連續(xù)重整圓筒爐低NOx 燃燒器升級(jí)改造應(yīng)用

蔣國權(quán)

（中石油云南石化有限公司，云南 昆明650300）

云南石化240 萬t/a 連續(xù)重整裝置共設(shè)置5 臺(tái)圓筒爐，分別為石腦油加氫進(jìn)料加熱爐F-0105、石腦油加氫汽提塔底重沸爐F-0102、 石腦油分餾塔底重沸爐F-0103、重整脫戊烷塔底重沸爐F-0205、二甲苯塔底重沸爐F-0401。 該5 臺(tái)圓筒爐采用聯(lián)合煙道布置，共用一套煙氣余熱回收系統(tǒng)，由山東三維石化工程股份有限公司工程設(shè)計(jì)與制造， 采用洛陽瑞昌石油化工設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)低NOx燃燒器，5 臺(tái)圓筒爐共計(jì)58 臺(tái)燃燒器（F-0101～F-0103 設(shè)計(jì)各10臺(tái)，F(xiàn)-0205 設(shè)計(jì)12 臺(tái)，F(xiàn)-0401 設(shè)計(jì)16 臺(tái)）。

因5 臺(tái)圓筒爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷相差較大、 燃燒器設(shè)置與爐膛空間存在差異， 導(dǎo)致裝置投料試車初期的操作調(diào)整過程中爐膛負(fù)壓、 氧含量等工藝參數(shù)相互影響， 尤其在設(shè)計(jì)熱負(fù)荷較小的F-0101～F-0103時(shí)，工藝參數(shù)波動(dòng)較為頻繁，主要表現(xiàn)為爐膛底部負(fù)壓波動(dòng)范圍大（-320～78 Pa），并伴隨微正壓工況出現(xiàn)，氧含量階躍波動(dòng)且范圍較寬（0.1%～8%）；當(dāng)單臺(tái)加熱爐爐膛負(fù)壓波動(dòng)時(shí)相鄰加熱爐爐膛負(fù)壓也跟隨波動(dòng)； 調(diào)整單臺(tái)加熱爐負(fù)荷時(shí)燃燒器頻繁出現(xiàn)脫火、熄火現(xiàn)象；增點(diǎn)燃燒器困難且容易熄滅；調(diào)整一次風(fēng)門過程相鄰燃燒器出現(xiàn)火焰發(fā)飄， 輻射室頂部出現(xiàn)二次燃燒，加劇爐膛負(fù)壓波動(dòng)；熱負(fù)荷高的加熱爐波動(dòng)時(shí)， 低熱負(fù)荷的加熱爐爐膛出現(xiàn)正壓回火等現(xiàn)象，直接影響加熱爐安全運(yùn)行。 同時(shí)燃燒器燃燒不穩(wěn)定，氧含量波動(dòng)大，煙氣中CO 含量高，過?？諝庀禂?shù)偏高，整個(gè)圓筒爐操作成為裝置節(jié)能降耗、長周期運(yùn)行調(diào)整的瓶頸。

1 低NOx 燃燒器燃燒不穩(wěn)定原因分析

石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[1]要求工藝加熱爐煙氣中NOx排放限制為100 mg/m3。 因此，加熱爐設(shè)計(jì)過程燃燒器必須選用低氮燃燒技術(shù)[2]。裝置原設(shè)計(jì)低氮燃燒是通過燃燒器的燃料分級(jí)燃燒和煙氣回流循環(huán)技術(shù)來降低火焰中心溫度，減少熱力學(xué)NOx的生成。

低NOx燃燒器原設(shè)計(jì)一般適用于爐膛溫度大于630 ℃以上的燃燒條件。 當(dāng)爐膛溫度在500～600 ℃區(qū)間時(shí)，燃料氣在燃燒過程中未充分燃燒，煙氣中產(chǎn)生大量CO。 未完全燃燒的CO 在爐膛內(nèi)開始聚集，與過剩氧接觸過程中， 遇到燃燒火焰鋒面的高溫（CO 著火點(diǎn)618 ℃）達(dá)到可燃條件，在爐膛內(nèi)產(chǎn)生二次燃燒。 反應(yīng)過后爐膛內(nèi)氧含量迅速減少，爐膛負(fù)壓增大，CO 再次聚集，周而復(fù)始，惡性循環(huán)。 此時(shí)，爐膛內(nèi)溫度和煙氣量發(fā)生較大變化，引起爐膛負(fù)壓波動(dòng)，甚至爐內(nèi)微正壓。 加熱爐爐膛空間小，對(duì)爐內(nèi)煙氣量的變化越敏感，爐子的負(fù)壓波動(dòng)越劇烈，最終導(dǎo)致燃燒器脫火、熄火的現(xiàn)象發(fā)生。

燃料氣組分與設(shè)計(jì)組成偏差也會(huì)導(dǎo)致低氮燃燒器燃燒不穩(wěn)定。 實(shí)際生產(chǎn)過程中燃料組成主要成分為甲烷，甲烷火焰?zhèn)鞑ニ俣仍谌剂辖M分中相對(duì)較慢，甲烷的火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.769 m/s，且甲烷的可燃范圍窄，僅為5%～15%。 此外，燃料中氫含量由設(shè)計(jì)組成值32%減少到10%以下，也直接影響火焰區(qū)溫度和燃燒速度。

