混合燃烧模式下转化炉热效率优化路径研究

引言：伴随全球能持续源转型，转化炉热效率对工业能耗与碳排放产生影响。PSA 尾气与天然气混合燃烧存参数失配、效率低的问题，现有研究多单一优化。需通过“ 理论建模-模拟-实验-应用” ，建多维度优化体系，适配变负荷工况，为混合燃烧技术应用提供技术支持。

1 混合燃烧参数优化

1.1 燃料配比动态调控

在PSA 尾气与天然气协同燃烧系统中，燃料配比动态调控应当以实时成分监测与能量平衡计算为基础，以此适配转化炉变负荷工况（ 50%-110% 额定负荷）。PSA 尾气典型组分波动范围为：氢气 25%-45% （体积分数）、一氧化碳 5%-15% （体积分数）、甲烷 3%-8% （体积分数），低位热值波动区间为 12-20MJ/m³ ；天然气组分稳定，甲烷含量 295% （体积分数），低位热值恒定为 35.8MJ/m³ 。通过安装In-Situ 激光气体分析仪（响应时间≤1s，测量精度± 0.1% 体积分数），实时采集两类燃料的组分数据，输入基于Aspen Plus 建立的燃烧热力学模型，计算最优配比系数。

1.2 燃烧器结构参数优化

燃烧器结构参数优化应当以燃料-空气混合均匀性、火焰形态控制、气流扰动强度为依据，核心参数包括喷口直径、扩张角、混合段长度、旋流强度等。将CFD 数值模拟（Fluent 软件，RNG k-ε 湍流模型）与冷态实验相结合，并在此基础上确定最优结构参数组合。

1.2.1 喷口设计

采用双级渐扩式结构，一级喷口直径 80mm ，扩张角 15^∘ ；二级喷口直径 120mm ，扩张角 25^∘ ，相比传统直筒喷口（直径 100mm ），燃料射流扩散速率提升 35% ，混合均匀度（变异系数 ≤0.15 ）提高 22‰

1.2.2 旋流组件

配置可调节叶片式旋流器，控制旋流数介于 0.6-0.8（通过改变叶片安装角 30^∘-45^∘ 实现），以此增强气流旋转扰动，使燃料与空气的混合距离从 0.6m 缩短至 0.4m ，火焰根部回流区长度稳定在 0.3-0.4m ，避免发生脱火或回火。

1.3 空气系数自适应调节

空气系数（α ）是影响燃烧效率与污染物排放的关键参数，PSA 尾气-天然气混合燃烧最优α 区间为1.05-1.15（基于烟气 O₂ 含量 3.5%62.5% 体积分数换算）。采用自适应调节系统实时修正α ，系统由 Zirconia 氧传感器（测量范围 0.25% 体积分数，精度± 0.1% ）、CO 分析仪（检测下限 10mg/m3 ）、变频离心风机（风压范围 5⋅15kPa ，流量调节精度 ±1% ）、PID 控制器（响应时间 ≤0.5s ）组成。

建立α -负荷-燃料组分关联模型，当转化炉负荷从 70% 升至 90% 额定负荷时，模型输出α 基准值从 1.08 上升至 1.12；当 PSA 尾气低位热值从15MJ/m³ 下降至 12MJ/m³ 时， a 应当从1.10 修正为1.14，以补偿燃料热值下降导致燃烧不充分[1]。在某炼油厂 PSA 尾气回收项目中，该系统运行数据显示：α 控制精度为 ± 0.015 ，烟气 O₂ 含量波动范围 ≤±0.3% 体积分数，CO 排放稳定介于 30-45mg/m³ ，热效率相比手动调节模式提升 1.8%-2.5% ，风机能耗降低 8‰

2 热效率提升技术路径

2.1 余热梯级回收系统设计

针对转化炉高温烟气（出口温度 850–950^∘C ，流量 12000-15000m³/h（ （标准状态）），设计三级余热回收系统，以此实现能量梯度利用：

2.1.1 高温段（ 850–550^∘C ）

采用翅片管热管换热器（热管材质GH3039，翅片间距 8mm ，换热面积 250m² ），将烟气热量传递给转化炉进料（石脑油/水蒸汽混合物），进料预热温度从 280^∘C 提升至 420^∘C ，烟气温度下降至 <550^∘C ，此段余热回收率介于 45%-50% ，节省燃料消耗 12‰

2.1.2 中温段（ 550–220^∘C ）

配置板式换热器（板片材质316L，板间距 4mm ，换热面积 400m² ），预热助燃空气，空气温度从 25^∘C 上升至 320^∘C ，烟气温度下降至 220^∘C ，助燃空气预热后可使燃烧温度提升 180–220K ，热效率提高 3.5‰

