加熱爐燃燒器改造降低煙氣NOX排放

夏雋 毛哲

（中國石油大連石化公司）

0 引 言

大氣中NOX含量的增加，是形成PM2.5和霧霾的重要原因，NOX作為大氣的主要污染物之一，除一次污染物直接對(duì)環(huán)境、人體健康有害外，還會(huì)產(chǎn)生多種二次污染物。依據(jù)GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中要求，現(xiàn)有企業(yè)自2017年7月1日起執(zhí)行其標(biāo)準(zhǔn)排放限值，對(duì)現(xiàn)有和新建的石油化工過程中工藝加熱爐煙氣中NOX的排放濃度限值降為小于或等于150 mg／m3。

本項(xiàng)目針對(duì)大連石化公司450萬t／a常減壓蒸餾裝置（以下簡稱二蒸餾）加熱爐煙氣中NOX排放超標(biāo)的問題進(jìn)行改造，了解燃燒過程中NOX的生成機(jī)理和低氮燃燒器的燃燒技術(shù)，提出最佳的改造方案。

1 燃燒過程中NOX生成機(jī)理

絕大部分燃燒方式產(chǎn)生的NOX，NO占90%以上，其余為NO2［1］。理論上NOX的生成機(jī)理有三種：快速或直接轉(zhuǎn)化型、燃料轉(zhuǎn)化型、熱力型或熱轉(zhuǎn)化型［2］。

二蒸餾裝置加熱爐燃料為公司的管網(wǎng)瓦斯，由于氮含量很少，因此煙氣中NOX大多數(shù)為熱力型NOX。

熱力型或熱轉(zhuǎn)化型反應(yīng)式：

熱力型NOX的生成量和燃燒溫度關(guān)系很大，在溫度足夠高時(shí)，熱力型NOX的生成量可占到NOX總量的90%，隨著反應(yīng)溫度T的升高，其反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律增加。

當(dāng)T＜1 300℃［3］時(shí)，NOX的生成量不大，而當(dāng)T＞1 300℃時(shí)，T每增加100℃，NOX反應(yīng)速率增大6～7倍。

2 低氮燃燒器改造

2.1 改造方案

NOX控制技術(shù)可分為燃燒前、燃燒中和燃燒后處理三類。

對(duì)于二蒸餾裝置而言，其工藝爐外排煙氣中NOX為熱力型NOX，可以通過分級(jí)燃燒使煙氣中的NOX降低至100 mg／Nm3左右，即可以僅通過低氮燃燒技術(shù)滿足外排煙氣中NOX的排放標(biāo)準(zhǔn)，且低氮燃燒技術(shù)對(duì)鍋爐的改造量較小，改造工期短。

2.2 燃料分級(jí)和煙氣再循環(huán)技術(shù)

燃料分級(jí)是一種燃燒改進(jìn)技術(shù)，它用燃料作為還原劑來還原燃燒產(chǎn)物中的NOX。燃燒分級(jí)也可叫作“再燃燒”或“NO再燃燒”。燃料分級(jí)過程是：大部分燃料從燃燒器進(jìn)入一次燃燒區(qū)并造成富燃料狀態(tài)，而一小部分燃料，噴到攜NO的一次燃燒產(chǎn)物中，于是在一次燃燒區(qū)內(nèi)生成的NO在二次燃燒區(qū)大量地被烴根還原成氮分子。燃料分級(jí)再燃與還原NOX技術(shù)是降低NOX諸多方法中最有效的措施之一［4］。

煙氣再循環(huán)主要抑制熱力型NOX的生成，對(duì)溫度的影響大于氧分壓的影響［5］，楊偉杰［6］等對(duì)現(xiàn)有的燃燒器加入煙氣再循環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可有效降低NOX排放。

煙氣再循環(huán)分為內(nèi)部煙氣再循環(huán)與外部煙氣再循環(huán)。內(nèi)部煙氣再循環(huán)是指通過燃燒器與爐膛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得煙氣產(chǎn)生回流，在爐膛內(nèi)回流到燃燒區(qū)域參與反應(yīng)。外部煙氣再循環(huán)技術(shù)是指煙氣從鍋爐某一部位通過一個(gè)外部管道，在燃燒器入口與空氣混合，通過燃燒器重新加入到爐膛內(nèi)參與燃燒。

本次二蒸餾裝置加熱爐燃燒器改造，使用的是燃料分級(jí)和煙氣再循環(huán)相結(jié)合的技術(shù)。本次改造的低氮燃燒器的燃燒技術(shù)見圖1。

圖1 低氮燃燒器的燃燒技術(shù)

