Un retrofit del bruciatore ha permesso di ottenere un funzionamento più robusto con emissioni ridotte di NOx da un forno di processo per il greggio.
Zeeco ha recentemente avuto l'opportunità di collaborare con una grande raffineria della costa del Golfo degli Stati Uniti per un progetto di retrofit dei bruciatori di un forno di processo per il riscaldamento del greggio. I bruciatori esistenti erano di tipo convenzionale e utilizzavano registri rotanti in acciaio al carbonio progettati per funzionare con aria di combustione a tiraggio forzato. Nel forno erano installati in totale 16 bruciatori, che utilizzavano un plenum d'aria comune.
La raffineria ha cercato di sostituire i bruciatori esistenti a causa di problemi operativi:
- I registri rotanti del bruciatore originale erano diventati inutilizzabili e si erano bloccati su un'unica impostazione.
- Anche dopo aver riportato i registri in condizioni operative, si congelavano di nuovo in breve tempo a causa dell'ossidazione del materiale in acciaio al carbonio nell'elevata umidità e salinità dell'aria della Costa del Golfo.
I bruciatori esistenti utilizzano un design a punte multiple per il funzionamento a gas e sono in grado di bruciare anche combustibili liquidi. Durante le discussioni che hanno preceduto l'inizio del progetto, la raffineria ha dichiarato che avrebbe eliminato la capacità di combustione di combustibili liquidi. La raffineria voleva inoltre utilizzare un nuovo design di bruciatore a gas combustibile che fosse più facile da mantenere e producesse meno NOx.
Durante il turnaround previsto per il progetto di retrofit non ci sarebbe stato tempo sufficiente per eseguire modifiche al pavimento del forno. Pertanto, la soluzione proposta non poteva comportare modifiche al pavimento e al refrattario del forno e i bruciatori di retrofit avrebbero dovuto adattarsi al montaggio dei bruciatori esistenti nel forno.
In sintesi, le principali priorità e gli obiettivi di progettazione per il retrofit del bruciatore del riscaldatore di greggio sono stati i seguenti:
- Utilizzare un registro del bruciatore da montare in un plenum d'aria comune.
- Il design del registro del bruciatore deve essere costruito con un materiale che resista alla ruggine nell'atmosfera della Costa del Golfo.
- Il registro dei bruciatori deve essere sufficientemente robusto da poter essere utilizzato in un futuro prevedibile senza che si verifichi un congelamento in loco.
- Il bruciatore fornito deve essere inserito nell'apertura del pavimento in refrattario del forno esistente senza alcuna modifica del pavimento.
- La raffineria ha preferito utilizzare la stessa quantità di bruciatori (16) per evitare modifiche al pavimento che avrebbero reso il progetto economicamente non fattibile.
- Il bruciatore deve essere di facile manutenzione per il personale addetto alle operazioni e alla manutenzione.
- Il bruciatore deve essere progettato in modo da garantire una certa riduzione delle emissioni di NOx rispetto ai bruciatori a emissioni convenzionali attualmente installati nel forno.
Dopo aver esaminato tutti i requisiti meccanici della raffineria, insieme a tutti i requisiti di processo per il funzionamento del bruciatore, il bruciatore GB Single Jet di Zeeco è stato scelto come la soluzione migliore.
Caratteristiche del design del bruciatore GB a getto singolo
Il bruciatore GB a getto singolo si basa su un progetto di bruciatore a emissioni convenzionali esistente, con l'incorporazione di aria e combustibile scaglionati e ricircolo interno dei gas di scarico (IFGR) per ridurre le emissioni. Il bruciatore utilizza un'unica punta di gas che si spara su un gruppo conico, ma invece di sparare sulla linea centrale del bruciatore, la punta e il cono sono sfalsati per sparare più vicino al diametro interno del tegolo del bruciatore (vedi Figura 1).
Figura 1. Gola del bruciatore di un tipico bruciatore GB Single Jet che mostra le diverse zone di aria di combustione e IFGR del bruciatore.
e le zone IFGR del bruciatore.
