La modernisation d'un brûleur a permis un fonctionnement plus robuste et une réduction des émissions de NOx d'un four de traitement du brut.
Zeeco a récemment eu l'occasion de travailler avec une grande raffinerie de la côte américaine du Golfe du Mexique sur un projet de modernisation des brûleurs d'un four de traitement du pétrole brut. Les brûleurs existants étaient des brûleurs à émissions conventionnelles utilisant des registres rotatifs en acier au carbone conçus pour fonctionner avec de l'air de combustion ambiant à tirage forcé. Au total, 16 brûleurs étaient installés dans le four, utilisant un plenum d'air commun.
La raffinerie a cherché à remplacer les brûleurs existants en raison de problèmes de fonctionnement :
- Les registres rotatifs du brûleur d'origine étaient devenus inopérants et étaient figés sur un seul réglage.
- Même après avoir remis les registres en état de fonctionnement, ils gelaient à nouveau en peu de temps en raison de l'oxydation du matériau en acier au carbone dans l'humidité et la salinité élevées de l'air de la côte du Golfe.
Les brûleurs existants utilisaient une conception à pointes multiples pour un fonctionnement au gaz, et pouvaient également brûler des combustibles liquides. Au cours des discussions qui ont précédé le début du projet, le raffineur a indiqué qu'il allait supprimer la possibilité de brûler des combustibles liquides. Le raffineur souhaitait également utiliser une nouvelle conception de brûleur à gaz combustible plus facile à entretenir et produisant moins de NOx.
Il n'y aurait pas assez de temps pendant la rotation prévue pour ce projet de modernisation pour effectuer des modifications du plancher du four. Par conséquent, la solution proposée ne pouvait pas impliquer de modifications du plancher et du réfractaire du four, et les brûleurs modernisés devaient s'adapter au montage existant du brûleur dans le four.
En résumé, voici les principales priorités et les objectifs de conception pour la modernisation du brûleur du réchauffeur de brut :
- Utiliser un registre de brûleur conçu pour être monté dans un plenum d'air commun.
- Le registre du brûleur doit être conçu dans un matériau qui résiste à la rouille dans l'atmosphère de la côte du Golfe.
- Le registre des brûleurs doit être suffisamment robuste pour pouvoir être exploité dans un avenir prévisible sans être gelé sur place.
- Le brûleur qui serait fourni doit s'adapter à l'ouverture du plancher réfractaire du four existant sans aucune modification du plancher.
- Le raffineur a préféré utiliser la même quantité de brûleurs (16) pour éviter toute modification du plancher qui rendrait le projet économiquement irréalisable.
- Le brûleur doit être facile à entretenir pour le personnel d'exploitation/de maintenance.
- Le brûleur doit être conçu pour permettre une certaine réduction des émissions de NOx par rapport aux brûleurs à émissions classiques actuellement installés dans le four.
Après avoir examiné toutes les exigences mécaniques du raffineur, ainsi que toutes les exigences du processus pour le fonctionnement du brûleur, le brûleur GB Single Jet de Zeeco a été sélectionné comme la meilleure solution.
Caractéristiques de la conception du brûleur à jet unique GB
Le brûleur GB Single Jet est basé sur la conception d'un brûleur existant à émissions conventionnelles, avec l'incorporation d'air et de combustible étagés, et la recirculation interne des gaz de combustion (IFGR) pour réduire les émissions. Le brûleur utilise un seul embout de gaz sur un cône, mais au lieu de tirer sur la ligne centrale du brûleur, l'embout et le cône sont décalés pour tirer plus près du diamètre intérieur de la tuile du brûleur (voir Figure 1).
Figure 1. Gorge de brûleur d'un brûleur GB Single Jet typique montrant les différentes zones d'air de combustion et d'IFGR du brûleur.
et IFGR du brûleur.
La conception de l'embout et du cône de gaz décalés permet au brûleur de mettre en scène un pourcentage de l'air de combustion dans la gorge du brûleur et de générer un IFGR dans la base de la flamme du brûleur. L'emplacement de l'ensemble pointe et cône de gaz augmente la quantité d'IFGR et aide à créer une zone de basse pression stable pour maximiser la quantité d'IFGR dans la zone de combustion. L'introduction de l'IFGR permet de réduire considérablement la température maximale de la flamme dans le cœur de la flamme. Comme le montre la figure 2, la réduction de la température de pointe de la flamme réduit les émissions thermiques de NOx. La configuration du brûleur GB Single Jet, avec sa pointe unique et sa conception décalée, simplifie le fonctionnement et la maintenance et réduit les émissions par rapport à un brûleur à gaz brut à émissions conventionnelles.
