熱媒爐氮氧化物排放影響因素分析及改造

李建波 虞小三 夏東平 金小林

(中國石化上海石油化工股份有限公司滌綸部，上海 200540)

氮氧化物(NOx)是形成光化學(xué)煙霧、酸雨以及臭氧層破壞的主要污染物，隨著全球大氣污染問題日益嚴(yán)重，工業(yè)排放NOx已被列為重點控制污染物。NOx指的是只由氮、氧兩種元素組成的化合物，如一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、三氧化二氮(N2O3)、四氧化二氮(N2O4)和五氧化二氮(N2O5)等。除NO和NO2以外，其他NOx均不穩(wěn)定，遇光、濕或熱變成NO及NO2，NO又變?yōu)镹O2，NOx都具有不同程度的毒性，人長期接觸會造成肺部疾病。此外，當(dāng)NOx與大氣中的水分接觸后，會發(fā)生反應(yīng)，形成硝酸與亞硝酸，與降水接觸形成酸雨，對建筑物、農(nóng)作物及土壤有嚴(yán)重的危害。酸雨可以侵蝕大理石與金屬，對建筑、文物古跡等造成破壞。同時，酸雨溶解后的金屬會被農(nóng)作物吸收，間接對人體與動物的健康產(chǎn)生影響[1]。

熱媒爐系統(tǒng)是聚酯連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵加熱設(shè)備，主要由熱媒供給、熱媒加熱和熱媒換熱組成。熱媒爐內(nèi)的多組熱媒盤管采用燃燒燃料加熱，為聚酯裝置提供熱量，通常配有微機和自動控制儀表來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化[2]。熱媒爐是熱媒間接加熱系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的直接加熱爐相比，具有熱效率高、安全性好等優(yōu)點。熱媒爐以煙煤、重油、輕油、可燃?xì)怏w為燃料，導(dǎo)熱油為有機熱載體，燃料在爐內(nèi)通過燃燒器燃燒，產(chǎn)生的熱量以對流和輻射的形式傳遞給導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油在熱媒泵的驅(qū)動下，在換熱器內(nèi)換熱后再次返回?zé)崦奖?。工藝流程為：通過熱媒爐將液相熱媒加熱到工藝要求的溫度，然后通過熱媒泵將加熱后的熱媒供給用戶，熱媒介質(zhì)經(jīng)各用戶換熱后變?yōu)槔錈崦?。中國石化上海石油化工股份有限公司滌綸部2號聚酯熱媒爐的熱負(fù)荷為50 GJ/h。2017—2018年期間，進行廢水化學(xué)耗氧量、廢氣揮發(fā)性有機化合物處理系統(tǒng)的改造，在目前燃?xì)鈼l件下，NOx排放量為80.0 mg/m3,燃?xì)饬繛?00.0 m3/h。燃燒往往伴隨著復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，而NOx的生成量與熱媒爐的運行工況緊密相關(guān)。從NOx生成機理來看，燃燒生產(chǎn)的NOx主要可分為燃料型、熱力型和快速型，燃料型NOx由含氮化合物經(jīng)過熱分解和氧化而來，快速型NOx由N2與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)并進一步氧化生成，熱力型NOx是N2在高溫環(huán)境下氧化生成的NOx。聚酯熱媒爐燃燒的組分主要為天然氣，因此主要考慮熱力型(溫度型)NOx的生成機理[3]，其產(chǎn)生的NOx主要含有95%的NO和5%的NO2，除此之外還有少量的N2O和其他氮氧化合物。

原蘇聯(lián)學(xué)者Zeldovich于1946年提出熱力型NOx生成機理。該理論認(rèn)為熱力型NOx生成主要受溫度影響，溫度與熱力型NOx的生成速率幾乎呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而與氮濃度、氧濃度的平方根成正比。在一定時間內(nèi)反應(yīng)氣體在高溫區(qū)的停留時間也與混合氣體中NOx的濃度成正比，當(dāng)反應(yīng)時間達到一定值時NOx反應(yīng)達到動態(tài)平衡。氧氣與N2反應(yīng)比氧氣與可燃成分反應(yīng)更困難，因此火焰燃燒區(qū)不會發(fā)生NOx反應(yīng)，而是在火焰前端的高溫區(qū)域進行。可主要通過以下方法控制熱力型NOx的生成量：降低燃燒反應(yīng)溫度、減少高溫區(qū)的氧濃度、縮短氣體在高溫燃盡區(qū)的滯留時間，這些措施又會造成燃料燃燒的不充分，導(dǎo)致熱媒爐排放氣中氧氣濃度升高，降低熱媒爐的燃燒效率。

根據(jù)上海市發(fā)布的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/387—2018)中鍋爐大氣污染物排放限值(第二階段)的相關(guān)要求，燃?xì)忮仩t污染物中NOx限值為50.0 mg/m3。本項目為了適應(yīng)此標(biāo)準(zhǔn)而實施[4]。