Il design sfalsato dell'ugello e del cono del gas consente al bruciatore di mettere in scena una percentuale dell'aria di combustione nella gola del bruciatore e di generare IFGR nella base della fiamma del bruciatore. La posizione del gruppo punta e cono del gas aumenta la quantità di IFGR e contribuisce a creare una zona di bassa pressione stabile per massimizzare la quantità di IFGR nella zona di combustione. L'introduzione dell'IFGR consente di ridurre drasticamente la temperatura di picco della fiamma nel nucleo della stessa. Come mostrato nella Figura 2, la riduzione della temperatura di picco della fiamma riduce le emissioni termiche di NOx. La configurazione del bruciatore GB a getto singolo, con design sfalsato, semplifica il funzionamento e la manutenzione e riduce le emissioni rispetto a un bruciatore a gas grezzo a emissioni convenzionali.
Figura 2. Temperatura di picco della fiamma in funzione della produzione termica di NOx.
Un'altra caratteristica progettuale del bruciatore GB Single Jet è la dimensione compatta dei componenti del bruciatore. La maggior parte dei bruciatori a basso NOx utilizza un numero elevato di punte di gas, una geometria complessa delle tegole e supporti di fiamma per fornire una fiamma stabile che soddisfi i requisiti di emissione. Il bruciatore GB utilizza un solo gruppo punta gas e cono per raggiungere i requisiti di emissione. Inoltre, la geometria delle piastrelle per questo bruciatore è normalmente una piastrella a lati diritti. Oltre a essere una forma di tegola più economica, l'ingombro della tegola è inferiore a quello richiesto per un tipico bruciatore a basso NOx. L'ingombro ridotto della tegola semplifica le applicazioni di retrofit nei montaggi dei bruciatori dei forni esistenti, eliminando la necessità di costose modifiche all'acciaio del pavimento e al refrattario.
Caratteristiche meccaniche del bruciatore - Design diverso del registro dell'aria
Dai colloqui con la raffineria, il principale elemento meccanico del bruciatore che richiedeva un aggiornamento del design e dei materiali di costruzione era il gruppo del registro dell'aria. Come indicato in precedenza, il gruppo di registro dell'aria rotante esistente si era bloccato in posizione, impedendo alla raffineria di far funzionare i bruciatori come previsto. Il personale di manutenzione della raffineria non aveva modo di controllare i bruciatori per ottenere un funzionamento efficiente a lungo termine del forno. Inoltre, i registri rotanti congelati rappresentavano un pericolo per la sicurezza, in quanto alcuni bruciatori avevano i registri rotanti congelati in una posizione in cui l'aria in ingresso al bruciatore era insufficiente per una combustione completa.
Dopo un incontro in loco con il personale della raffineria, il team di progettazione dei bruciatori di Zeeco ha scelto un registro dell'aria con palette di ingresso rotanti invece di registri rotanti per i bruciatori sostitutivi. La paletta di aspirazione rotante rappresentava il design migliore perché si inseriva nell'apertura del pavimento del forno esistente per il bruciatore e non si basava su un registro rotante montato su un registro dell'aria fisso. Le palette di aspirazione rotanti ruoterebbero attorno alla linea centrale della paletta su un cilindro fisso all'interno del plenum dell'aria comune. Questo cilindro fisso sarebbe stato saldato alla piastra frontale del bruciatore, dove sarebbero stati montati gli alberi del registro, i bracci di collegamento, gli ingranaggi e i cuscinetti dell'albero delle palette (vedi Figura 3).
Figura 3. Temperatura di picco della fiamma in funzione della produzione termica di NOx.
