件下，NOx 的排放质量浓度不大于 100 mg /m3［2］。目前主要技术商采用的低氮燃烧器技术如表 3 所示[8-10]。

5.2 选择性催化还原技术( SCR) 烟气脱硝法

根据催化剂类型不同，SCR 的反应最佳温度区一般 在 260 ～ 400 ℃，氨 逃逸率可以控制在3 mg /m3[16]。该法的优点是: 使用催化剂降低了反应温度; 脱硝效率高，可达 80% 以上; 工艺设备紧凑，运行可靠; 还原后的氮气放空，无二次污染[4]。

5.3 炉膛注入蒸汽法

高温燃烧容易产生 NOx，因此通过注入稀释剂( 如水或蒸汽) 降低火焰区的温度，可以有效降低热力型氮氧化物的产生。通过注入燃烧区的蒸汽的冷却效果，可使热力型 NOx 排放降低 5% ～20% ，但同时炉膛内燃烧热的分配也将会改变，燃烧的效率大打折扣，减排的同时使得能量不能得到合理应用[12]。在裂解炉处于烧焦、热备工况时，一方面该工况对供热的均匀性要求较低; 另一方面，持续时间较短，可以采用蒸汽注入的方式解决烧焦、热备工况时的 NOx 排放问题。

5.4低氮燃烧器主要改造内容

裂解炉低氮燃烧器主要改造内容包括底烧和侧烧组合件，其中，底烧组合件包括气体燃烧器、风箱、调风器、烧嘴砖组件，侧烧组合件包括引射器、烧嘴、风箱和进气管、烧嘴砖组件[1]。底部燃烧器采用了分割火焰型燃烧器，小火焰散热面积大，火焰温度低，使其热反应生成的NOx 有所下降。此外，火焰小缩短了氧、氮等气体在火焰中的停留时间，进一步抑制 NOx 产生。具体方案如下:

1) 底部燃烧器采用多个烧嘴分割火焰，并通过异型烧嘴砖进一步分割单个烧嘴火焰，且采用燃料气分级，火焰对冲，沿炉内底部形成平流扁平火焰[2][3]。

2) 侧壁燃烧器为引射预混燃烧形式。采用燃气分级与分别配风的燃烧形式，火焰为贴炉壁扁平圆盘形火焰，为燃气引射预混燃烧形式，火焰刚劲稳定[6][7]。

5.5低氮燃烧器优化操作措施

1）处理裂解炉炉壁漏风

根据低氮燃烧器特性，均匀恒速的燃气、空气混合物通过燃烧器进入炉膛，可使燃料在炉膛内燃烧更均衡，避免出现温度过热点。另外，根据NOx 排放公式，大量空气从炉壁进入炉膛，烟气内氧气含量高，会间接造成烟气的 NOx 排放超标。通过对炉体底部、对流段打胶封堵，风门改为密封风门等措施，降低裂解炉漏风。

2）调整风机转速

进入裂解炉炉膛内空气，主要是采用炉体顶部的引风机控制。引风机的转速越高，炉膛负压值越高，外界进入炉体的风量就越大[13][14]。正常生产时，给定炉膛负压，风机根据设定炉膛负压调整转速。风机转速与炉膛负压值成正比。引风机的额定电流和额定转速如表 4 所示。

表 4风机额定电流及额定转速

风机调整过程中应注意将电流控制在额定电流以内，以防电机超载，影响电机寿命。在给定炉膛负压后，如果风机电机电流超载，可以采用适当关闭风门的方法来调整电机电流。

3）调整燃烧器风门

风机转速与燃料气风门的开度和炉膛负压有直接关系。其中，底部风门占主导作用。当炉膛负压一定时，底部风门开度越大，风机转速越高，反之越低。如果烟气中 CO 过高，NOx 排放合格，并且风机在高转速状况下，尽量不调节底部风门，但可通过调整侧壁风门的开度，使 CO 含量下降;当风机转速存在上调空间，一般可以提高炉膛负压来调整 CO 含量。实际运行中，炉膛负压小于60 Pa 时，CO 含量(标准状态) 一般可以控制在0 ～ 60 mg /m3。如果烟气中 CO 含量合格，NOx 排放过高，可适当关小底部风门的开度，降低 NOx 的产生。与此同时，CO 生成量会以较快速度上升，可通过提高炉膛负压或者开大侧壁风门把 CO 生成量调整下来。如果氧含量过高，首选调整侧壁风门开度。也可根据裂解炉运行状态，适当通过调整炉膛负压来控制[28]。