2.1.3 低温段（ 220–60^∘C ）

采用冷凝式换热器（换热管材质Hastelloy C-276，管程流速 1.2m/s ，壳程流速 0.8m/s ），回收烟气中水蒸气潜热，加热除盐水（温度从 25^∘C 升至 95^∘C ），烟气温度下降至 <60^∘C ，此段回收潜热占总余热的 15%-18% ，系统总余热回收率 82‰ 。某化工园区 2× 300t/h 转化炉项目使用系统，单位产品能耗从 320kg 标煤/t 下降至 285kg 标煤/t，节约能源成本约 120万元/年[2]。

2.2 炉体保温结构强化

通过保温材料选型与结构优化控制炉体散热损失，将炉体表面温度控制在 ∠50^∘C （环境温度 25^∘C ），散热损失在总热量输入中占比 ‰

2.2.1 保温材料组合

采用“ 耐高温浇注料 + 纳米气凝胶毡 + 岩棉板” 复合结构，内层为高铝质浇注料（ Al₂O₃ 含量 270% ，体积密度 2.2g/cm³ ，最高使用温度 1400^∘C ，导热系数 0.12 W/（ m⋅K ）（ 800^∘C 时）），厚度 150mm ；中层为纳米气凝胶毡（SiO2 含量 295% ，体积密度 0.15g/cm³ ，最高使用温度 650^∘C ，导热系数 0.012 W/（ m⋅K ）（ 300^∘C 时）），厚度 50mm ；外层为离心玻璃棉板（密度 48kg/m³ ，导热系数 0.038 W/（ m⋅∇K ）（ 25^∘C 时），厚度 80mm ，总保温层厚度 280mm ，相比传统单一岩棉结构（厚度 400mm ），保温效果提升 40% 、体积缩减 30‰

2.2.2 优化密封结构

炉体法兰连接处采用金属缠绕垫片（材质 316L+ 石墨，压缩率15%-20% ，回弹率 240% ），配合螺栓预紧力矩控制（35-40 N·m）；炉门采用双道硅胶密封条（耐温 ≥250^∘C ，硬度 70±5 Shore A），结合气动压紧装置，控制密封泄漏率 ≤0.5m³/ （ mh ）。在某能源公司 100MW 燃气转化炉改造中，应用该保温结构后，炉体散热损失从原 8.5% 下降至 2.8% ，热效率提升 5.7% ，减少散热损失约 3.2GJ， 年。

2.3 智能燃烧控制系统集成

2.3.1 数据采集层

部署28 路传感器，包括电磁流量计（燃料流量测量精度 ±0.5% ，量程0-500m3/h ）、压力变送器（测量范围 0-2MPa ，精度± 0.075% ）、热电偶（K 型，测量范围 0-1300^∘C ，精度 ± 1.5°C ）、激光气体分析仪（ O₂ 测量精度 ±0.05% 体积分数，CO 测量精度 ±10mg/m³ ），数据采样频率 10Hz ，通过 Profinet 总线传输至控制器[3]。

2.3.2 闭环控制层

配置西门子S7-1500 PLC（控制周期0.1s），通过比例调节阀（流量调节精度± 0.2% ，响应时间≤1s）控制燃料流量，变频风机（调速范围 5-50Hz ，转速控制精度 ±1r/min ）调节空气流量，燃烧器伺服电机（定位精度 ± 0.1 ° ）调整旋流角度。在某石化公司 500kt/a 乙烯转化炉项目中，该系统投用后，热效率稳定在 92.5%93.8% （传统控制系统为 88%-90% ），负荷波动 ±10% 额定负荷时，系统响应时间 ≤3s ，参数超调量 ≤5% ，年减少天然气消耗约80 万 m³. 。

结束语

本次研究形成混合燃烧转化炉全流程优化方案，解决燃烧不稳、能耗高问题，优化后热效率、提升余热回收率，使散热损失降低。未来在开展相关研究过程中，可深化燃料预测模型，探索与碳捕集耦合，进一步助力工业节能低碳。

参考文献

[1]罗威，王敏，龙德林，等. 天然气净化厂 SCOT 尾气处理装置运行及优化[J/OL].石油与天然气化工，1-7[2025-08-16].

[2]缪晨，张利文，盛振兴，等. 以膜尾气替代天然气作为燃气轮机燃料的经济性分析[J].发电设备，2025，39（04）：257-261.

[3]姜景杰，赵维松，彭勇，等. 大型燃气加热转化炉系统热效率提升策略[J].工业锅炉，2020，（06）：38-40.