450 kt/a合成氨裝置一段爐煙氣NOx減排措施

王愛(ài)民

(中國(guó)石油獨(dú)山子石化塔里木石化分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

石油、化工、熱電等行業(yè)中，加熱爐和鍋爐等運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生氮氧化物(NOx)排放，NOx是造成大氣污染的主要物質(zhì)之一。對(duì)于氣頭合成氨裝置而言，一段轉(zhuǎn)化爐(簡(jiǎn)稱(chēng)一段爐)是其關(guān)鍵設(shè)備之一，也是不斷挖潛降耗的核心設(shè)備之一，一段爐排放煙氣中的NOx會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，NOx與空氣中的水結(jié)合后會(huì)形成硝酸鹽和硝酸，硝酸是形成酸雨的主要物質(zhì)之一，而硝酸鹽與其他物質(zhì)在一定條件下反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)污染等。

中國(guó)石油獨(dú)山子石化塔里木石化分公司(簡(jiǎn)稱(chēng)塔石化)450 kt/a合成氨裝置采用丹麥托普索傳統(tǒng)蒸汽轉(zhuǎn)化工藝(由中國(guó)成達(dá)工程有限公司據(jù)托普索工藝包完成初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì))。2010年3月24日，一段爐首次點(diǎn)火，同年5月5日合成氨裝置成功打通全流程產(chǎn)出液氨，試車(chē)投產(chǎn)一次成功。2020年，中石油集團(tuán)煉化板塊對(duì)塔石化下達(dá)全年NOx排放量≤183 t的指標(biāo)要求，并要求NOx排放量不斷向設(shè)計(jì)值或理論值靠近，而按照以往一段爐煙氣NOx排放量(均值)進(jìn)行測(cè)算，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到此要求；且在2020年合成氨裝置大修過(guò)程中塔石化搭建了煙氣NOx實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與傳輸系統(tǒng)，新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)保部門(mén)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔石化的NOx排放情況。為此，據(jù)塔石化的實(shí)際生產(chǎn)情況，須進(jìn)行一系列優(yōu)化改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)一段爐煙氣NOx減排目標(biāo)。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 一段爐煙氣NOx排放概況

塔石化一段爐為托普索側(cè)燒式轉(zhuǎn)化爐，采用HCL Radol MkⅡ型燒嘴，低NOx排放設(shè)計(jì)--煙氣中NOx≤150 mg/m3。從以往合成氨裝置全年生產(chǎn)300 d一段爐煙氣NOx排放量約250 t來(lái)看，排放總量超過(guò)限定值183 t。塔石化一段爐煙氣NOx主要來(lái)源于燃料氣(天然氣等)的燃燒，而一段爐的燃燒包括燃料氣的投入、弛放氣的投入、助燃空氣的投入，故可從這三個(gè)方面入手分析與探討一段爐煙氣NOx減排措施。

2 一段爐煙氣NOx減排措施

結(jié)合塔石化的實(shí)際生產(chǎn)情況，經(jīng)分析與梳理，可采取降低一段爐煙氣過(guò)剩空氣系數(shù)(即煙氣氧含量)、降低弛放氣氨含量、降低一段爐出口轉(zhuǎn)化氣溫度，并制定燃料氣中氮?dú)夂孔兓瘯r(shí)的應(yīng)對(duì)措施，以實(shí)現(xiàn)NOx減排。

2.1 降低一段爐煙氣過(guò)剩空氣系數(shù)

2.1.1 一段爐煙氣過(guò)?？諝庀禂?shù)高的原因

塔石化一段爐采用門(mén)型側(cè)燒爐，轉(zhuǎn)化爐燒嘴分布于轉(zhuǎn)化管兩側(cè)，燒嘴火焰不直接接觸轉(zhuǎn)化管，而是通過(guò)爐壁輻射加熱轉(zhuǎn)化管；一段爐分東西兩側(cè)爐膛，每側(cè)爐膛有120根轉(zhuǎn)化管，共240根轉(zhuǎn)化管，分A、B、C、D四排燒嘴，共有360個(gè)燒嘴。

以往塔石化一段爐煙氣過(guò)剩氧含量均值為2.83%，氧含量偏高，過(guò)?？諝庀禂?shù)偏高(過(guò)剩空氣系數(shù)一般用煙氣氧含量來(lái)表征)，煙氣流量偏大，造成一段爐煙氣NOx折算值偏高，NOx排放量偏多，同時(shí)造成熱量損失偏多，一段爐熱效率下降。究其原因，由于一段爐燒嘴風(fēng)門(mén)、助燃空氣總管風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)位置不同或全開(kāi)等，生產(chǎn)中會(huì)根據(jù)空氣壓力、一段爐燒嘴排數(shù)及位置進(jìn)行助燃空氣流量的調(diào)整，各處助燃空氣流量會(huì)有所不同，致使助燃空氣與燃料氣混合不均勻而造成燒嘴燃燒不好，火焰發(fā)散，為保證燒嘴的燃燒效果，只能添加過(guò)量的空氣，由此造成煙道氣中過(guò)剩氧含量較高，系統(tǒng)燃燒效率下降。另外，一段爐燃料氣流量時(shí)高時(shí)低，易造成火焰“舔管”、燃燒不均等現(xiàn)象，會(huì)縮短爐管的使用壽命。