1 改造原理

對熱媒爐進行改造,改造分為兩部分。第一部分，在空預(yù)器空氣側(cè)增加冷空氣輸送旁路(如圖1所示)，運行時通過調(diào)節(jié)旁路上的冷空氣閥門開度控制冷空氣進氣量，將空氣預(yù)熱器的熱風(fēng)和旁路的冷空氣混合，降低助燃風(fēng)溫度，降低空氣中氮氣被氧化的量，從而降低NOx的排放[5]。第二部分，增加水蒸氣系統(tǒng)(如圖1所示)。水蒸氣降低NOx的技術(shù)原理是將水蒸氣分散到助燃風(fēng)內(nèi)，可燃?xì)怏w在摻混了水蒸氣的空氣中燃燒，因為空氣中摻混水蒸氣導(dǎo)致燃燒區(qū)域空氣中的氧體積分?jǐn)?shù)降低，可以使燃燒速度變慢，同時在火焰區(qū)域因為比常規(guī)燃燒多出了一部分蒸汽，可以使火焰的溫度降低，從而降低煙氣中的NOx[6]。在不改變現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，可利用現(xiàn)有燃燒器一個觀火孔或火檢的位置，放置一根蒸汽槍。根據(jù)現(xiàn)有燃燒器的結(jié)構(gòu)，放置蒸汽槍后，更換點火槍，調(diào)整火檢的位置，增大點火槍的火焰強度，以利于火檢裝置對火焰的監(jiān)控。點火槍需要提供0.6 MPa的壓縮空氣，空氣流量為20.0 m3/h[5]。

圖1 熱媒爐改造簡圖

2 項目調(diào)試和影響因素分析

將熱媒爐升至正常運行的負(fù)荷，熱媒爐可燃?xì)怏w流量為900 m3/h。通過調(diào)節(jié)冷風(fēng)旁通閥門開度、空氣預(yù)熱器閥門開度、煙氣外循環(huán)閥門開度和水蒸氣通入量，記錄不同工況下剩余氧氣的體積分?jǐn)?shù)和NOx的排放數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)水蒸氣流量時，若有較大的水蒸氣壓力波動，有可能導(dǎo)致火焰報警[7]。

2.1 冷風(fēng)旁通閥門開度對燃燒效果及NOx質(zhì)量濃度的影響

冷風(fēng)旁通閥門開度對燃燒效果及NOx質(zhì)量濃度的影響見圖2所示。

圖2 冷風(fēng)旁通閥門開度對燃燒效果及NOx質(zhì)量濃度的影響

在其他幾個影響因素一定的情況下，設(shè)置冷風(fēng)旁通閥門為15%、20%、25%、30%、35%、40%，進行熱媒爐調(diào)試，測試?yán)滹L(fēng)旁通閥門開度對燃燒效果的影響。

從圖2可以看出：隨著冷風(fēng)旁通閥門開度的增加，爐子排放的NOx呈逐漸下降趨勢。這是由于隨著冷風(fēng)通入量的增加，熱媒爐燃燒器火焰燃燒溫度下降，導(dǎo)致助燃風(fēng)中被氧化的氮氣量減少，從而使NOx的排放量減少。而另一方面，爐子排放的氧體積分?jǐn)?shù)呈上升趨勢，這是由于隨著冷風(fēng)量的增加，火焰溫度下降，導(dǎo)致燃燒不充分，熱媒爐燃燒效率下降，從而使?fàn)t子排放煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)上升。當(dāng)閥門開度為30%時，NOx排放曲線與氧的體積分?jǐn)?shù)曲線相交，此時閥門開度最佳，在降低NOx排放的同時，也保證了熱媒爐的燃燒效率。

2.2 空氣預(yù)熱器閥門開度對燃燒效果及NOx質(zhì)量濃度的影響

空氣預(yù)熱器閥門開度對燃燒效果及NOx質(zhì)量濃度的影響見圖3所示。

由上文可知，當(dāng)冷風(fēng)旁通閥門開度為30%時，熱媒爐燃燒效果最佳。因此，在此基礎(chǔ)上設(shè)置空氣預(yù)熱器閥門開度為75%、80%、85%、90%、95%，研究空氣預(yù)熱器閥門開度對熱媒爐燃燒效果的影響。

從圖3可以看出：隨著空氣預(yù)熱器閥門開度的增加，爐子排放的NOx呈逐漸下降趨勢。這是由于隨著空氣預(yù)熱器閥門開度的增加，助燃風(fēng)通過空氣預(yù)熱器的熱交換從燃燒尾氣中獲得的熱量增加，溫度升高，熱媒爐燃燒器火焰燃燒溫度上升，導(dǎo)致助燃風(fēng)中被氧化的氮氣量增加，從而使NOx的排放量增加。而另一方面，爐子排放的氧體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢，這是由于隨著助燃風(fēng)溫度的上升，火焰溫度上升，熱媒爐燃燒效率上升，從而使?fàn)t子排放煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)下降。當(dāng)閥門開度為82%時，NOx排放曲線與氧的體積分?jǐn)?shù)曲線相交，此時閥門開度最佳，在降低NOx排放的同時，也保證了熱媒爐的燃燒效率[8]。

