低氮燃燒器在煉化一體化項目應用及NOx減排效果分析

莫新明，焦文娟(浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316200)

0 引言

隨著科技的進步、經濟的發(fā)展、人們環(huán)保意識的提高，石油化工行業(yè)的安全、環(huán)保與健康備受關注，國家對石油化工污染物排放指標控制日趨嚴格。浙石化4 000萬噸/年煉化一體化項目中，針對生態(tài)環(huán)境保護的要求相當嚴格，廢氣、廢水排放執(zhí)行的是國內最嚴格的環(huán)保標準，NOx減排就是其中難點之一。

為了達到NOx排放總量，按照項目環(huán)評，主要排放口的NOx排放濃度要大幅低于GB 31570—2015 《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》和GB 31571—2015 《石油化學工業(yè)污染物排放標準》中特別排放值，部分裝置要控制到45 mg/Nm3以下，十分嚴苛。浙石化認真調查研究，大膽創(chuàng)新，在項目中廣泛采用低氮燃燒器、以超低氮燃燒器替代SCR進行NOx減排。實際運行來看，節(jié)約了投資減少了占地，運行穩(wěn)定，排放達標準到要求，減排效果顯著。

1 項目廢氣NOx減排措施

1.1 降低NOx產生量的主要途徑

在石油化工行業(yè)，燃燒技術直接決定石油化工廠NOx產生量。一般燃料燃燒所生成的NO主要來自兩個方面：一是燃燒所用空氣(助燃空氣)中氮的氧化；二是燃料中所含氮化物在燃燒過程中熱分解再氧化[1]。

燃燒器是工業(yè)燃油鍋爐、燃氣鍋爐上面的重要設備，它保障燃料的穩(wěn)定著火燃燒和完全燃燒等過程，因此，要抑制NOx的生成量就必須從燃燒器入手。低氮燃燒器，是指燃料燃燒過程中NOx排放量低的燃燒器，通過調節(jié)燃燒空氣和燃燒頭，可以獲得最佳的燃燒參數，控制NOx的產生量在一定水平[2]。

NOx是由燃燒產生的，而燃燒方法和燃燒條件對NOx的生成有較大影響，因此可以通過改進燃燒技術來降低NOx，其主要途徑如下：(1)選用N含量較低的燃料，包括燃料脫氮和轉變成低氮燃料；(2)降低空氣過剩系數，組織過濃燃燒，來降低燃料周圍氧的濃度；(3)在過剩空氣少的情況下，降低溫度峰值以減少“熱反應NO”；(4)在氧濃度較低情況下，增加可燃物在火焰前峰和反應區(qū)中停留的時間。

1.2 廢氣NOx減排措施優(yōu)化

為降低項目NOx排放總量，最大化減少項目建設對周圍環(huán)境的影響，隨著項目專利商技術引進談判的最終確定，以及詳細設計的深入及施工的開展，并對同行業(yè)企業(yè)進行了走訪和調研，在生產工藝選擇和環(huán)保設施先進性設計上吸取了大量的成熟、最新經驗，并對一體化項目脫硝措施進行了優(yōu)化調整，特別引進了國外最先進的超低氮燃燒器技術控制NOx產生，使一期項目生產工藝更合理，環(huán)保設計更符合實際、更具有針對性，更依托清潔生產和源頭控制。

(1)采用專利商最新、最先進的超低氮燃燒器(超藍燃燒器)技術取代部分加熱爐脫硝。原先環(huán)評中常減壓、連續(xù)重整及芳烴裝置基于當時的國內技術基礎，認為單獨的低氮燃燒能滿足特別排放限值要求，卻不能滿足本項目NOx總量控制要求，因此要求采用低氮燃燒+SCR脫硝方式強化處理。浙石化煉化一體化項目進入詳細設計階段后，通過與多家企業(yè)交流和試燒，最終選擇國外超低氮燃燒器進行源頭控制，NOx排放保證值不變，從而消除了NH3逃逸排放和脫硝廢催化劑的產生。該燃燒器能夠滿足環(huán)評NOx濃度排放限值要求，還可以節(jié)省設備占地，簡短、優(yōu)化環(huán)保設施工藝流程，便于工藝控制和操作管理。前期組織進行了超低氮燃燒器試燒，以合成氣為燃料，從試燒結果來看，加熱爐超低氮燃燒能滿足NOx≤40 mg/m3要求。

(2)其他各加熱爐、裂解爐/轉化爐均采用低氮燃燒器。原先環(huán)評中柴油加氫、蠟渣油加氫等裝置，基于國內技術基礎，認為單獨的低氮燃燒能滿足特別排放限值要求。

