버너 개조는 원유 공정로에서 NOx 배출을 줄임으로보다 강력한 작동을 제공했습니다.
Zeeco 최근 미국 걸프 코스트의 대형 정유 공장과 협력하여 원유 히터 공정로를위한 버너 개조 프로젝트를 진행할 수있는 기회를 가졌습니다. 기존 버너는 주변의 강제 연소 공기에서 작동하도록 설계된 탄소강 로터리 레지스터를 사용하는 기존의 배출 설계였습니다. 용광로에는 총 16 개의 기존 버너가 설치되어 일반적인 공기 플레넘을 사용했습니다.
정유 공장은 운영 문제로 인해 기존 버너를 교체하려고했습니다.
- 원래의 버너 로터리 레지스터는 작동 할 수 없게되었고 한 세트에서 얼어 붙었습니다.
- 레지스터를 작동 가능한 상태로 되돌린 후에도 걸프 코스트 공기의 높은 습도와 염분에서 산화되는 탄소강 재료로 인해 단기간에 다시 얼어 붙습니다.
기존 버너는 가스 발사 작업을 위해 다중 팁 디자인을 사용했으며 액체 연료를 발사 할 수있는 기능도 갖추고있었습니다. 프로젝트 시작 전에 논의하는 동안 정제기는 액체 발사 기능을 제거 할 것이라고 지적했습니다. 정련기는 또한 유지보수가 쉽고 NOx를 적게 생산하는 새로운 연료 가스 버너 디자인을 사용하기를 원했습니다.
이 개조 프로젝트가 용광로에 바닥 수정을 수행 할 예정이었던 계획된 처리 시간 동안 시간이 충분하지 않을 것입니다. 따라서 제안 된 솔루션은 히터 바닥 및 내화물 수정을 포함 할 수 없으며 개조 버너는 용광로에 장착 된 기존 버너를 장착해야합니다.
요약하면, 다음은 원유 히터 버너 개조의 주요 우선 순위 및 설계 목표였습니다.
- 일반적인 공기 플레넘에 장착되는 버너 레지스터 디자인 사용
- 이 버너 레지스터 디자인은 걸프 코스트 대기에서 녹슬지 않는 재료로 구성되어야합니다.
- 버너 레지스터는 제자리에 동결되지 않고 가까운 장래에 작동 할 수 있도록 충분히 견고해야합니다.
- 공급 될 버너는 바닥 수정없이 기존 용광로 내화 바닥 개구부에 맞아야합니다.
- 프로젝트를 경제적으로 실현 불가능하게 만드는 바닥 수정을 방지하기 위해 동일한 양의 버너 (16)를 사용하는 것이 정련업자의 선호였습니다.
- 버너는 운영 / 유지보수 인력을 위해 유지보수가 쉬워야합니다.
- 버너는 현재 용광로에 설치된 기존의 기존 배출 버너에 비해 NOx 배출량을 약간 줄이도록 설계되어야합니다.
버너 작동에 대한 모든 프로세스 요구 사항과 함께 정련기의 모든 기계적 요구 사항을 검토 한 후 GB 단일 제트 버너에서 Zeeco 최상의 솔루션으로 선정되었습니다.
GB 단일 제트 버너 디자인 기능
GB 단일 제트 버너는 기존의 기존 배출 버너 설계를 기반으로하며, 배기 가스를 줄이기 위해 단계적 공기, 단계적 연료 및 내부 연도 가스 재순환 (IFGR)을 통합합니다. 버너는 콘 어셈블리에서 단일 가스 팁 발사를 사용하지만 버너의 중심선에서 발사하는 대신 팁과 원뿔이 오프셋되어 버너 타일의 내부 직경에 더 가깝게 발사됩니다 (그림 1 참조).
그림 1. 다른 연소 공기를 보여주는 전형적인 GB 단일 제트 버너의 버너 목구멍
버너의 IFGR 영역.