Per questo progetto sono state scelte sei alette d'ingresso, in quanto ciò fornisce l'area aperta ottimale per il flusso dell'aria di combustione e dell'aria in eccesso sufficiente a garantire la combustione completa del combustibile. Come illustrato nella Figura 3, il bruciatore è dotato di un'unica maniglia di smorzamento che consente la regolazione simultanea di tutte le palette di aspirazione del bruciatore. Ogni paletta di aspirazione è dotata di un albero di smorzamento saldato alla linea centrale della paletta, che sporge attraverso la piastra frontale del bruciatore. Ogni singolo albero della serranda è collegato alla maniglia della serranda mediante bracci di collegamento e ingranaggi. Ciascuna sporgenza dell'albero della serranda è inoltre dotata di un cuscinetto a baderna che può essere lubrificato per garantire un funzionamento regolare della serranda di ingresso delle palette per tutta la durata di vita del bruciatore. La Figura 4 mostra la vista dal basso della piastra frontale del bruciatore per illustrare ulteriormente la configurazione del registro di ingresso delle palette e dei bracci di collegamento che guidano il movimento del registro. È importante notare che questa è la vista della piastra frontale del bruciatore direttamente dal basso quando è montata nel gruppo del plenum dell'aria comune.
Figura 4. Vista della piastra frontale del bruciatore, vista dal basso quando è montata
nel gruppo del plenum dell'aria comune.
Tutti i registri di ingresso a palette possono essere azionati facilmente con il gruppo della maniglia della serranda singola in dotazione (vedere Figura 4). Il gruppo della maniglia della serranda è caricato a molla e può essere bloccato in posizione. La serranda ha 32 impostazioni individuali tra la massima apertura (impostazione numero 8) e la massima chiusura (impostazione numero 0). Ciò fornirebbe al personale operativo della raffineria un metodo migliore per controllare l'aria di combustione che entra nel bruciatore e le singole impostazioni bloccabili consentirebbero 52 Revamps 2017 www.eptq.com una coerenza nelle impostazioni del registro dell'aria di combustione di tutti i 16 bruciatori del forno.
Aggiornamento dei materiali di costruzione
Sebbene il design migliorato del registro del bruciatore, che utilizza un registro di ingresso a palette, fornisca una soluzione più robusta, la raffineria temeva comunque che, senza un aggiornamento dei materiali di costruzione, avrebbe potuto affrontare in futuro problemi simili di congelamento del registro. I registri rotanti dei bruciatori originali erano costruiti in acciaio fuso e lamiera di acciaio al carbonio. Nessuna delle due superfici era verniciata, poiché si trattava di componenti interni del bruciatore installati all'interno del plenum dell'aria comune esistente. Questo ha fatto sì che il design del registro del bruciatore esistente si ossidasse e arrugginisse nell'atmosfera ad alta umidità e salinità della Costa del Golfo degli Stati Uniti.
Dopo aver discusso con la raffineria, il team di progettazione del bruciatore ha scelto l'acciaio inox 304 come materiale di costruzione per il cilindro dell'aria stazionario, le palette di aspirazione e gli alberi delle serrande di aspirazione. L'acciaio inossidabile austenitico di questo tipo ha una resistenza intrinseca alla ruggine e all'ossidazione, che elimina la necessità di verniciare o rivestire i componenti interni del registro dell'aria di aspirazione a palette e riduce i costi di manutenzione in futuro.
Design del bruciatore a piastrelle per un facile retrofit
Il bruciatore GB a getto singolo ha dimensioni fisiche generalmente più ridotte rispetto ad altri bruciatori a basso o bassissimo NOx con lo stesso rilascio di calore e la stessa perdita di pressione lato aria. Le dimensioni del bruciatore si adattano facilmente alle dimensioni necessarie per il montaggio della piastra frontale del bruciatore sul plenum dell'aria comune.
Dopo aver esaminato l'installazione fisica dei bruciatori esistenti, il team di progetto ha deciso di riutilizzare la piastra di montaggio delle piastrelle già presente sul pavimento del forno. La piastra di montaggio esistente era dotata di linguette di allineamento che aiutavano a posizionare il cilindro fisso con i registri di ingresso delle palette in modo che fosse correttamente centrato rispetto all'apertura del pavimento del forno e alla piastrella del bruciatore.