经过摸索，炉膛氧含量不能过低，一般情况下要大于 1% ，氧含量过低，会造成 CO 生成量过高。侧烧第一排风门按一次风门全开控制，第二排风门按 一次风门50%以上控制，底部风门按照30% ～ 50% 控制。裂解炉运行末期，侧壁燃烧器喷头出现堵塞时，喷头喷出的燃料曲线有所变化，会出现轻度冒黑烟现象，可以适当调节第一排侧壁燃烧器的二次风门，以减少CO的生成量。调整步骤均需缓慢进行，一步调整完成好，待裂解炉运行稳定，再进行下一步优化调整，以免裂解炉工艺参数波动大，对生产造成影响。

4）其他

燃料气的组成发生变化，热值随之改变，NOx 生成量也随之变化。当燃料气混入液化气时，单位燃料热值增加，裂解炉 NOx 生成量增加明显。燃料内混入液化气后，低氮燃烧器优化调节空间变小。这也证实燃料燃烧热量局部过高，会造成 NOx 生成量大幅增加。另外空气中的灰尘吸入燃烧器的风道中，尤其是春季，风道堵塞情况严重，空气进量变小，致使燃烧器燃烧不充分，进而会影响裂解炉烟气测量结果。因此，需定期排查燃烧器燃烧情况，定期清理和维护，使NOx排放达标。

第6章 裂解炉用低NOx国内技术进展

燃烧器是乙烯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燃烧器中燃烧获得的。同时，助燃空气中的氮气将和氧气发生反应生成 NOx。随着炉膛温度的提高，NOx 的浓度会升高。燃烧器的选择对炉膛温度有影响，从而影响 NOx 的生成。不同的燃烧器在炉内产生不同的热强度分布，而不同的热强度分布产生不同的温度分布。随着助燃空气温度的提高，火焰温度和 NOx 浓度也会升高。当燃料气中的氢含量升高时，将导致火焰温度的提高，从而产生更多的NOx。另外，随着助燃空气中水分的增加，NOx 的生成有降低的趋势[11].

燃烧产生的 NOx 对人类及其生存的自然环境有很大的影响。随着人们对 NOx 危害的日益重视，NOx 含量的高低成为衡量燃烧器燃烧性能的重要指标之一，世界各大乙烯公司都十分关注裂解炉 NOx 的排放量，相继开发了各种类型的低NOx 燃烧器。

6.1裂解炉用低 NOx 燃烧器的发展方向

随着裂解炉炉型多样化、大型化和环保要求的提高，裂解炉用低 NOx 燃烧器也朝着形式多样化、能力大型化、排放苛刻化、控制自动化和维护便利化的方向发展[9]。

6.1.1形式多样化

为了降低 NOx 排放量，改进燃料和空气的进入方式，以延迟混合、降低 O2 的有效性和火焰峰值温度。按燃料燃烧方式的不同，低 NOx 燃烧器有扩散式、预混式和半预混式 3 种形式; 按 NOx控制方法的不同，有分级空气、分级燃料和烟气再循环 3 种形式[24]; 按火焰形状的不同，有长火焰、短火焰、扁平火焰及柱状火焰等。考虑到裂解炉不同的燃料来源和炉型特点，低 NOx 燃烧器结构形式要与裂解炉相匹配，燃烧火焰的方向、外形、刚性和铺展性符合裂解炉工艺要求。

6.1.2能力大型化

现代裂解炉主要采用底部、侧壁联合供热和全底烧供热方案，底部、侧壁联合供热通常也以底部供热为主，达总热量的 60% ～ 90% ，随着裂解炉生产能力的不断扩大，同时为了降低建设和维护费用，减少燃烧器数目，便于与空气预热器或燃气轮机匹配，开发大能力燃烧器势在必行，特别对底部燃烧器的设计提出了更高的要求，如火焰长度、火焰刚性及热流密度分布等。大能力燃烧器还应有较高的调节比，在裂解炉烘炉、清焦或其他低负荷工况时不需要关闭燃烧器，就能安全、可靠地运行。

6.1.3排放苛刻化

燃烧器燃烧的污染包括燃烧产物( NOx、SO2、CO 和烟尘) 污染和噪声污染，裂解炉燃料气中几乎不含 H2 S，完全燃烧时，SO2、CO 和烟尘的排放量通常很少，NOx 是环境污染的主要因素之一，通常认为 NOx 的排放与臭氧的减少等环境问题有关。各国政府对 NOx 的排放提出了更苛刻的要求，如美国加州南海岸 空气质量管理区( SCAQMD) 标准要求，NOx 的排放需小于 0． 01‰( 体积分数) ，在没有燃烧后处理控制的条件下，目前仍未有燃烧器能达到这个排放标准[25]。

