CN115468428A - 一种加热炉燃烧系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加热炉燃烧系统及控制方法，应用于炼油化工领域。该系统包括加热炉、烟气旁路系统、烟气循环系统、烟气换热系统、氧气管路系统和风道旁路系统。加热炉烟气出口分别与烟气旁路系统及引风机连接，烟气旁路系统出口连接烟囱，引风机出口分别与烟气循环系统及烟气换热系统连接，烟气循环系统出口连接燃烧器，烟气换热系统出口连接烟囱，所述烟气循环系统设置有气体混合器、密封调节挡板一和氧气分析仪二，气体混合器前设置有风道旁路系统入口和氧气管路系统入口，所述烟气换热系统设置有烟气‑氧气换热器。使用本发明既减少了加热炉的烟气排放量和NO_X生成量，又降低了烟气排放温度，可有效提高加热炉的热效率及减少污染物的排放。

Description

一种加热炉燃烧系统及控制方法

技术领域

本发明属于炼油化工加热炉技术领域，具体涉及一种加热炉燃烧系统及控制方法。

背景技术

加热炉是炼油化工装置中的耗能大户，其能耗一般占到装置能耗的30%以上，如何提高加热炉热效率一直是炼油化工加热炉技术领域在研究的主要课题之一。加热炉的热量损失主要来源于燃料与助燃介质燃烧后产生的高温烟气带走的热量，因此降低加热炉的烟气排放量和排烟温度是提高加热炉热效率的两种主要途径。当前常规炼油化工装置加热炉都是用空气作为助燃介质，在加热炉负荷一定的情况下，降低烟气排放量的主要方式是控制过剩空气系数，但过低的过剩空气系数会导致燃料的不完全燃烧，降低操作的安全性，严重时甚至可能导致加热炉的闪爆，当前炼油化工装置加热炉中过剩空气系数一般会根据不同设计条件控制在10%~20%左右。降低排烟温度的主要方式是用高温烟气来预热助燃空气，但烟气温度降的过低，一方面会增大投资成本，另一方面由于低温露点腐蚀及氧腐蚀等原因，对换热设备的设计要求较高，换热设备的使用周期较短，因此现阶段大部分的炼油化工装置加热炉排烟温度还控制在120℃以上，只有极个别加热炉可以把排烟温度降到100℃以下。由此可见，在当前炼油化工装置加热炉的常规设计下，继续通过降低烟气排放量和排烟温度来提高加热炉热效率效果已经不明显，而且成本会越来越高。

加热炉同样是炼油化工装置中的污染大户，其污染源主要是排放烟气中的NO和NO₂(统称NO_X), NO_X的主要来源是由于助燃空气中含有大量的氮气，氮气在高温燃烧过程中产生了NO_X, 目前炼油化工装置加热炉降低NO_X的主要途径有两个，一个是采用低氮燃烧器，一般可以将烟气中的NO_X降低到50PPM以下，一个是增设烟气脱硝设施，可以将烟气中的NO_X降低到20PPM以下，但无论是采用低NO_X燃烧器还是烟气脱硝，都会增加投资成本和后续的维护费用，并且脱硝效果有限。

中国专利CN 109556416 A公开了一种纯氧烟气循环加热炉控制系统及其控制方法，采用纯氧和烟气循环相结合的方式代替了空气助燃，可以有效的降低烟气量和NO_X生成量，实现加热炉的节能减排。但该发明针对的是冶金加热炉技术领域，由于炼油化工装置加热炉的设计理念与操作条件与冶金加热炉的区别，该发明直接应用在炼油化工装置加热炉中还存在一定的局限性。例如，该发明采用的是多燃料燃烧器，氧气、循环烟气是通过各自管路进入燃烧器后再混合，其流量是通过设置在各自管路上的流量计和调节阀来控制，而炼油化工装置加热炉一般单台炉子都设置有多台燃烧器，少则几台，多则几十台，若每台燃烧器的氧气和循环烟气都在各自支路采用流量计和调节阀控制，会大大增加投资成本和操作难度，若采用各支路自然分配，又很难确保各支路分配均匀，会影响燃烧器的燃烧效果，严重时甚至有安全风险。再例如，该发明对排放部分的高温烟气热量没有再进一步回收，加热炉热效率没有得到充分利用。此外，炼油化工装置加热炉需要考虑在非正常情况下（氧气来源不稳定、风机故障等）的可操作性，以避免装置停工造成的经济损失。