采用兩只獨(dú)立燃料槍將燃料分為兩部分進(jìn)入燃燒器，中心燃料槍在過量空氣中完成燃燒，大量的空氣會(huì)降低火焰中心的溫度，避免熱力型NOX的大量生成。外環(huán)燃料槍將燃料直接噴入爐膛，燃料在爐內(nèi)得到預(yù)熱的同時(shí)與氧含量較低的煙氣混合完成燃燒，在氧分壓低的環(huán)境下火焰溫度相應(yīng)的得到降低，也利于降低NOX的生成量。

耐火磚采用獨(dú)特的異型結(jié)構(gòu)，在耐火磚高出爐襯部分布置若干向上傾斜的斜坡，相鄰兩斜坡采用一大一小兩個(gè)傾斜角度。通過耐火磚的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使二級(jí)燃料形成分階段燃燒。

燃料配入形式和耐火磚的結(jié)構(gòu)構(gòu)成濃淡燃燒技術(shù)，空氣一次性配入，在火道內(nèi)少量燃料在大量空氣中燃燒，熱量被大量空氣帶走，在噴出火道磚時(shí)，剩余燃料噴入未燃盡的煙氣中耗盡其中的氧氣，減低氧分壓，減少多余氧氣與N2反應(yīng)的機(jī)會(huì)，減少NOX的生成。

燃燒器的二級(jí)燃料槍噴射的高速燃料射流使燃燒器火道磚處形成較強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，爐內(nèi)煙氣在此負(fù)壓的作用下，快速填充負(fù)壓區(qū)，將煙氣再循環(huán)引入到燃燒氣體中，惰性的煙氣冷卻火焰，降低氧分壓，并減少NOX排放。

3 改造實(shí)施情況

3.1 改造效果

改造前二蒸餾裝置加熱爐煙氣NOX濃度一般在200 mg／m3左右，更換28臺(tái)燃燒器后，經(jīng)環(huán)保檢測，加熱爐煙氣中NOX濃度均小于80 mg／m3，達(dá)到了改造目的和設(shè)計(jì)要求，改造后加熱爐煙氣濃度數(shù)據(jù)見表1。

表1 加熱爐改造后煙氣中NOX濃度

3.2 優(yōu)化操作

3.2.1 燃料性質(zhì)

圖2為氫氣含量對(duì)煙氣NOX排放的影響。

圖2 氫氣含量對(duì)煙氣NOX排放的影響

從圖2可看出，當(dāng)氫氣的含量增大時(shí)，對(duì)煙氣NOX排放的影響成增大的趨勢。

針對(duì)此情況，需盡量降低加熱爐燃料中氫氣的含量，優(yōu)化加熱爐的燃料組成，表2為優(yōu)化前后燃料組成情況，從表中可以看出，優(yōu)化后燃料的氫氣含量大幅降低。

表2 加熱爐燃料優(yōu)化前后瓦斯組成（體積百分比）%

3.2.2 煙氣中氧氣的濃度

圖3為煙氣中氧含量對(duì)煙氣NOX排放的影響，從圖3可看出，當(dāng)氧含量增大時(shí)，對(duì)煙氣NOX排放的影響呈增大的趨勢。

圖3 氧含量對(duì)煙氣NOX排放的影響

在加熱爐運(yùn)行過程中，隨著煙氣氧含量的減少，可以有效抑制NOX的生成。通過調(diào)節(jié)加熱爐煙道擋板和供風(fēng)擋板開度，在爐膛一定負(fù)壓的情況下，控制加熱爐氧含量在較低的范圍內(nèi)。

另外爐內(nèi)的氧含量過低時(shí)，會(huì)增加化學(xué)不完全燃燒的損失，使加熱爐的熱效率下降。因此對(duì)每臺(tái)加熱爐的風(fēng)門進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在處于最佳的燃燒狀態(tài)，圖4為燃燒器較為理想的燃燒狀態(tài)。

圖4 燃燒器燃燒狀態(tài)

4 結(jié) 論

通過研究燃燒過程中NOX生成機(jī)理，利用加熱爐新型燃燒器的燃料分級(jí)和煙氣再循環(huán)技術(shù)，可以在很大程度上控制爐膛內(nèi)部高溫燃燒區(qū)域NOX的生成。裝置加熱爐更換低氮燃燒器以及優(yōu)化加熱爐操作后，加熱爐煙氣NOX排放濃度低于100 mg／m3，滿足GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的排放要求，達(dá)到了預(yù)期的目的，取得了良好的效果，對(duì)降NOX減排量具有重大意義。