6.1.4控制自动化

通常裂解炉内过剩氧含量为 2% ～ 3% ，而环境条件的变化可以导致炉内氧含量和火焰温度的改变，进而影响裂解炉的热效率和污染物的排放，低 NOx 燃烧器对环境条件的改变更为敏感。严格控制低 NOx 燃烧器的操作条件对裂解炉的运行很重要，大多数裂解炉燃烧器的风门是手动控制的，当环境条件变化时需人工调整每个燃烧器的风门。采用自动风门控制系统使燃烧器的风门可在控制室内完成，不需要室外操作工，且可避免人为因素改变燃烧器进风量，进而避免燃烧火焰不均匀、火焰翻卷以及冲击炉管等更多的操作问题。

6.1.5维护便利化

燃烧器主要的维护问题是燃料喷孔堵塞，它能导致燃烧器能力下降及燃烧火焰不均匀、不稳定等一系列问题。燃料管线中带有氧化皮、盐粒及污垢等杂质颗粒，或燃料中含重烃、不饱和化合物等液体，液态烃碰到喷头热表面裂解而留下焦炭，都能引起喷孔堵塞。低 NOx 燃烧器由于使用多点燃烧、分割火焰等策略，喷孔直径越小，维护问题越严峻。采用颗粒过滤器和凝聚过滤系统可有效地减少喷孔堵塞问题，但要充分考虑其自身带来的压降问题。另外，便于在线拆卸的燃料喷头结构，也使低 NOx 燃烧器的维护更为便利。

6.2低 NOx 燃烧器研发手段

以往燃烧器的设计主要是在理论研究的基础上进行半经验设计，依据燃烧器能力、燃料组成、压力和温度通过公式计算得到喷孔直径[20]，根据所需的火焰形状布置喷孔及空气流道，得到初步的燃烧器结构尺寸，通过冷热态试验来验证初步设计的合理性并加以修正，经过多次、反复的修正和试验才运用在实际装置中，通过其在裂解炉中的实际运行情况和热性能测试，最终改进后才开发出新的满足工艺和环保要求的燃烧器[26]。当然，这个过程需要较长的周期。

目前，计算流体动力学( CFD) 的兴起和高性能计算机的应用可以辅助进行燃烧器的结构设计与改进，预测燃烧器的燃烧状况，结合燃烧器的理论研究和冷热态试验，使燃烧器的开发周期大大缩短，新型、大能力的低 NOx 燃烧器层出不穷。CFD 与乙烯裂解炉工艺软件包相结合使燃烧器的布置及炉内温度场分布更加合理。

6.2.1冷态试验

冷态试验是燃烧器开发的必要步骤。它主要包括燃烧器的配风试验和喷头的喷射角度试验。燃烧器配风的好坏直接关系到燃烧的稳定性、火焰形状、火焰长度和炉子的热效率，因此有必要进行燃烧器烧嘴砖和调风器的配风试验，确定烧嘴砖和调风器的最佳形状尺寸。燃烧器配风试验通过大能力风洞试验装置，使助燃空气进入调风器和烧嘴砖风道。采用皮托管和微压计进行烧嘴砖风道入口和出口截面速度的测试，以验证空气流场是否与所要求的火焰形状相匹配。燃烧器的冷态试验还可以获得喷头的喷射角度及压力流量曲线等数据，为确定燃烧器合理的结构尺寸提供依据。

6.2.2热态试验

热态试验可以验证燃烧器的性能，了解燃烧器的燃烧质量、风门调节性能和调节比，测量各种污染物排放( CO、NOx 和噪声) 数据，得到验证CFD 模拟所需的参数，并获取燃烧器工艺性能曲线。早期的热态试验装置是小型的圆筒炉或方箱炉，仅能测试单台燃烧器的部分性能( 如污染物排放和火焰质量) 。

6.2.3CFD 模拟

采用 CFD 模拟能够了解燃烧器内部实际流动和燃烧过程的规律，可以辅助进行燃烧器的结构设计与改进，预测燃烧器的燃烧状况( 如火焰形状、温度分布及热通量分布等) ，提早发现可能存在的问题，如空气分配不合理、火焰舔炉管、火焰翻卷交叉以及局部热通量过高等。通过改变计算模型几何尺寸( 如喷头喷孔角度，直径，数量及空气流道等) 进行多方案比较，从而得到燃烧器最佳结构形式。CFD 模拟过程分为前处理、迭代计算和后处理 3 个阶段。利用 CFD 后处理的功能，通过建立等值面、云图及流线等方法观察炉膛内的火焰形状、烟气流动情况以及温度分布情况等[27]。