오프셋 가스 팁과 콘 설계는 버너가 버너 인후에서 연소 공기의 일정 비율을 스테이징하고 버너 화염의 바닥으로 IFGR을 생성 할 수있게합니다. 가스 팁과 콘 어셈블리의 위치는 IFGR의 양을 증가시키고 연소 구역으로의 IFGR의 양을 최대화하기 위해 안정적인 저압 영역을 만드는 데 도움이됩니다. IFGR의 도입으로 화염 코어의 피크 화염 온도를 극적으로 줄일 수 있습니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 피크 화염 온도를 낮추면 열 NOx 방출이 감소합니다. GB 단일 제트 버너 구성의 단일 팁, 오프셋 설계는 작동 및 유지보수를 단순화하고 기존 배출 버너와 비교할 때 배출을 줄입니다.
그림 2. 최고 화염 온도 vs 열 NOx 생산
GB 단일 제트 버너의 또 다른 디자인 특징은 버너 구성 요소의 컴팩트 한 크기입니다. 대부분의 낮은 NOx 버너는 더 많은 수의 가스 팁, 복잡한 타일 지오메트리 및 화염 홀더를 사용하여 여전히 배출 요구 사항을 충족하는 안정적인 버너 화염을 제공합니다. GB 버너는 단일 가스 팁과 콘 어셈블리만 사용하여 배기가스 배출 요구 사항을 충족합니다. 또한 이 버너의 타일 지오메트리는 일반적으로 직선 타일입니다. 보다 비용 효율적인 타일 모양일 뿐만 아니라, 일반적인 낮은 NOx 버너에 필요한 것보다 작은 타일 풋프린트입니다. 타일 풋프린트가 작을수록 고가의 바닥강과 내화물 개조가 필요 없어 기존 용광로 버너 마운팅에 대한 개조 작업을 간소화할 수 있습니다.
버너의 기계적 특징 - 다른 공기 레지스터 디자인
정련사와의 논의에서 설계 및 건축 자재의 업그레이드가 필요한 버너의 주요 기계적 특징은 공기 레지스터 어셈블리였습니다. 앞서 지적했듯이, 기존의 회전식 공기 레지스터 어셈블리는 제자리에 고정되어 정련기가 설계된 대로 버너를 작동시키지 못하게 되었습니다. 정유 공장의 유지보수 인력은 용광로의 장기적이고 효율적인 작동을 달성하기 위해 버너를 제어 할 방법이 없었습니다. 또한 냉동 로터리 레지스터는 일부 버너가 버너를 통해 유입되는 완전 연소를 위해 공기가 충분하지 않은 위치에서 회전 레지스터가 얼어 붙었 기 때문에 안전 위험을 초래했습니다.
정유 공장 직원과 현장에서 만난 후, Zeeco 버너 설계 팀은 교체 버너를위한 회전 레지스터 대신 회전식 입구 베인이있는 공기 레지스터를 선택했습니다. 회전식 입구 베인은 버너용 기존 용광로 바닥 개구부에 적합하고 고정식 공기 레지스터에 장착된 회전 레지스터에 의존하지 않았기 때문에 최상의 설계를 제공했습니다. 회전식 입구 베인은 공통 공기 플레넘 내부의 고정 실린더에서 베인의 중심선을 중심으로 회전합니다. 이 고정식 실린더는 버너 전면 플레이트에 용접되어 레지스터 샤프트, 연결 암, 연결 기어 및 베인 샤프트 베어링이 장착됩니다(그림 3 참조).