(3)對于丙烯腈裝置廢氣及廢水焚燒爐，通過考察，丙烯腈廢水焚燒爐廢氣處理難度較低，尾氣實際不作脫硝處理也能滿足NOx濃度≤60 mg/m3的排放保證值要求，同行業(yè)中采用SNCR工藝即可滿足排放限值要求，故變更脫硝工藝，將NOx產生量小的廢水焚燒爐有SCR改為SNCR脫硝；丙烯腈裝置尾氣含大量的有機氮組分，廢氣焚燒爐廢氣處理難度較大，單純的低氮燃燒+SCR脫硝無法保證NOx濃度≤45 mg/m3的要求，為滿足排放限值要求，在SCR前端增設SNCR脫硝作為預處理，將脫硝工藝改為SNCR+SCR。

(4)石腦油加氫裝置加熱爐煙氣采用美國凱勒特的超低氮燃燒器：經調查，石腦油加氫裝置加熱爐也采用了國外超低氮燃燒器，但由于原先環(huán)評中未要求脫硝，因此專利商保證值相較原先要求SCR脫硝的加熱爐排放保證值寬松，NOx保證值為＜50 mg/m3，本次優(yōu)化仍按照專利商保證值計算排放量。

(5)SAR裝置：優(yōu)選專利商發(fā)生，根據專利商保證值，本次優(yōu)化后，再生余熱爐燃燒煙氣中NOx濃度≤70 mg/m3；

項目環(huán)保設施配置及處理要求嚴格執(zhí)行GB 31570—2015和GB 31571—2015以及其他相關標準。

NOx減排措施優(yōu)化調整詳細情況見表1。

表1 NOx減排措施變化情況一覽表

2 低氮燃燒器減排效果分析

2.1 NOx實際排放情況

一體化項目一期各加熱爐、裂解爐排放廢氣2020年1月—2021年5月NOx排放統(tǒng)計結果：

(1)各種低氮燃燒器均可以確保加熱爐煙氣NOx連續(xù)穩(wěn)定達到GB 31570—2015特別排放100 mg/Nm3限值，濃度范圍在30～80 mg/Nm3范圍。

(2)各種低氮燃燒器，除了石腦油加氫裝置、連續(xù)重整裝置外，其余均可以確保加熱爐煙氣NOx達到設計值。

(3)乙烯裂解爐廢氣，采用低氮燃燒器時，需要輔以SCR脫硝，尾氣NOx可以控制在40 mg/Nm3以下。

(4)芳烴聯(lián)合裝置、常減壓裝置、連續(xù)重整裝置設計控制值為40 mg/Nm3，芳烴聯(lián)合裝置、常減壓裝置燃燒器分別采用國外技術，燃料以合成氣為主，年均值可以達到40 mg/Nm3以下；連續(xù)重整裝置燃料為燃料氣，2套裝置年均值分別為41.9 mg/Nm3、43.5 mg/Nm3，較40mg/Nm3的設計控制值稍高。說明以合成氣為燃料，效果更佳。

(5)國內燃燒器，可以把NOx控制在50～65 mg/Nm3范圍。國外技術，可以把NOx控制在30～65 mg/Nm3范圍，因燃燒器型號與加熱爐工況而異。

(6)利用超低氮燃燒器，完全可以替代SCR，達到NOx低于40 mg/Nm3的超低排放。

2.2 需要說明的問題

(1)采用低氮或超低氮燃燒器的加熱爐煙氣NOx排放濃度，跟加熱爐負荷密切相關。通常當負荷低于70%時，NOx排放濃度會明顯升高，負荷越低濃度越高。

(2)利用合成氣或燃料氣為燃料的加熱爐，需要采用獨立的進氣系統(tǒng)(進氣噴嘴)，根據現場燃料氣工況采用雙槍在線切換運行或者雙槍混合運行。否則當切換為燃料氣時，由于不同燃料體積熱值相差很大，單一燃燒器噴嘴開口無法滿足不同燃料正常燃燒所需的燃料壓力，就犧牲了燃燒器的燃燒性能，燃燒的火焰尺寸變短，火焰發(fā)飄，會出現舔舐爐管的現象，不能達到加熱爐工藝要求的熱通量分布，燃燒性能的降低，會造成煙塵、NOx指標會超標。比如苯乙烯裝置利用燃料氣為燃料時煙塵超標，柴油加氫裝置利用燃料氣為燃料時NOx超標。

3 結語

綜上，浙石化4000萬噸/年煉化一體化項目是首個廣泛采用低氮燃燒器進行NOx減排的特大型石化項目，其NOx減排措施的選擇與優(yōu)化，值得借鑒與推廣。特別是優(yōu)化后通過廣泛采用超低氮燃燒器，能夠實現NOx超低排放，達到加熱爐SCR脫硝效果。該工藝示范推廣將為國內石化行業(yè)節(jié)約投資成本和運行成本，提升NOx控制水平作出積極貢獻。