Figure 2. Température de pointe de la flamme en fonction de la production thermique de NOx.
Une autre caractéristique de conception du brûleur GB Single Jet est la taille compacte des composants du brûleur. La plupart des brûleurs à faibles émissions de NOx utilisent un grand nombre de becs de gaz, une géométrie complexe des tuiles et des porte-flammes afin de fournir une flamme de brûleur stable tout en respectant les exigences en matière d'émissions. Le brûleur GB n'utilise qu'une seule tête de gaz et un seul cône pour répondre aux exigences en matière d'émissions. De plus, la géométrie de la tuile pour ce brûleur est normalement une tuile à côtés droits. Outre le fait qu'il s'agit d'une forme de tuile plus rentable, l'empreinte de la tuile est plus petite que celle requise pour un brûleur typique à faibles émissions de NOx. L'empreinte plus petite de la tuile simplifie les applications de mise à niveau dans les montages de brûleurs de four existants en éliminant le besoin de modifications coûteuses de l'acier de plancher et du réfractaire.
Caractéristiques mécaniques du brûleur - Conception de différents registres d'air
D'après les discussions avec le raffineur, la principale caractéristique mécanique du brûleur dont la conception et les matériaux de construction devaient être améliorés était le registre d'air. Comme indiqué précédemment, le registre d'air rotatif existant s'était figé en position, empêchant le raffineur de faire fonctionner les brûleurs comme prévu. Le personnel d'entretien de la raffinerie n'avait aucun moyen de contrôler les brûleurs pour assurer un fonctionnement efficace et à long terme du four. En outre, les registres rotatifs gelés présentaient un risque pour la sécurité, car pour certains brûleurs, ils étaient dans une position telle que l'air entrant par le brûleur était insuffisant pour une combustion complète.
Après avoir rencontré le personnel de la raffinerie sur place, l'équipe de conception du brûleur Zeeco a choisi un registre d'air avec des ailettes d'entrée rotatives au lieu de registres rotatifs pour les brûleurs de remplacement. L'aube d'entrée rotative constituait la meilleure conception car elle s'insérait dans l'ouverture existante du plancher du four pour le brûleur et ne dépendait pas d'un registre rotatif monté sur un registre d'air stationnaire. Les aubes d'admission rotatives tourneraient autour de la ligne centrale de l'aube sur un cylindre stationnaire à l'intérieur du plenum d'air commun. Ce cylindre fixe serait soudé à la plaque frontale du brûleur, où seraient montés les arbres de registre, les bras de liaison, les engrenages de connexion et les paliers de l'arbre de l'aube (voir figure 3).
Figure 3. Température de pointe de la flamme en fonction de la production thermique de NOx.
Six aubes d'entrée ont été choisies pour cette conception, car elles offrent une surface ouverte optimale pour faire circuler suffisamment d'air de combustion et d'air excédentaire pour assurer une combustion complète du combustible. Comme le montre la figure 3, le brûleur est équipé d'une seule poignée de registre qui permet de régler simultanément toutes les ailettes d'entrée du brûleur. Chaque ailette d'entrée est munie d'un arbre de registre soudé à l'axe de l'ailette, et cet arbre de registre traverse la plaque avant du brûleur. Chaque arbre de registre est relié à la poignée du registre par des bras de liaison et des engrenages. Chaque saillie de l'arbre de l'amortisseur est également munie d'un palier à garniture qui peut être lubrifié pour assurer le bon fonctionnement de l'amortisseur d'entrée des ailettes pendant toute la durée de vie du brûleur. La Figure 4 montre une vue de dessous de la plaque avant du brûleur pour illustrer la configuration du registre d'entrée des ailettes et des bras de liaison qui entraînent le mouvement du registre. Il est important de noter qu'il s'agit de la vue de la plaque avant du brûleur vue directement du bas lorsqu'elle est montée dans le plénum d'air commun.
Figure 4. Vue de la plaque frontale du brûleur, telle qu'elle est vue d'en bas lorsqu'elle est montée sur
dans l'ensemble du plenum d'air commun.
Tous les registres d'entrée à palettes peuvent être actionnés facilement à l'aide de la poignée unique fournie (voir Figure 4). La poignée de l'amortisseur est à ressort et peut être verrouillée en place. Le registre a 32 réglages individuels entre l'ouverture totale (réglage 8) et la fermeture totale (réglage 0). Le personnel d'exploitation de la raffinerie disposerait ainsi d'une meilleure méthode pour contrôler l'air de combustion entrant dans le brûleur, et les réglages individuels verrouillables permettraient 52 Revamps 2017 www.eptq.com d'uniformiser les réglages du registre d'air de combustion des 16 brûleurs du four.