2.1.2 降低一段爐煙氣過(guò)?？諝庀禂?shù)

降低一段爐助燃空氣量，燃料氣流量會(huì)相應(yīng)降低?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)整一段爐燒嘴及風(fēng)門(mén)開(kāi)度，調(diào)整一段爐熱量分配，保證一段爐出口溫度穩(wěn)定，出口轉(zhuǎn)化氣甲烷含量合格，同時(shí)兼顧一段爐煙氣溫度及高壓蒸汽溫度的穩(wěn)定。通過(guò)不斷摸索，形成了成熟的調(diào)整方案--將一段爐煙氣氧含量穩(wěn)定在1.90%左右，實(shí)際操作中需隨著氣溫變化(一段爐調(diào)整過(guò)程中受氣溫影響較大)據(jù)一段爐工藝指標(biāo)不定期進(jìn)行調(diào)整，確保各工藝指標(biāo)穩(wěn)定。

通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)一段爐燒嘴和風(fēng)門(mén)，據(jù)燃料氣壓力及鼓風(fēng)壓力調(diào)整燒嘴或風(fēng)門(mén)開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)一段爐的熱量調(diào)整，一段爐煙氣氧含量穩(wěn)定在1.90%左右，可極大地減少NOx的產(chǎn)生，降低燃料氣消耗，提高一段爐熱效率。

2.2 降低弛放氣氨含量

為保證氨合成塔正常運(yùn)行，需排出系統(tǒng)內(nèi)的惰性氣(弛放氣)，弛放氣主要成分為氫氣、氮?dú)狻⒓淄橐约吧倭康陌?，其可作為一段爐的燃料氣。弛放氣氨回收系統(tǒng)的作用是回收氨合成回路弛放氣及各種低壓排放氣(主要是氨儲(chǔ)罐閃蒸氣)中的氨，回收得到99%的液氨，并將提氨后的弛放氣作為燃料氣送入一段爐輔助燃燒。

2.2.1 弛放氣氨回收系統(tǒng)流程簡(jiǎn)介

來(lái)自弛放氣分離器(B514)的高壓弛放氣進(jìn)入氨回收系統(tǒng)高壓洗氨塔(F551)中被洗滌水吸收，洗滌后F551的氣相進(jìn)入低壓洗氨塔(F552)。在F551中，洗滌水流量(FI-5041)由控制閥(HIC-5041/5042)調(diào)節(jié)高壓氨水泵(P551A/B)電機(jī)變頻運(yùn)行實(shí)現(xiàn)控制；F551壓力由控制閥(PIC-5042)控制去放空總管的弛放氣量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)；F551液位由液位控制閥(LIC-5041)控制去氨蒸餾塔(F553)的氨水流量予以穩(wěn)定，一旦F551液位太低，高壓洗氨塔聯(lián)鎖控制系統(tǒng)(I-551)會(huì)聯(lián)鎖切斷從F551流出的氨水(富液)。

在低壓洗氨塔(F552)中，來(lái)自氨排放槽(B502)的閃蒸氣以及來(lái)自不凝氣分離器(B505)的不凝氣中的氨被洗滌水吸收下來(lái)。在F552中，洗滌水流量由控制閥(FIC-5042)控制；F552液位通過(guò)液位控制閥(LIC-5044)控制去氨蒸餾塔(F553)的氨水量予以穩(wěn)定，F(xiàn)552塔釜氨水由低壓氨水泵(P522A/B)送往蒸餾塔，一旦F552液位太低，低壓洗氨塔液位聯(lián)鎖控制系統(tǒng)(I-552)會(huì)聯(lián)鎖停運(yùn)P522A/B。F552壓力與放空總管壓力相同，去一段爐燃燒的弛放氣壓力(PIC-5043)，通過(guò)分層控制去一段爐燃料氣總管的低壓弛放氣量以及去氨放空總管的放空氣量予以調(diào)節(jié)。