发明内容

根据上述技术背景，本发明的目的是提供一种高效低氮加热炉燃烧系统及控制方法，针对炼油化工装置加热炉的设计特点，利用氧气和循环烟气代替传统的空气作为助燃介质，并通过对氧气、烟气循环量的控制和对排放高温烟气的热量回收，有效的减少了烟气排放量，降低了烟气排放温度，不仅提高了正常操作情况下加热炉的热效率，减少了NO_X的排放，并且可以在非正常情况下继续维持加热炉的操作，减少炼油化工装置开停工造成的经济损失。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种加热炉燃烧系统，包括加热炉、引风机、燃烧器和烟囱，其特征在于：该加热炉燃烧系统还包括烟气旁路系统、烟气循环系统、烟气换热系统、氧气管路系统和风道旁路系统，加热炉烟气出口分别与烟气旁路系统和引风机连接，烟气旁路系统出口连接烟囱，引风机出口分别与烟气循环系统及烟气换热系统连接，烟气循环系统出口连接燃烧器，烟气换热系统出口连接烟囱，所述烟气循环系统设置有气体混合器、密封调节挡板一和氧气分析仪二，气体混合器前设置有风道旁路系统入口和氧气管路系统入口，所述烟气换热系统设置有调节挡板一和烟气-氧气换热器，所述烟气旁路系统设置有密封挡板二，引风机前设置有密封挡板一，氧气管路系统设置有调节挡板二，所述加热炉辐射段顶部设置有氧气分析仪一。

本发明一种加热炉燃烧系统，其进一步技术特征在于：所述引风机可以为一台或并联的多台，可用工频电机驱动也可用变频电机、液力耦合器等变速驱动。

本发明一种加热炉燃烧系统，其进一步技术特征在于：所述燃烧器可为单台或多台。

本发明一种加热炉燃烧系统，其进一步技术特征在于：所述风道旁路系统设置有入风口、鼓风机和密封挡板四，鼓风机可通过加热炉辐射顶氧含量控制，以此来调节空气量。

本发明一种加热炉燃烧系统，其进一步技术特征在于：所述鼓风机可以为一台或并联的多台，可用工频电机驱动也可用变频电机、液力耦合器等变速驱动。

针对上述加热炉燃烧系统，本发明还提供了一种用于上述加热炉燃烧系统的控制方法，其技术方案如下。

一种用于上述加热炉燃烧系统的控制方法，其特征在于包括下述步骤：

（1）正常操作时，烟气旁路系统上的密封挡板二和风道旁路系统上的密封挡板四关闭，其它挡板打开或位于操作位置，鼓风机关闭，燃料气进入加热炉的燃烧器燃烧，加热后的高温烟气经引风机引出，一路进入烟气换热系统，经过烟气-氧气换热器换热后从烟囱排出，另一路进入烟气循环系统，与来自氧气管路系统换热后的氧气混合后进入气体混合器，混合均匀后进入燃烧器燃烧；

（2）正常操作时，利用氧气管路系统上的调节挡板二来调节加热炉炉顶处烟气中的氧含量，以此来控制燃烧需要的氧气量；利用烟气循环系统上的密封调节挡板一来调节烟气与氧气混合均匀后的氧含量，以此来控制循环烟气量，烟气换热系统上的调节挡板一用于手动微调，以确保密封调节挡板一的开度不至于过大或者过小，影响其灵敏度；

（3）当氧气供应不足时，打开鼓风机，打开风道旁路系统上的密封挡板四，改为鼓风机入口调节挡板四（风机自带）来调节加热炉炉顶处烟气中的氧含量，以此来控制空气量，利用循环烟气+氧气+空气作为助燃介质，继续维持加热炉的操作；

（4）当不需要烟气循环时，则关闭烟气循环系统上的密封调节挡板一，利用氧气+空气作为助燃介质，继续维持加热炉的操作；

（5）当氧气停供时，关闭烟气循环系统上的密封挡板三，利用空气作为助燃介质，继续维持加热炉操作；

（6）当引风机故障时，打开烟气旁路系统上的密封挡板二，关闭密封挡板一，烟气走烟气旁路系统，继续维持加热炉操作。

本发明所述燃料气可以是单组分烃类化合物、H₂、CO等，也可以是以上单组分的混合物。

本发明可用于炼油化工行业加热炉领域，还可用于其他与炼油化工装置加热炉有类似特点的技术领域。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1、本发明由于用氧气和循环烟气代替了传统炼油化工装置加热炉采用的空气作为燃料的助燃介质，大大降低了烟气排放量，并且将排放的高温烟气与氧气换热，降低了烟气排放温度，与同等条件下的现有技术相比，加热炉热效率可以提高3%以上。

2、本发明由于用氧气和循环烟气代替了传统炼油化工装置加热炉采用的空气作为燃料的助燃介质，助燃介质中没有了氮气，大大降低了燃烧过程中的NO_X生成量，如果燃料气中也不含N元素, 甚至可以实现NO_X零排放。