Mise à niveau des matériaux de construction
Bien que la conception améliorée du registre du brûleur utilisant le registre d'entrée à ailettes offre une solution plus robuste, la raffinerie craignait toujours de devoir faire face à des problèmes similaires de gel du registre à l'avenir si elle n'améliorait pas les matériaux de construction. Les registres rotatifs d'origine du brûleur étaient construits en acier moulé et en tôle d'acier au carbone. Aucune des surfaces n'était peinte, car il s'agissait de composants de brûleurs internes installés dans le plénum d'air commun existant. De ce fait, les registres de brûleurs existants s'oxydaient et rouillaient dans l'atmosphère très humide et saline de la côte du Golfe des États-Unis.
Après des discussions avec le raffineur, l'équipe de conception du brûleur a choisi l'acier inoxydable 304 comme matériau de construction pour le cylindre d'air stationnaire, les aubes d'entrée et les arbres d'amortissement des aubes d'entrée. L'acier inoxydable austénitique de ce type présente une résistance inhérente à la rouille et à l'oxydation, ce qui évite de devoir peindre ou revêtir l'un des composants du registre d'air d'entrée des aubes internes et réduit les coûts de maintenance à l'avenir.
Conception de la tuile du brûleur pour une mise à niveau facile
Le brûleur GB Single Jet est généralement plus petit en taille physique que d'autres brûleurs à faible ou ultra faible teneur en NOx avec le même dégagement de chaleur et la même chute de pression côté air. Cette taille de brûleur correspond facilement aux dimensions de montage nécessaires pour la plaque avant du brûleur sur le plénum d'air commun.
Après avoir examiné l'installation physique des brûleurs existants, l'équipe de projet a décidé de réutiliser la plaque de montage des carreaux déjà en place sur le plancher du four. Des languettes d'alignement avaient été installées sur cette plaque de montage pour aider à positionner le cylindre fixe avec les registres d'entrée des palettes de manière à ce qu'ils soient correctement centrés par rapport à l'ouverture du plancher du four et à la dalle du brûleur.
Le seul problème auquel l'équipe de projet a été confrontée était que l'empreinte plus petite du brûleur choisi signifiait que le diamètre extérieur de la dalle existante était d'environ 27 pouces, alors que la dalle requise pour les nouveaux brûleurs n'aurait qu'un diamètre extérieur de 23 pouces. Même avec une dalle de brûleur plus petite, les brûleurs GB Single Jet utiliseraient la même perte de charge que le brûleur existant. Si des modifications étaient apportées au diamètre de la gorge du brûleur pour permettre l'utilisation d'une tuile de taille standard, cela réduirait la chute de pression à travers le brûleur, rendant plus difficile le contrôle du débit d'air de combustion du brûleur et de l'excès d'air. Afin de résoudre ce problème, l'équipe a décidé de doubler l'épaisseur de la dalle cylindrique des brûleurs GB pour conserver le même diamètre extérieur que celui de la dalle existante. L'utilisation d'une dalle de brûleur plus épaisse permettrait à la raffinerie de remplacer la dalle de brûleur existante par la nouvelle dalle de brûleur sans avoir à modifier le plancher du four. Il était nécessaire de conserver le même diamètre extérieur de la dalle de brûleur pour réaliser la modernisation dans le délai de trois semaines imparti pour ce four. Le calendrier serré dans son ensemble signifiait que tout le temps qui pouvait être gagné dans le projet devait l'être.
Un autre domaine dans lequel la raffinerie et le fabricant de brûleurs ont collaboré pour réduire le temps nécessaire à la remise en service du four a été le matériau réfractaire utilisé pour la construction des tuiles. Zeeco avait prévu d'utiliser un matériau réfractaire à base d'eau contenant 60 % d'Al2 O3 (alumine) pour les tuiles du brûleur. Bien que ce matériau ait une température de service de 1650°C (3000°F), la raffinerie craignait que le temps de séchage nécessaire pour obtenir une liaison céramique du matériau réfractaire n'entrave le temps nécessaire pour atteindre la pleine charge du four après la fin de la révision. L'équipe de projet a choisi un matériau réfractaire à liant phosphate pour la nouvelle dalle de brûleur. Le carreau de brûleur à liant phosphate a la même teneur en alumine, 60% Al2 O3, et la même température de service, 3000°F (1650°C), mais il ne nécessite pas de précuisson du matériau réfractaire une fois qu'il a été coulé en forme. Le matériau lié au phosphate produit une réaction exothermique pendant le processus de coulée, et cette réaction exothermique chauffe le matériau réfractaire jusqu'à la liaison céramique, de sorte que la tuile de brûleur n'a pas besoin d'un temps de séchage supplémentaire. La température du four peut être augmentée après la révision en fonction des exigences du processus de la raffinerie.