그림 3. 최고 화염 온도 vs 열 NOx 생산
이 설계를 위해 여섯 개의 입구 베인이 선택되었는데, 이는 연료의 완전한 연소를 보장하기 위해 충분한 연소 공기와 과도한 공기를 흐르게 하는 최적의 개방 영역을 제공했기 때문입니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 버너에 단일 댐퍼 핸들이 설치되어 버너의 모든 레지스터 입구 베인을 동시에 조정할 수 있습니다. 각 입구 베인에는 베인 중심선에 용접되는 댐퍼 샤프트가 있으며,이 댐퍼 샤프트는 버너 프론트 플레이트를 통해 투영됩니다. 각 개별 댐퍼 샤프트는 연결 암과 기어를 사용하여 댐퍼 핸들에 연결됩니다. 각 댐퍼 샤프트 돌출부에는 버너의 수명 동안 베인 입구 댐퍼의 원활한 작동을 보장하기 위해 윤활 할 수있는 패킹 베어링이 있습니다. 도 4는 레지스터의 이동을 구동하는 베인 입구 레지스터와 연계 암들의 구성을 더 예시하기 위해 버너 전면판의 바닥도를 도시한다. 이것은 일반적인 공기 플레넘 어셈블리에 장착 될 때 아래에서 직접 올려다 보는 버너 전면 플레이트의 뷰라는 점에 유의해야합니다.
그림 4. 장착 시 아래에서 볼 수 있는 버너 전면 플레이트 보기
일반적인 공기 플레넘 어셈블리로.
모든 베인 입구 레지스터는 제공된 단일 댐퍼 핸들 어셈블리로 쉽게 작동할 수 있습니다(그림 4 참조). 댐퍼 핸들 어셈블리는 스프링이로드되어 제자리에 잠글 수 있습니다. 댐퍼에는 완전 개방(설정 번호 8)과 완전 폐쇄(설정 번호 0) 사이에 32개의 개별 설정이 있습니다. 이를 통해 정유 공장의 운영 인력에게 버너로 유입되는 연소 공기를 제어하는 더 나은 방법을 제공 할 수 있으며 개별 잠금 가능한 설정을 통해 용광로에있는 모든 16 버너의 연소 공기 레지스터 설정의 일관성을 위해 52 Revamps 2017 www.eptq.com 을 유지할 수 있습니다.
건축 자재로 업그레이드
베인 입구 레지스터를 사용하여 향상된 버너 레지스터 설계가보다 강력한 솔루션을 제공하지만, 정유 공장은 건설 자재를 업그레이드하지 않고도 향후 유사한 레지스터 동결 문제에 직면 할 수 있다고 우려했습니다. 원래의 버너 로터리 레지스터는 주강 및 탄소강 판금으로 제작되었습니다. 두 표면 모두 기존의 공통 공기 플레넘 내부에 설치된 내부 버너 구성 요소이기 때문에 도색되지 않았습니다. 이로 인해 기존의 버너 레지스터 디자인은 미국 걸프 코스트의 높은 습도와 염분 분위기에서 산화되고 녹슬었습니다.
정련사와 논의 한 후, 버너 설계 팀은 고정 공기 실린더, 입구 베인 및 입구 베인 댐퍼 샤프트의 건설 재료로 304 스테인레스 스틸을 선택했습니다. 이 유형의 오스테 나이트 계 스테인레스 스틸은 녹 및 산화에 대한 고유 한 내성을 가지고있어 내부 베인 입구 공기 레지스터 구성 요소를 페인트 또는 코팅 할 필요가 없으며 향후 유지보수 비용을 절감 할 수 있습니다.
쉬운 개조를 위한 버너 타일 디자인
GB 단일 제트 버너는 일반적으로 동일한 열 방출 및 공기 측 압력 강하를 갖는 다른 낮은 NOx 또는 초저 NOx 버너보다 물리적 크기가 작습니다. 이 버너 크기는 버너 전면 플레이트에 필요한 장착 치수를 일반적인 에어 플레넘과 쉽게 일치시킵니다.
기존 버너의 물리적 설치를 검토 한 후, 프로젝트 팀은 용광로 바닥에 이미 배치 된 기존 타일 장착 플레이트를 재사용하기로 결정했습니다. 이 기존 타일 장착 플레이트는 고정 실린더를 베인 입구 레지스터와 함께 배치하여 용광로 바닥 개구부 및 버너 타일에 대해 적절하게 중앙에 배치하는 데 도움이되는 정렬 탭을 설치했습니다.