2.2.2 弛放氣中氨含量偏高的原因

弛放氣作為一段爐的輔助燃料氣，這本身是一項(xiàng)節(jié)能措施，但弛放氣一定要經(jīng)過(guò)提氨后才能送入一段爐作為燃料。以往正常生產(chǎn)中，塔石化投入到一段爐的弛放氣中氨含量是在正常指標(biāo)范圍之內(nèi)的(氨含量≤50×10-6)，但為實(shí)現(xiàn)一段爐煙氣NOx的減排，就必須對(duì)氨回收系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，即進(jìn)一步降低弛放氣中的氨含量，以減少一段爐煙氣NOx含量。

2.2.3 降低弛放氣中氨含量的措施

據(jù)弛放氣氨回收的工藝原理，其氨蒸餾塔中塔溫度(TI5089)控制范圍應(yīng)為210～215 ℃，以往塔石化將TI5089控制在下限210 ℃左右。理論上，適當(dāng)提高TI5089，氨蒸餾效果會(huì)更好，送一段爐弛放氣中的氨含量會(huì)降低，相應(yīng)的一段爐煙氣NOx含量會(huì)下降。為此，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，決定通過(guò)調(diào)整(適當(dāng)增大)氨蒸餾塔加熱蒸汽量緩慢上調(diào)TI5089，以降低一段爐煙氣NOx含量。

實(shí)際操作調(diào)整過(guò)程顯示，隨著氨蒸餾塔中塔溫度(TI5089)的提高，弛放氣氨含量及一段爐煙氣NOx含量均有顯著下降，最后趨于平穩(wěn)，表明此舉行之有效；最終，TI5089提至214 ℃時(shí)，氨蒸餾效果達(dá)到極限，弛放氣氨含量及一段爐煙氣NOx含量趨于穩(wěn)定。經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證與調(diào)整，TI5089控制在214 ℃時(shí)各項(xiàng)參數(shù)最優(yōu)，故將TI5089工藝控制指標(biāo)由210 ℃變更為214 ℃，這也是塔石化合成氨裝置自進(jìn)行操作心得評(píng)比活動(dòng)以來(lái)取得最好效果的實(shí)際應(yīng)用舉措。目前，一段爐前弛放氣氨含量幾乎檢測(cè)不到。

2.3 降低一段爐出口轉(zhuǎn)化氣溫度

一段爐煙氣中NOx的生成量(主要是熱力型NOx)與火焰溫度呈指數(shù)變化關(guān)系，火焰溫度越高，生成的NOx量呈指數(shù)增加。當(dāng)燃料氣燃燒溫度降低時(shí)，其熱力型NOx生成量會(huì)減少，為此，在保證一段爐出口轉(zhuǎn)化氣甲烷含量合格的前提下，適當(dāng)降低一段爐出口轉(zhuǎn)化氣溫度(大致由813 ℃降至810 ℃)，以降低一段爐煙氣NOx含量。

2.4 制定燃料氣中氮?dú)夂孔兓瘯r(shí)的應(yīng)對(duì)措施

燃料氣組分中氮?dú)夂吭龆?主要是上游天然氣凈化廠大修時(shí)管線(xiàn)置換所致)會(huì)造成燃料氣(天然氣)組分發(fā)生很大變化，這種情況一旦出現(xiàn)，即燃料氣中有氮?dú)獯嬖?，易?dǎo)致一段爐爐膛溫度波動(dòng)大，系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)大，繼而出現(xiàn)煙氣NOx含量超標(biāo)現(xiàn)象。據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，需提早做好調(diào)整，將燃料氣中氮?dú)夂吭龆嗟挠绊懡抵磷畹?，確保任何情況下不出現(xiàn)一段爐煙氣NOx超標(biāo)排放事件。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)環(huán)保要求不斷提高，中石油集團(tuán)煉化板塊對(duì)塔石化下達(dá)的NOx排放指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)苛，這對(duì)合成氨裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的優(yōu)化操作等又一次提出新的考驗(yàn)。為此，塔石化不斷進(jìn)行摸索與探究，全面分析合成氨裝置一段爐煙氣中NOx的來(lái)源及其危害，通過(guò)適當(dāng)降低一段爐煙氣過(guò)?？諝庀禂?shù)(一段爐煙氣氧含量大致由2.83%降至1.90%)、優(yōu)化弛放氣氨回收系統(tǒng)運(yùn)行工況(降低入一段爐弛放氣氨含量)，并適當(dāng)降低一段爐爐膛燃燒溫度以降低一段爐出口轉(zhuǎn)化氣溫度，同時(shí)制定燃料氣中氮?dú)夂孔兓瘯r(shí)的應(yīng)對(duì)措施，有效減少了一段爐煙氣NOx的產(chǎn)生量，完成了全年NOx減排目標(biāo)，保護(hù)了環(huán)境，并降低了系統(tǒng)能耗。此種工藝操作優(yōu)化，是目前最經(jīng)濟(jì)、最直接的一段爐煙氣NOx減排手段，可為業(yè)內(nèi)提供一些參考與借鑒。