圖3 空氣預(yù)熱器閥門開度對燃燒效果及NOx質(zhì)量濃度的影響

2.3 煙氣外循環(huán)閥門開度對燃燒效果及NOx質(zhì)量濃度的影響

煙氣外循環(huán)閥門開度對燃燒效果及NOx質(zhì)量濃度的影響見圖4所示。

圖4 煙氣外循環(huán)閥門開度對燃燒效果及NOx質(zhì)量濃度的影響

由上文可知，當(dāng)冷風(fēng)旁通閥門開度為30%時，空氣預(yù)熱器閥門開度為82%時熱媒爐的燃燒效果最佳。因此，在此基礎(chǔ)上，設(shè)置煙氣外循環(huán)閥門開度為20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、60 kPa、70 kPa，研究煙氣外循環(huán)量對熱媒爐燃燒效果的影響。

從圖4可以看出：隨著煙氣外循環(huán)閥門開度的增加，爐子排放的NOx呈逐漸下降趨勢。這是由于隨著煙氣外循環(huán)閥門開度的增加，助燃風(fēng)中氧的體積分?jǐn)?shù)下降，從而使燃燒不充分，火焰溫度下降，導(dǎo)致助燃風(fēng)中被氧化的氮氣量下降，NOx的排放量減少。而另一方面，爐子排放廢氣中氧的體積分?jǐn)?shù)呈上升趨勢，這是由于隨著火焰溫度的下降，熱媒爐燃燒效率下降，從而使?fàn)t子排放煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)上升。當(dāng)閥門開度為45%時，NOx排放曲線與氧體積分?jǐn)?shù)曲線相交，此時閥門開度最佳，在降低NOx排放的同時，也保證了熱媒爐的燃燒效率。

2.4 水蒸氣通入量對剩余氧體積分?jǐn)?shù)及NOx質(zhì)量濃度的影響

水蒸氣通入量對剩余氧體積分?jǐn)?shù)及NOx質(zhì)量濃度的影響見圖5所示。

圖5 水蒸氣通入量對剩余氧體積分?jǐn)?shù)和NOx質(zhì)量濃度的影響

由上文可知，當(dāng)冷風(fēng)旁通閥門開度為30%時，空氣預(yù)熱器閥門開度為82%、煙氣外循環(huán)閥門開度為45%時熱媒爐燃燒效果最佳。因此，在此基礎(chǔ)上，設(shè)置通入蒸汽壓力為40.0 kPa、50.0 kPa、60.0 kPa、70.0 kPa、80.0 kPa，研究蒸汽通入量對熱媒爐燃燒效果的影響。

從圖5可以看出：隨著通入蒸汽壓力的增加，爐子排放的NOx呈逐漸下降趨勢。這是由于隨著燃燒器中通入蒸汽量的增加，水蒸氣會吸收熱量，導(dǎo)致溫度下降，熱媒爐燃燒器的火焰燃燒溫度下降，導(dǎo)致助燃風(fēng)中被氧化的氮氣量減少，從而使NOx的排放量減少。而另一方面，爐子排放的氧體積分?jǐn)?shù)呈上升趨勢，這是由于隨著通入蒸汽量的上升，火焰溫度下降，熱媒爐燃燒效率下降，從而使?fàn)t子排放煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)下降。當(dāng)通入蒸汽壓力為75.0 kPa時，NOx排放曲線與氧體積分?jǐn)?shù)曲線相交，此時蒸汽通入量最佳，在降低NOx排放的同時，也保證了熱媒爐的燃燒效率。

3 熱媒爐改造前后NOx質(zhì)量濃度對比

圖6列出了改造前后熱媒爐煙氣中NOx的質(zhì)量濃度。從圖6可以看到：改造實施前煙氣監(jiān)測分析NOx質(zhì)量濃度的8個數(shù)據(jù)全部在90 mg/m3上，超過50.0 mg/m3的國家強制標(biāo)準(zhǔn)；在改造完成后,煙氣監(jiān)測分析NOx質(zhì)量濃度的8個數(shù)據(jù)全部達標(biāo),平均值為49.1 mg/m3,低于50.0 mg/m3的國家強制標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 改造前后熱媒爐煙氣中NOx質(zhì)量濃度

4 結(jié)語

通過在空氣預(yù)熱器增加冷空氣旁路、水蒸氣系統(tǒng)的方式來調(diào)節(jié)冷風(fēng)旁通閥門開度、空氣預(yù)熱器閥門開度、煙氣外循環(huán)閥門開度、水蒸氣通入量，在保證熱媒爐燃燒效率的前提下，盡可能多地降低火焰燃燒溫度以減少空氣中氮氣被氧化的量，從而達到減少NOx排放的目的。采用熱媒爐自動控制儀表系統(tǒng)測試了剩余氧體積分?jǐn)?shù)與NOx質(zhì)量濃度，通過分析可知，當(dāng)NOx質(zhì)量濃度低于50.0 mg/m3最佳的氧體積分?jǐn)?shù)時，燃燒效率最高。經(jīng)過調(diào)試，冷風(fēng)旁通閥門開度為30%、空氣預(yù)熱器閥門開度為82%、煙氣外循環(huán)閥門開度為45%、蒸汽壓力為75.0 kPa時，達到燃燒效率和NOx排放的最佳平衡。