3、本发明可实现炼油装置加热炉排放干烟气中CO₂的含量在90%以上，有利于CO₂的进一步捕集，减少碳排放。

4、本发明与同条件的现有技术相比，可以降低加热炉的炉膛温度，改善加热炉的操作条件，减少炉内高温合金支撑件的用量。

5、本发明通过在烟气循环系统设置气体混合器，确保了氧气和烟气混合均匀，保证了燃烧器燃烧的稳定性和加热炉操作的安全性。

6、本发明可以通过设置不同的烟气循环量，来适应燃烧器和加热炉的操作需要。

7、本发明可以实现在风机故障、氧气停供或者供应量不足等非正常工况下，继续维持加热炉操作。

下面用附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明，但并不限制本发明的范围。

附图说明

图1为本发明一种加热炉燃烧系统及控制方法的示意图。

图中所示附图标记是：

1、加热炉；2、密封挡板一；3、密封挡板二；4、引风机；5、调节挡板一； 6、调节挡板二；7、烟气-氧气换热器；8、氧气分析仪一；9、密封调节挡板一；10、密封挡板三；11、密封挡板四；12、鼓风机；13、入风口；14、烟囱；15、氧气分析仪二；16、气体混合器；17、燃烧器。

I、烟气旁路系统；II、烟气换热系统；III、烟气循环系统；IV、氧气管路系统；V、风道旁路系统。

a、控制示意线一；b、控制示意线二；c、控制示意线三。

具体实施方式

下面将更详细的描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制，相反，提供以下优选实施方式是为了使本发明被描述的更加详细和具体，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

采用如图1所示的示意图来实现本发明加热炉燃烧系统及控制方法。

系统设置：

一种加热炉燃烧系统，该加热炉燃烧系统包括加热炉1、烟气旁路系统I、引风机4、烟气循环系统III、烟气换热系统II、氧气管路系统IV、风道旁路系统V、燃烧器17、烟囱14。其中，加热炉1烟气出口分别与引风机4及烟气旁路系统I连接，烟气旁路系统I出口连接烟囱14，引风机4出口分别与烟气循环系统III及烟气换热系统II连接，烟气循环系统III出口连接燃烧器17，所述烟气循环系统III设置有气体混合器16、密封挡板三10、密封调节挡板一9和氧气分析仪二15，密封调节挡板一9、密封挡板三10和气体混合器16在引风机4和燃烧器17之间顺序布置，气体混合器16前、密封挡板三10后设置有风道旁路系统V入口，密封调节挡板一9后、密封挡板三10前设置有氧气管路系统IV入口，所述烟气旁路系统I设有密封挡板二3，加热炉1烟气出口与引风机4之间设有密封挡板一2，烟气换热系统II设置有调节挡板一5和烟气-氧气换热器7，所述加热炉1的辐射段顶部设置有氧气分析仪一8。

所述氧气管路系统IV在密封挡板三10前、密封调节挡板一9后进入烟气循环系统III。所述风道旁路系统V在气体混合器16前、密封挡板三10后进入烟气循环系统III。

如图1所示，引风机4设置为单台，工频电机驱动，引风机4前设置密封挡板一2；烟气循环系统III从前到后分别设置有密封调节挡板一9、密封挡板三10、气体混合器16、氧气分析仪二15；烟气换热系统II从前到后分别设置有调节挡板一5和烟气-氧气换热器7；氧气管路系统IV设置有调节挡板二6；风道旁路系统V设置有入风口13、鼓风机12和密封挡板四11，鼓风机12设置为单台，工频电机驱动；燃烧器17为五台。

控制方法：

（1）正常操作时，烟气旁路系统I的密封挡板二3和风道旁路系统V密封挡板四11关闭，其它挡板打开或位于操作位置，鼓风机12关闭，燃料气进入加热炉1的燃烧器17燃烧，加热后的高温烟气经引风机4引出，一路进入烟气换热系统II，经过烟气-氧气换热器7换热后从烟囱14排出，另一路进入烟气循环系统III，与来自氧气管路系统IV换热后的氧气混合后进入气体混合器16，充分混合均匀后进入燃烧器17燃烧。

（2）正常操作时，利用氧气管路系统IV调节挡板二6通过控制示意线一a的控制管线来调节加热炉1的炉顶处烟气中的氧含量，以此来控制氧气的流量；利用烟气循环系统III密封调节挡板一9通过控制示意线二b的控制管线调节烟气与氧气混合均匀后的氧含量，以此来控制循环烟气量。烟气换热系统II调节挡板一5用于手动微调, 以确保密封调节挡板一9的开度不至于过大或者过小，影响其灵敏度。