프로젝트 팀이 직면 한 유일한 문제는 선택한 버너의 작은 풋 프린트가 기존 타일의 외부 직경이 약 27in이지만 새 버너에 필요한 버너 타일은 23in의 외부 직경 만 가질 수 있다는 것을 의미했습니다. 더 작은 버너 타일을 사용하더라도 GB Single Jet 버너는 기존 버너와 동일한 양의 압력 강하를 사용합니다. 표준 타일 크기를 사용하여 수용하기 위해 버너 목구멍의 직경을 변경하면 버너 전체의 압력 강하가 줄어들어 버너 연소 공기 흐름과 과도한 공기를 제어하기가 더 어려워집니다. 이 문제를 해결하기 위해 팀은 GB 버너의 원통형 버너 타일을 기존 버너 타일과 동일한 외부 직경을 유지하는 데 필요한 것보다 두 배 더 두껍게 만들기로 결정했습니다. 더 두꺼운 버너 타일을 사용하면 정유 공장이 용광로 바닥에 수정이 필요없는 기존 버너 타일을 새로운 버너 타일로 대체 할 수 있습니다. 버너 타일의 동일한 외부 직경을 유지하면이 용광로에 할당 된 세 주간의 처리 기간 내에 개조를 완료해야했습니다. 전반적으로 빡빡한 일정은 프로젝트에 저장할 수있는 모든 시간을 저장해야한다는 것을 의미했습니다.
정유 공장과 버너 제조업체가 용광로를 완전히 작동시키는 데 필요한 시간을 줄이기 위해 함께 작업 한 추가 영역 중 하나는 타일 내화 재료 건설이었습니다. Zeeco 버너 타일에 수계 60%Al2O3(알루미나) 내화물을 사용할 계획이었다. 이 재료는 3000 ° F (1650 ° C)의 서비스 온도를 가지고 있지만, 정유 공장은 내화물의 세라믹 본드에 도달하는 데 필요한 건조 시간이 턴어라운드가 완료된 후 용광로의 최대 부하에 도달하는 시간을 방해 할 것이라고 우려했습니다. 프로젝트 팀은 새로운 버너 타일을위한 인산염 접합 내화물을 선택했습니다. 인산염 접합 버너 타일은 동일한 알루미나 함량, 60 %Al2O3 및 동일한 서비스 온도 인 3000 ° F (1650 ° C)를 갖지만 모양으로 주조 된 후 내화 물질을 사전 소성 할 필요가 없습니다. 인산염 접합 물질은 주조 공정 동안 발열 반응을 일으키며,이 발열 반응은 내화물을 세라믹 결합으로 가열하여 버너 타일이 추가적인 건조 시간을 필요로하지 않도록합니다. 용광로 온도는 정유 공장의 공정 요구 사항에 따라 처리 후 증가 할 수 있습니다.
GB 단일 제트 설계의 조정 가능성
프로젝트 팀이 이전의 버너 개조를 통해 모든 용광로에 개조하여 배운 주요 교훈 중 하나는 버너가 설치되면 버너의 기계적 조정 가능성이 있어야한다는 것입니다. 대부분의 정유 공장은 수십 년 동안 지속적으로 사용되어 온 개조를 위해 용광로를 선택합니다. 정유 공장 운영 인력은 용광로의 외부 영역을 유지하는 데 매우 부지런하지만 용광로의 내부 작동 영역은 턴어라운드 중에만 검사되고 유지됩니다. 이 정유 공장의 대부분은 현재 2-5 년마다 턴어라운드를 계획하고 있으므로 내부 영역에 대한 손상을 시정 할 수있는 기회가 줄어 듭니다.
일반적인 개조 문제는 수술로의 바닥 내화물이 각 버너 위치에도 있지 않다는 것입니다. 수십 년 동안 서비스를 통해 바닥 내화 수준이 저하 될 수 있으며 일부 영역 만 처리 기회 중에 부분적으로 수리됩니다. 결과적으로 프로젝트 팀은 각 버너 위치에서 특정 내화 두께에 맞게 각 개별 버너를 계획하고 기계적으로 조정할 수 있어야 합니다. 기계적 조정이 제공되지 않으면 버너의 작동을 최적화하여 낮은 NOx 배출을 달성 할 수 없습니다. 용광로 내화 차이가 너무 심하면 버너의 안정적인 작동에도 영향을 줄 수 있습니다.