L'unico problema che il team di progetto ha dovuto affrontare è che l'ingombro ridotto del bruciatore scelto implicava che, mentre il diametro esterno della tegola esistente era di circa 27 pollici, la tegola necessaria per i nuovi bruciatori avrebbe avuto un diametro esterno di soli 23 pollici. Anche con una piastrella più piccola, i bruciatori GB Single Jet utilizzerebbero la stessa perdita di carico del bruciatore esistente. Se si modificasse il diametro della gola del bruciatore per adattarlo alle dimensioni standard delle piastrelle, si ridurrebbe la caduta di pressione sul bruciatore, rendendo più difficile il controllo del flusso d'aria di combustione del bruciatore e dell'aria in eccesso. Per risolvere questo problema, il team ha deciso di realizzare la piastrella cilindrica dei bruciatori GB con uno spessore doppio rispetto a quello necessario per mantenere lo stesso diametro esterno della piastrella del bruciatore esistente. L'utilizzo di una piastrella più spessa consentirebbe alla raffineria di sostituire la piastrella del bruciatore esistente con la nuova piastrella del bruciatore senza dover apportare modifiche al pavimento del forno. Mantenere lo stesso diametro esterno della piastrella del bruciatore era necessario per completare il retrofit entro il periodo di tre settimane previsto per questo forno. I tempi stretti significavano che era necessario risparmiare tutto il tempo possibile nel progetto.
Un'altra area in cui la raffineria e il produttore di bruciatori hanno collaborato per ridurre il tempo necessario a riportare il forno al pieno funzionamento è stata il materiale refrattario delle piastrelle. Zeeco aveva previsto di utilizzare un materiale refrattario a base d'acqua al 60% di Al2 O3 (allumina) per le piastrelle del bruciatore. Sebbene questo materiale abbia una temperatura di servizio di 3.000 °F (1650°C), la raffineria temeva che il tempo di essiccazione necessario per raggiungere l'adesione ceramica del refrattario avrebbe ostacolato il tempo di raggiungimento del pieno carico nel forno dopo il completamento del turnaround. Il team di progetto ha scelto un materiale refrattario con legante fosfatico per il nuovo bruciatore. La piastrella del bruciatore a legante fosfatico ha lo stesso contenuto di allumina, 60% Al2 O3, e la stessa temperatura di servizio, 3000°F (1650°C), ma non richiede alcuna precottura del materiale refrattario una volta che è stato colato in forma. Il materiale legato al fosfato produce una reazione esotermica durante il processo di colata, e questa reazione esotermica riscalda il materiale refrattario fino al legame ceramico, cosicché la piastrella del bruciatore non richiede un ulteriore tempo di essiccazione. La temperatura del forno può essere aumentata dopo il turnaround in base ai requisiti di processo della raffineria.
Regolabilità del design a getto singolo GB
Una delle lezioni principali che il team di progetto ha appreso da precedenti installazioni di bruciatori in qualsiasi forno è che il bruciatore deve poter essere regolato meccanicamente una volta installato. La maggior parte delle raffinerie sceglie forni che sono in servizio da molti decenni. Mentre il personale operativo della raffineria è molto diligente nella manutenzione delle aree esterne del forno, le aree operative interne dei forni vengono ispezionate e mantenute solo durante i turnaround. La maggior parte di queste raffinerie pianificano ora le revisioni ogni 2-5 anni, per cui le opportunità di correggere eventuali danni alle aree interne sono ridotte.
Una sfida comune per il retrofit è che il refrattario a pavimento dei forni in funzione non è uniforme in ogni posizione del bruciatore. Nel corso di diversi decenni di servizio, i livelli di refrattario del pavimento possono degradarsi e solo alcune aree vengono parzialmente riparate durante le operazioni di ripristino. Di conseguenza, i team di progetto devono pianificare ed essere in grado di regolare meccanicamente ogni singolo bruciatore in base agli spessori specifici del refrattario in ogni punto del bruciatore. Se non è prevista una regolazione meccanica, non è possibile ottimizzare il funzionamento dei bruciatori per ottenere basse emissioni di NOx. Se le differenze di refrattario del forno sono troppo marcate, è possibile che venga compromesso anche il funzionamento stabile del bruciatore.