（3）当氧气供应不足时，打开鼓风机12，打开风道旁路系统V密封挡板四11，改为鼓风机12入口调节挡板（风机自带）通过控制示意线三c的控制管线来调节炉顶处烟气中的氧含量，以此来控制空气量，利用循环烟气+氧气+空气作为助燃介质，继续维持加热炉的操作。

（4）当不需要烟气循环时，则关闭烟气循环系统III上的密封调节挡板一9，利用氧气和空气作为助燃介质，继续维持加热炉的操作；

（5）当氧气停供时，关闭烟气循环系统III上的密封挡板三10，利用空气作为助燃介质，继续维持加热炉操作。

（6）当引风机4故障时，打开烟气旁路系统I上的密封挡板二3，关闭密封挡板一2，烟气走烟气旁路系统I，继续维持加热炉操作。

本发明未详述部分为现有技术，尽管结合实施例1具体展示和介绍了本发明，但实现该技术方案的途径还有很多，所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上可以对本发明做出各种调整，均为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种加热炉燃烧系统，包括加热炉、引风机、燃烧器和烟囱，其特征在于：该加热炉燃烧系统还包括烟气旁路系统、烟气循环系统、烟气换热系统、氧气管路系统和风道旁路系统，加热炉烟气出口分别与烟气旁路系统和引风机 连接，烟气旁路系统出口连接烟囱，引风机出口分别与烟气循环系统及烟气换热系统连接，烟气循环系统出口连接燃烧器，烟气换热系统出口连接烟囱，所述烟气循环系统设置有气体混合器、密封调节挡板一和氧气分析仪二，气体混合器前设置有风道旁路系统入口和氧气管路系统入口，所述烟气换热系统设置有调节挡板一和烟气-氧气换热器，所述烟气旁路系统设置有密封挡板二，引风机前设置有密封挡板一，氧气管路系统设置有调节挡板二，所述加热炉辐射段顶部设置有氧气分析仪一。

2.根据权利要求1所述的一种加热炉燃烧系统，其特征在于：所述引风机为一台或并联的多台，引风机采用工频电机驱动、变频电机驱动或液力耦合器变速驱动。

3.根据权利要求1所述的一种加热炉燃烧系统，其特征在于：所述燃烧器为单台或多台。

4.根据权利要求1所述的一种加热炉燃烧系统，其特征在于：所述风道旁路系统设置有入风口、鼓风机和密封挡板四，鼓风机通过加热炉辐射顶氧含量控制，以此来调节空气量。

5.根据权利要求1所述的一种加热炉燃烧系统，其特征在于：所述鼓风机为一台或并联的多台，鼓风机采用工频电机驱动、变频电机驱动或液力耦合器变速驱动。

6.一种权利要求1所述加热炉燃烧系统的控制方法，其特征在于包括下述步骤：

（1）正常操作时，烟气旁路系统上的密封挡板二和风道旁路系统上的密封挡板四关闭，其它挡板打开或位于操作位置，鼓风机关闭，燃料气进入加热炉的燃烧器燃烧，加热后的高温烟气经引风机引出，一路进入烟气换热系统，经过烟气-氧气换热器换热后从烟囱排出，另一路进入烟气循环系统，与来自氧气管路系统换热后的氧气混合后进入气体混合器，混合均匀后进入燃烧器燃烧；

（2）正常操作时，利用氧气管路系统上的调节挡板二来调节加热炉炉顶处烟气中的氧含量，以此来控制燃烧需要的氧气量；利用烟气循环系统上的密封调节挡板一来调节烟气与氧气混合均匀后的氧含量，以此来控制循环烟气量，烟气换热系统上的调节挡板一用于手动微调，以确保密封调节挡板一的开度不至于过大或者过小，影响其灵敏度；

（3）当氧气供应不足时，打开鼓风机，打开风道旁路系统上的密封挡板四，改为鼓风机入口调节挡板四（风机自带）来调节加热炉炉顶处烟气中的氧含量，以此来控制空气量，利用循环烟气+氧气+空气作为助燃介质，继续维持加热炉的操作；

（4）当不需要烟气循环时，则关闭烟气循环系统上的密封调节挡板一，利用氧气和空气作为助燃介质，继续维持加热炉的操作；

（5）当氧气停供时，关闭烟气循环系统上的密封挡板三，利用空气作为助燃介质，继续维持加热炉操作；

（6）当引风机故障时，打开烟气旁路系统上的密封挡板二，关闭密封挡板一，烟气走烟气旁路系统，继续维持加热炉操作。

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