Ajustement de la conception du jet unique GB
L'une des principales leçons que l'équipe du projet a tirées des précédentes modernisations de brûleurs dans n'importe quel four est qu'il doit y avoir une certaine possibilité de réglage mécanique du brûleur une fois qu'il est installé. La plupart des raffineries choisissent des fours qui ont été en service continu pendant plusieurs décennies. Bien que le personnel d'exploitation de la raffinerie soit très attentif à l'entretien des zones externes du four, les zones de fonctionnement internes des fours ne sont inspectées et entretenues que lors des révisions. La plupart de ces raffineries planifient désormais des révisions tous les 2 à 5 ans, ce qui réduit les possibilités de corriger tout dommage aux zones internes.
Un défi commun à la rénovation est que le réfractaire de plancher des fours en service n'est pas uniforme à chaque emplacement de brûleur. Au cours de plusieurs décennies de service, les niveaux de réfractaires de plancher peuvent se dégrader, et seules certaines zones sont partiellement réparées lors des révisions. Par conséquent, les équipes de projet doivent prévoir et être en mesure d'ajuster mécaniquement chaque brûleur individuel aux épaisseurs de réfractaire spécifiques à chaque emplacement de brûleur. Si aucun ajustement mécanique n'est prévu, il est alors impossible d'optimiser le fonctionnement des brûleurs pour obtenir de faibles émissions de NOx. Si les différences de réfractaires du four sont trop importantes, il est possible que le fonctionnement stable du brûleur soit également affecté.
Le brûleur GB Single Jet possède trois zones de réglage : le premier réglage est un ensemble supplémentaire de trous de montage sur la plaque avant du brûleur ; le deuxième réglage est constitué de moyeux de montage pour la colonne montante de gaz combustible principal et la veilleuse pour un réglage vertical ; et le troisième réglage est une plaque de montage coulissante pour un réglage horizontal de la colonne montante de gaz combustible principal et de la veilleuse.
Sur la Figure 4, il est facile de voir l'emplacement des trous de montage supplémentaires pour la plaque avant du brûleur. Ce réglage permet de résoudre le problème posé par les boulons de montage existants dans le plénum d'air, qui ont été endommagés lors du retrait des brûleurs existants. En incluant un ensemble supplémentaire de trous de montage sur la plaque avant, décalés d'un petit angle par rapport aux boulons de montage existants, le personnel de maintenance peut installer les nouveaux brûleurs même si ce problème se produit. Au lieu de percer le boulon de montage existant et endommagé, un nouveau boulon de montage peut être installé dans le nouvel emplacement. Il est beaucoup plus rapide de cisailler le boulon de montage existant endommagé et d'installer un nouveau boulon de montage que de réparer chaque boulon de montage endommagé.
Le deuxième domaine de réglage est l'inclusion de moyeux de montage et de vis de réglage pour ajuster l'emplacement vertical de la colonne montante principale de gaz combustible et de la veilleuse. La figure 5 montre l'emplacement des moyeux de montage et des vis de réglage qui peuvent être desserrées pour faciliter le réglage vertical.
Figure 5. Vis de réglage et ajustements verticaux du moyeu de montage pour la colonne montante de gaz combustible principal et l'ensemble de la veilleuse.
En fournissant les vis de réglage et le moyeu de montage, il est possible d'atténuer les effets des zones inégales du plancher réfractaire ou des planchers de chauffage déformés par des décennies de service. Cela permet à l'équipe d'installation de régler avec précision l'emplacement de l'assemblage du cône, du bec de gaz combustible principal et de la veilleuse pour un fonctionnement optimal du brûleur et une réduction des émissions de NOx. Afin d'éviter tout désalignement accidentel lors de futures activités de maintenance, le fabricant a recommandé au raffineur de permettre à l'équipe d'installation de souder par points les moyeux de montage à un réglage statique une fois que chaque brûleur a été réglé correctement lors de la révision. Une fois de plus, cela permettrait d'éviter tout mouvement vertical accidentel de la colonne montante de gaz combustible, de l'assemblage du cône et de l'emplacement du pilote lors des futures activités de maintenance.