GB 단일 제트 버너에는 세 가지 조정 영역이 있습니다 : 첫 번째 조정은 버너 전면 플레이트에 장착 구멍의 추가 세트입니다. 두 번째 조정은 주 연료 가스 라이저 및 수직 조정을위한 파일럿을위한 장착 허브입니다. 세 번째 조정은 주 연료 가스 라이저 및 파일럿의 수평 조정을위한 슬라이딩 장착 플레이트입니다.
그림 4에서는 버너 전면 플레이트에 대한 추가 장착 구멍의 위치를 쉽게 확인할 수 있습니다. 이러한 조정을 갖는 것은 공기 플레넘의 기존 장착 볼트가 기존 버너를 제거하는 동안 손상되었을 때 제기되는 도전에 대한 해결책을 제공한다. 기존 장착 볼트로부터 작은 각도로 오프셋되는 전면판에 추가 장착 구멍 세트를 포함함으로써, 유지보수 담당자는 이러한 문제가 발생하더라도 새로운 버너를 설치할 수 있다. 기존의 손상된 장착 볼트를 뚫는 대신 새로운 장착 볼트를 새 위치에 설치할 수 있습니다. 기존의 손상된 장착 볼트를 전단하고 손상된 모든 장착 볼트를 수리하는 것보다 새로운 장착 볼트를 설치하는 것이 훨씬 빠릅니다.
조정 가능성의 두 번째 영역은 주 연료 가스 라이저 및 파일럿 어셈블리의 수직 위치를 조정하기 위해 장착 허브와 세트 나사를 포함하는 것입니다. 그림 5는 쉬운 수직 조정을 위해 느슨하게 할 수 있는 장착 허브와 세트 나사의 위치를 보여줍니다.
그림 5. 주 연료 가스 라이저 및 파일럿 어셈블리를 위한 나사 및 장착 허브 수직 조정을 설정합니다.
세트 나사와 장착 허브를 제공함으로써 수십 년간의 서비스에서 뒤틀린 바닥 내화물 또는 히터 바닥의 고르지 않은 영역의 영향을 완화 할 수 있습니다. 이를 통해 설치 팀은 최적의 버너 작동을 위해 콘 어셈블리, 주 연료 가스 팁 및 파일럿 위치를 정확하게 설정하고 NOx 배출을 줄일 수 있습니다. 향후 유지보수 활동 중에 의도하지 않은 정렬 불량을 방지하기 위해 제조업체는 처리 중에 각 버너가 올바르게 설정되면 설치 팀이 장착 허브를 정적 설정으로 용접할 수 있도록 정련기를 허용할 것을 권장합니다. 다시 말하지만, 그렇게하면 향후 유지보수 활동 중에 연료 가스 라이저, 콘 어셈블리 및 파일럿 위치의 우발적 인 수직 이동을 방지 할 수 있습니다.
조정 가능성의 세 번째 영역은 버너 전면 플레이트에 구멍이 뚫린 작은 버너 연료 가스 라이저와 파일럿 장착 플레이트를 포함하는 것입니다. 이를 통해 버너의 주 발사 메커니즘을 주 연료 가스 라이저, 콘 어셈블리 및 파일럿 위치 사이의 소성 형상을 변경하지 않고 수평 방향으로 조정할 수 있습니다. 그림 6은 버너에 제공된 이 작은 장착 플레이트를 보여줍니다.
그림 6. 버너 연료 가스 라이저 및 파일럿 장착 플레이트 수평 조정 플레이트.