2 燃燒器升級(jí)改造方案

鑒于實(shí)際運(yùn)行過程中圓筒爐爐膛溫度長期在630 ℃以下， 為了減少低NOx燃燒器在低爐溫條件下的燃燒不充分現(xiàn)象，需要通過強(qiáng)化燃料分級(jí)燃燒，提高燃燒器中心火焰溫度，減少CO 生成量。

主要改造方案如下：

（1）增加燃燒器中心穩(wěn)焰槍（頂部帶有穩(wěn)焰罩），目的是提高燃燒器中心火焰溫度， 使分級(jí)燃燒過程中形成的CO 進(jìn)行充分燃燒。

（2）新設(shè)計(jì)更換燃燒器底部中心封板，保證中心穩(wěn)焰槍安裝過程中準(zhǔn)確定位。

（3）變更現(xiàn)場燃料輸送管分支設(shè)計(jì)三通為四通，為中心穩(wěn)焰槍接入燃料， 同時(shí)增加中心穩(wěn)焰槍燃料連接用金屬軟管。

（4）更換新型穩(wěn)定長明燈。

進(jìn)行升級(jí)改造的低NOx燃燒器如圖1 所示。

圖1 燃燒器升級(jí)改造示意圖

3 燃燒器改造實(shí)施

重整聯(lián)合裝置5 臺(tái)圓筒爐分批次更換， 煙氣NOx排放達(dá)到環(huán)保要求后再更換下一批。同時(shí)在燃燒器更換過程中避免引發(fā)爐子回火、熄火等事故，確保爐子安全平穩(wěn)運(yùn)行。 部門制訂詳細(xì)的燃燒器更換方案，按要求逐一對(duì)稱更換，在施工過程中戴好防燙手套和全封閉面罩，現(xiàn)場作業(yè)視頻監(jiān)控、安全管理旁站監(jiān)督，保證施工作業(yè)安全受控。 具體更換時(shí)間如下：

（1）2018 年3 月F-0102 對(duì)稱改造5 臺(tái)燃燒器。

（2）2018 年7 月F-0101、F-0103 分別對(duì)稱改造5 臺(tái)，共10 臺(tái)燃燒器。

（3）2018 年10 月底F-0401、F-0205 全部燃燒器28 臺(tái)，F(xiàn)-0101、F-0102、F-0103 剩余15 臺(tái)， 共計(jì)43 臺(tái)燃燒器升級(jí)改造完成。

4 燃燒器升級(jí)改造實(shí)施效果評(píng)估

（1）圓筒爐低氮燃燒器升級(jí)改造后煙氣中NOx滿足環(huán)保排放要求，且大幅降低煙氣中CO 含量。

通過表1 可以看出，圓筒爐升級(jí)改造后，排放煙氣中CO 含量由1 834 mg/m3降低至13 mg/m3，煙氣中NOx含量改造前后無明顯變化， 完全滿足煙氣NOx排放限制100 mg/m3的指標(biāo)。

（2）圓筒爐低氮燃燒器升級(jí)改造后加熱爐燃燒工況得到明顯改善。 燃料氣爐前壓力有效降低，操作壓力由0.14 MPa 降至（0.1±0.01）MPa。爐膛溫度降低且均勻分布，解決爐膛內(nèi)煙氣二次燃燒的問題，有效控制爐膛負(fù)壓波動(dòng)、燃燒器脫火熄火等瓶頸問題。 升級(jí)改造前后加熱爐運(yùn)行狀況對(duì)比見表2。

（3）圓筒爐低氮燃燒器升級(jí)改造后各加熱爐燃料氣用量在相同負(fù)荷條件下降低明顯（見表3）。

（4）裝置綜合能耗得到不同程度的改善。 以石腦油加氫裝置能耗分析， 燃料氣單耗占綜合能耗的80%。 燃料器升級(jí)改造后燃料氣單耗和裝置綜合能耗大幅下降，變化趨勢如圖2 所示。 燃料氣耗量降低的原因分析為：

表1 燃燒器升級(jí)改造前后圓筒爐煙氣組成對(duì)比

表2 燃燒器升級(jí)改造前后加熱爐運(yùn)行狀況對(duì)比

表3 燃燒器升級(jí)改造前后燃料氣耗量對(duì)比（加工負(fù)荷相同）

①燃燒器升級(jí)改造前，由于燃燒不穩(wěn)定，為維持燃燒相對(duì)穩(wěn)定，圓筒爐氧含量控制4%～5%，改造后氧含量控制1.5%～2.5%，有效提高加熱爐熱效率。

②燃燒器改造后，燃料氣燃燒完全，煙氣排放中不含CO，保證環(huán)保達(dá)到排放，有效降低燃料氣消耗。

圖2 石腦油加氫燃料氣單耗和綜合能耗趨勢圖

5 結(jié)論

（1）低NOx燃燒器升級(jí)改造后，爐膛內(nèi)燃燒工況得到明顯改善，消除爐膛內(nèi)煙氣二次尾燃隱患，使?fàn)t膛負(fù)壓控制穩(wěn)定，保障加熱爐安全運(yùn)行。

（2）低NOx燃燒器升級(jí)改造后，加熱爐排放煙氣中NOx含量遠(yuǎn)低于100 mg/m3的環(huán)保排放要求。

（3）低NOx燃燒器升級(jí)改造后，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)燃燒器穩(wěn)定運(yùn)行，消除燃燒器容易脫火、熄火的隱患，爐膛溫度降低且分布更為均勻。

（4）低NOx燃燒器升級(jí)改造后，降低加熱爐煙氣中氧含量控制，有效降低過剩空氣系數(shù)，節(jié)約燃料消耗，降低裝置綜合能耗。