Il bruciatore GB Single Jet è dotato di tre aree di regolazione: la prima regolazione è costituita da una serie aggiuntiva di fori di montaggio sulla piastra frontale del bruciatore; la seconda regolazione è costituita da mozzi di montaggio per la colonna di gas combustibile principale e il pilota per la regolazione verticale; la terza regolazione è costituita da una piastra di montaggio scorrevole per la regolazione orizzontale della colonna di gas combustibile principale e del pilota.
Nella Figura 4 è facile vedere la posizione dei fori di montaggio aggiuntivi per la piastra frontale del bruciatore. Questa regolazione rappresenta una soluzione alla sfida che si presenta quando i bulloni di montaggio esistenti nel plenum dell'aria si danneggiano durante la rimozione dei bruciatori esistenti. Grazie alla presenza di una serie di fori di montaggio aggiuntivi sulla piastra anteriore, sfalsati di poco rispetto ai bulloni di montaggio esistenti, il personale addetto alla manutenzione può installare i nuovi bruciatori anche se si verifica questo problema. Invece di forare il bullone di montaggio esistente e danneggiato, è possibile installare un nuovo bullone di montaggio nella nuova posizione. È molto più rapido tranciare il bullone di montaggio esistente danneggiato e installare un nuovo bullone di montaggio piuttosto che riparare ogni bullone di montaggio danneggiato.
La seconda area di regolazione è rappresentata dall'inclusione di mozzi di montaggio e viti di fermo per regolare la posizione verticale della colonna principale del gas combustibile e del gruppo pilota. La Figura 5 mostra la posizione dei mozzi di montaggio e delle viti di fermo che possono essere allentate per facilitare la regolazione verticale.
Figura 5. Viti di fermo e regolazioni verticali del mozzo di montaggio per il gruppo montante principale del gas combustibile e il gruppo pilota.
Fornendo le viti di fermo e il mozzo di montaggio, è possibile attenuare gli effetti di aree irregolari del refrattario del pavimento o di pavimenti del riscaldatore deformati da decenni di servizio. In questo modo si assicura che la squadra di installazione possa impostare con precisione la posizione del gruppo cono, della punta del gas combustibile principale e della posizione del pilota per un funzionamento ottimale del bruciatore e una riduzione delle emissioni di NOx. Per evitare disallineamenti involontari durante le future attività di manutenzione, il produttore ha raccomandato alla raffineria di consentire alla squadra di installazione di saldare i mozzi di montaggio a un'impostazione statica una volta che ogni bruciatore è stato regolato correttamente durante il turnaround. Anche in questo caso, l'operazione avrebbe impedito lo spostamento verticale accidentale della colonna di gas combustibile, del gruppo cono e della posizione del pilota durante le future attività di manutenzione.
La terza area di regolazione è l'inclusione di una piccola piastra di montaggio del bruciatore e del pilota, dotata di fori asolati sulla piastra frontale del bruciatore. Ciò consente di regolare il meccanismo di accensione principale del bruciatore in direzione orizzontale senza modificare la geometria di accensione tra la colonna principale del gas combustibile, il gruppo cono e la posizione del pilota. La Figura 6 mostra questa piccola piastra di montaggio fornita sul bruciatore.
Figura 6. Riservo del gas combustibile del bruciatore e piastra di montaggio del pilota piastra di regolazione orizzontale.