이 더 작은 전면 플레이트는 버너의 히터 바닥 개구부의 위치와 비교하여 공통 공기 플레넘의 장착 위치의 불규칙성을 완화합니다. 공통 에어 플레넘 및 히터 바닥의 두 개의 개구부가 동심원이 아닌 경우 더 작고 슬라이딩 프론트 플레이트의 장착 너트를 느슨하게하여 가스 라이저, 콘 어셈블리 및 파일럿을 버너 타일의 내부 직경의 적절한 위치로 조정할 수 있습니다. 버너는 버너 타일의 내부 직경에서 멀리 떨어진 가스 라이저, 콘 어셈블리 및 파일럿으로 만족스럽게 작동하지만, 버너가 버너 화염의 바닥으로 IFGR을 감소 시키므로 열 NOx 배출이 증가합니다. 그림 6에 표시된 조정을 제공하면 NOx 성능을 저하시키지 않으면서 짧은 시간 내에 용광로 바닥의 기존 버너 간격에 대한 개조를 완료하는 데 필요한 유연성을 확보할 수 있습니다.
유지보수의 용이성
버너 개조의 마지막 항목은 유지보수가 쉬운 버너를 활용하라는 정련사의 요청이었습니다. GB 단일 제트 설계는 가스 팁이 있는 단일 가스 라이저 어셈블리를 사용합니다. 이 설계는 대부분의 정유 공장 유지보수 및 운영 담당자에게 일반적으로 익숙한 기존의 배출 버너와 매우 유사합니다. 이와 유사한 설계로 정유 공장 유지보수 담당자가 기존 청소 절차를 더 쉽게 활용할 수 있습니다. 연료 가스 라이저의 제거는 네 개의 장착 너트를 제거하고 버너에서 연료 가스 라이저를 제거함으로써 쉽게 수행 할 수 있습니다. 그림 7은 일상적인 유지보수 및 청소가 필요한 연료 가스 라이저 및 가스 팁을 보여줍니다.
그림 7. 탈착이 간편한 단일 연료 가스 라이저와 가스 팁을 제공하면 여러 가스 팁의 낮은 NOx 배출 버너를 유지하는 데 필요한 유지보수 시간이 크게 단축됩니다.
결론과 교훈
개조는 2016 년 말에 수행되었으며 제공된 버너는 기계적 문제없이 작동했습니다. 정유 공장 직원은 버너가 만족스러운 작동으로보다 강력한 솔루션을 제공했다는 것에 만족합니다.
정유 공장은 며칠을 남겨두고 삼 주간의 처리 시간 내에 버너 개조를 수행 할 수있었습니다. 바닥 내화물에 대한 수정이 필요하지 않았으며 버너 타일의 두께를 늘리면 두 번의 교대 작업 중에 16 개의 타일을 모두 설치할 수있었습니다. 정유 공장은 일반적인 공기 플레넘의 장착 볼트가 손상되어 버너 전면판에 추가 장착 구멍의 약 25 %를 활용해야했습니다. Zeeco 최적의 성능과 열 NOx 배출을 위해 연료 가스 라이저, 콘 어셈블리 및 파일럿의 수직 및 수평 위치를 조정하는 데 도움이되는 턴어라운드의 최종 부분 동안 현장에 있었다. 정련기의 피드백은 새로운 베인 입구 레지스터 어셈블리에 녹이나 산화의 증거가 없음을 나타내며 운영 담당자는 최적의 버너 성능을 위해 베인 입구 공기 레지스터를 쉽게 조정할 수 있습니다. NOx 감소가 부차적 인 요구 사항 이었지만 정유 공장은 새로운 버너가 이전 버너의 과거 NOx 배출량의 절반으로 작동하고있다고보고하고 있습니다. 정련제는 버너 성능에 만족하고, 작동 및 유지보수가 용이한 버너를 가지며, 원유 히터로부터의 열 NOx 배출을 감소시켰다.
Ryan D Roberts는 선임 애플리케이션 엔지니어입니다. Zeeco, 주식 회사 그는 버너 그룹에서 지난 20 년 동안 경력을 쌓았으며 현재 기존 버너 설치의 개조에 중점을두고 있습니다. 그는 오클라호마 대학교에서 기계 공학 학사 학위를 취득했습니다.
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