第7章 结语

低氮燃烧系统调整应本着安全、经济、环保的原则，采用主燃区低氧、燃尽区富氧的燃烧方式在裂解炉低氮燃烧系统调整上完全可行，已经过装置多台裂解炉的有效验证。

NOx 的排放效果与裂解炉的设计因素紧密相关，低氮燃烧器采用的综合技术、裂解炉炉膛容积、底部侧壁燃烧器供热的分配比例、燃烧设备布置方式等对 NOx 的排放起决定性作用。

1)对裂解炉炉体漏风处进行封堵，通过调整风机转速，底部、侧壁风门开度等手段，控制烟气内氧气含量，降低裂解炉烟气内 NOx 生成量。摸索出烟气内氧气含量对 NOx 和 CO 生成的影响，确认最优的烟气氧含量区间为 0.96%～1.29%。

2)实际生产中，影响 NOx 生成的因素很多，定期维护及优化调整低氮燃烧器，以使裂解炉 NOx排放达标。

3)降低烟气氧过剩系数，使 NOx 生成降低，但过低过剩空气系数会造成 CO 生成量增加，CO 在对流段有继续燃烧风险，应密切关注烟气内 CO 生成量。

4)经过优化调整，烟气 NOx 排放达标，但烟气过剩空气系数可波动幅度小，CO 生成量超过设计指标，裂解炉操作弹性小。

参 考 文 献

[1]王海靖,李昌力,赵永华,邵晨.裂解炉脱硝技术及低NO_x燃烧器改造效果分析[J].乙烯工业,2019,31(03):43-47+6.

[2]位卫卫.裂解炉低氮燃烧器改造综述[J].乙烯工业,2019,31(02):41-44+6.

[3]史宝明.低NO_x燃烧器在中沙石化裂解炉上的应用[J].乙烯工业,2019,31(02):52-54+58+6.

[4]王哲.降低乙烯裂解炉NO_x排放的工艺研究[J].石油石化绿色低碳,2019,4(02):53-57.

[5]魏月娥,王猛.裂解炉低氮燃烧器优化运行探讨[J].乙烯工业,2018,30(04):53-56+6.

[6]魏月娥.乙烯裂解炉脱硝改造方案分析[J].石油石化绿色低碳,2017,2(04):32-36.

[7]杜学军.裂解炉低氮燃烧方案研究[J].石油化工技术与经济,2017,33(02):34-37.

[8]阎建亭.自主裂解炉低NO_x燃烧器应用成功[J].化工管理,2014(19):65.

[9]张建,李金科.裂解炉用低NO_x燃烧器国内技术进展[J].化工机械,2012,39(06):681-685.

[10]阎建亭. 自主裂解炉低NOx燃烧器应用成功[N]. 中国化工报,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]胡贵华,叶贞成,杜文莉.助燃空气对乙烯裂解炉NO_(x)排放的影响[J/OL].化工学报:1-18[2020-01-06].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1946.TQ.20191128.1606.014.html.

[17]王子宗,何细藕.乙烯装置裂解技术进展及其国产化历程[J].化工进展,2014,33(01):1-9.

[18]郑显伟.我国乙烯裂解炉辐射炉管的使用状况[J].压力容器,2013,30(05):45-52.

[19]何细藕.乙烯裂解炉技术进展[J].现代化工,2001(09):13-17.

[20]张建,李金科,徐红兵,王爱军.低NO_X燃烧器研究开发[J].乙烯工业,2006(01):22-25+9.

[21]王海靖,李昌力,赵永华,邵晨.裂解炉脱硝技术及低NO_x燃烧器改造效果分析[J].乙烯工业,2019,31(03):43-47+6.

[22]袁波,马金刚,陈德明.裂解炉低氮氧化物燃烧器改造及运行调整[J].乙烯工业,2018,30(02):35-38+6.

[23]陈雄,朱芳瑞,黄夏林.国产低NO_x燃烧器在乙烯原料适应性改造裂解炉上的应用[J].石油化工设备技术,2015,36(01):34-36+40+4-5.

[24]夏信虎.乙烯裂解炉烟气脱硝技术现状及发展趋势[J].辽宁化工,2019,48(8):817-819.

[25]马绍委,胡丹,刘源波.低NOx燃烧器在四川石化乙烯裂解炉的应用[C].//全国乙烯工业协会.全国乙烯工业协会裂解单元的运行与优化专题研讨会论文集.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).