Questa piastra anteriore più piccola attenua eventuali irregolarità nella posizione di montaggio nel plenum dell'aria comune rispetto alla posizione dell'apertura del pavimento del riscaldatore per il bruciatore. Se le due aperture nel plenum dell'aria comune e nel pavimento del riscaldatore non sono concentriche, è possibile allentare i dadi di montaggio della piastra anteriore più piccola e scorrevole per regolare l'alzata del gas, il gruppo cono e il pilota nella posizione corretta al diametro interno della tegola del bruciatore. Anche se il bruciatore funzionerà in modo soddisfacente con l'alzata del gas, il gruppo cono e il pilota posizionati lontano dal diametro interno della piastrella del bruciatore, il funzionamento in questo modo aumenterà le emissioni termiche di NOx, poiché il bruciatore avrà un IFGR ridotto alla base della fiamma del bruciatore. La regolazione illustrata nella Figura 6 consente la flessibilità necessaria per completare un retrofit in tempi brevi, con bruciatori distanziati dal piano del forno, senza sacrificare le prestazioni di NOx.
Facilità di manutenzione
L'ultimo elemento per il retrofit del bruciatore è stata la richiesta del raffinatore di utilizzare un bruciatore di facile manutenzione. Il design del GB Single Jet utilizza un unico gruppo di alimentazione del gas con punta di gas. Questo design è molto simile a quello dei bruciatori di emissioni convenzionali che sono tipicamente noti alla maggior parte del personale addetto alla manutenzione e alle operazioni di raffineria. Questo design simile rende più facile per il personale di manutenzione della raffineria utilizzare le procedure di pulizia esistenti. Lo smontaggio della colonna di gas combustibile si effettua facilmente rimuovendo i quattro dadi di montaggio e rimuovendo la colonna di gas combustibile dal bruciatore. La Figura 7 mostra l'elevatore del gas combustibile e la punta del gas che richiedono la manutenzione e la pulizia ordinaria.
Figura 7. La presenza di un'unica colonna di gas combustibile e di una punta di gas facilmente rimovibile riduce notevolmente i tempi di manutenzione rispetto a quelli necessari per la manutenzione di un bruciatore a più punte di gas a basse emissioni di NOx.
Conclusioni e lezioni apprese
Il retrofit è stato effettuato alla fine del 2016 e i bruciatori forniti hanno funzionato senza alcun problema meccanico. Il personale della raffineria è soddisfatto che i bruciatori abbiano fornito una soluzione più robusta con un funzionamento soddisfacente.
La raffineria è stata in grado di eseguire il retrofit del bruciatore entro il termine di tre settimane, con qualche giorno di anticipo. Non sono state necessarie modifiche al refrattario del pavimento e l'utilizzo dello spessore maggiorato della piastrella del bruciatore ha permesso di installare tutte le 16 piastrelle durante due turni di lavoro. La raffineria ha dovuto utilizzare circa il 25% dei fori di montaggio aggiuntivi sulla piastra frontale del bruciatore a causa di bulloni di montaggio danneggiati nel plenum dell'aria comune. Zeeco era presente sul posto durante la parte finale del turnaround per aiutare a regolare la posizione verticale e orizzontale della colonna di gas combustibile, del gruppo cono e del pilota per ottenere prestazioni ottimali ed emissioni termiche di NOx. Il feedback della raffineria indica che non c'è traccia di ruggine o ossidazione sui nuovi gruppi di registro di ingresso delle palette e il personale operativo è in grado di regolare facilmente i registri dell'aria di ingresso delle palette per ottenere prestazioni ottimali del bruciatore. Anche se la riduzione degli NOx era un requisito secondario, la raffineria riferisce che i nuovi bruciatori funzionano a metà delle emissioni storiche di NOx dei bruciatori precedenti. La raffineria è soddisfatta delle prestazioni del bruciatore, ha un bruciatore facile da usare e da mantenere e ha ridotto le emissioni termiche di NOx dal riscaldatore del greggio.
Ryan D Roberts è un ingegnere applicativo senior presso Zeeco, Inc. Ha trascorso gli ultimi 20 anni della sua carriera nel Gruppo Bruciatori e attualmente si concentra sul retrofit delle installazioni di bruciatori esistenti. Ha conseguito una laurea in ingegneria meccanica presso l'Università dell'Oklahoma.
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