Le troisième domaine de réglage est l'inclusion d'une petite plaque de montage de la colonne montante de gaz combustible et de la veilleuse du brûleur qui comporte des trous oblongs sur la plaque avant du brûleur. Cela permet d'ajuster le mécanisme d'allumage principal du brûleur dans la direction horizontale sans modifier la géométrie d'allumage entre la colonne montante principale de gaz combustible, l'assemblage du cône et l'emplacement du pilote. La figure 6 montre cette petite plaque de montage prévue sur le brûleur.
Figure 6. Plaque de réglage horizontal de la colonne montante du brûleur et de la veilleuse.
Cette plaque avant plus petite atténue les irrégularités de l'emplacement de montage dans le plenum d'air commun par rapport à l'emplacement de l'ouverture du plancher du foyer pour le brûleur. Si les deux ouvertures du plénum d'air commun et du plancher chauffant ne sont pas concentriques, les écrous de montage de la plaque frontale coulissante plus petite peuvent être desserrés pour ajuster la colonne montante de gaz, le cône et la veilleuse à l'emplacement approprié du diamètre intérieur de la tuile du brûleur. Bien que le brûleur puisse fonctionner de manière satisfaisante avec la colonne montante, le cône et la veilleuse éloignés du diamètre intérieur de la dalle du brûleur, ce fonctionnement augmentera les émissions de NOx thermiques car le brûleur aura un IFGR réduit dans la base de la flamme du brûleur. L'ajustement illustré à la figure 6 offre la flexibilité nécessaire pour effectuer une mise à niveau dans les espaces de brûleurs existants dans le plancher d'un four dans un court laps de temps, mais sans sacrifier les performances de NOx.
Facilité d'entretien
Le dernier élément de la modernisation du brûleur était une demande du raffineur d'utiliser un brûleur facile à entretenir. Le modèle GB Single Jet utilise une seule colonne montante de gaz avec un embout de gaz. Cette conception est très similaire aux brûleurs d'émissions conventionnels qui sont généralement connus de la plupart du personnel de maintenance et d'exploitation des raffineries. Cette conception similaire permet au personnel de maintenance de la raffinerie d'utiliser plus facilement les procédures de nettoyage existantes. Le démontage de la colonne montante de gaz combustible s'effectue facilement en retirant quatre écrous de montage et en retirant la colonne montante de gaz combustible du brûleur. La figure 7 montre la colonne montante de gaz combustible et le bec de gaz qui nécessitent un entretien et un nettoyage de routine.
Figure 7. Le fait de disposer d'une seule colonne montante et d'un seul embout de gaz combustible facilement démontables réduit considérablement le temps de maintenance nécessaire par rapport au temps de maintenance d'un brûleur à embouts multiples à faibles émissions de NOx.
Conclusion et enseignements tirés
La modernisation a été effectuée fin 2016 et les brûleurs fournis ont fonctionné sans aucun problème mécanique. Le personnel de la raffinerie est satisfait que les brûleurs aient fourni une solution plus robuste avec un fonctionnement satisfaisant.
La raffinerie a pu procéder à la modernisation du brûleur dans le délai de trois semaines, avec quelques jours d'avance. Aucune modification du sol réfractaire n'a été nécessaire et l'utilisation de l'épaisseur accrue de la dalle du brûleur a permis d'installer les 16 dalles en deux équipes de travail. La raffinerie a dû utiliser environ 25 % des trous de montage supplémentaires sur la plaque frontale du brûleur en raison de boulons de montage endommagés dans le plenum d'air commun. Zeeco était sur place pendant la dernière partie de la révision pour aider à ajuster l'emplacement vertical et horizontal de la colonne montante de gaz combustible, de l'assemblage du cône et du pilote pour obtenir des performances optimales et des émissions thermiques de NOx. Les réactions du raffineur indiquent qu'il n'y a aucune trace de rouille ou d'oxydation sur les nouveaux registres d'entrée des palettes, et le personnel d'exploitation est en mesure de régler facilement les registres d'entrée d'air des palettes pour obtenir des performances optimales du brûleur. Même si la réduction des NOx était une exigence secondaire, la raffinerie signale que les nouveaux brûleurs fonctionnent avec la moitié des émissions de NOx historiques des brûleurs précédents. La raffinerie est satisfaite des performances du brûleur, dispose d'un brûleur facile à utiliser et à entretenir, et a réduit les émissions thermiques de NOx provenant du réchauffeur de brut.
Ryan D. Roberts est ingénieur d'application principal chez Zeeco, Inc. Il a passé les 20 dernières années de sa carrière dans le groupe des brûleurs et se concentre actuellement sur la modernisation des installations de brûleurs existantes. Il est titulaire d'une licence en génie mécanique de l'université d'Oklahoma.
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