低氮燃燒器在芳烴裝置上的應(yīng)用

朱子和

（中國(guó)石化天津分公司化工部，天津 300271）

中國(guó)石化天津分公司（簡(jiǎn)稱(chēng)天津石化）大芳烴裝置始建于1998年，2000年5月建成投產(chǎn)。該裝置共有7臺(tái)加熱爐，分別是預(yù)加氫加熱爐（F101）、預(yù)加氫汽提塔重沸爐（F102）、四合一重整加熱爐（F201～204）、脫戊烷塔重沸爐（F205）、二甲苯塔重沸爐（F401）、歧化反應(yīng)加熱爐（F501）、異構(gòu)化反應(yīng)加熱爐（F701）。四合一加熱爐所用燃燒器為氣體燃燒器，其他加熱爐均為ⅦB型油氣混合燃燒器。2008年大修期間對(duì)F401、F501、F701燃燒器進(jìn)行了改造，仍為油氣混燒燃燒器。2012年5月加熱爐全部改成燒氣，所用燃燒器都不是低氮燃燒器，煙氣中的NOx含量均不符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。為了適應(yīng)國(guó)家環(huán)保要求，天津石化決定2016年8月大修期間將大芳烴裝置加熱爐燃燒器全部更換為低氮燃燒器。

1 低氧燃燒技術(shù)

國(guó)外早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始重視燃燒生成的NOx的危害，并且開(kāi)展了NOx生成機(jī)理和抑制方法的研究。到70年代末80年代初開(kāi)發(fā)出了低氮燃燒器。低氮燃燒器發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段：第一代為分級(jí)配風(fēng)燃燒器，煙氣中NOx可降至140 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同）左右，一般采用旋流配風(fēng)，現(xiàn)仍在使用。第二代為分級(jí)配燃料燃燒器，煙氣中NOx可降至80 mg/m3左右。第三代為煙氣內(nèi)循環(huán)燃燒器，煙氣中NOx可降至50 mg/m3左右，即采用低氧燃燒技術(shù)，在保證燃燒充分的情況下盡可能使空氣過(guò)剩系數(shù)很低，一般為1.05～1.10。最新推出的強(qiáng)化煙氣內(nèi)循環(huán)低NOx氣體燃燒器可以使煙氣中NOx降至35 mg/m3左右。

我國(guó)低氮燃燒器開(kāi)發(fā)應(yīng)用較晚，但發(fā)展較快，現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)國(guó)際水平，在中國(guó)石化系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用取得了較好的效果。

2 低氮燃燒器設(shè)計(jì)要求

GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB31571—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)工藝加熱爐大氣污染物控制要求中規(guī)定，2015年7月1日開(kāi)始新建企業(yè)、2017年7月1日開(kāi)始現(xiàn)有企業(yè)將執(zhí)行新的排放限值標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）。對(duì)于大氣環(huán)境容量較小的地區(qū)應(yīng)執(zhí)行表1中特別排放限值標(biāo)準(zhǔn)。SO2、NOx等排放限值是在干煙氣下3%氧含量下制定的[1-2]。大芳烴裝置的加熱爐在100%負(fù)荷下?tīng)t膛溫度均小于850℃，一般在520～755℃。

表1 工藝加熱爐大氣污染物排放限值 mg/m3

裝置所用的氣體燃料組合中不含氮，所以沒(méi)有燃料型NOx的形成，NOx的形成主要是溫度型NOx，即設(shè)計(jì)低氮燃燒器時(shí)主要考慮溫度型NOx。

為滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)定的大氣污染排放要求，2016年6月天津石化委托中國(guó)石油化工工程建設(shè)公司（SEI）為大芳烴裝置設(shè)計(jì)低氮燃燒器，設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2。國(guó)家大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有CO和林格曼黑度的要求，在這次設(shè)計(jì)中進(jìn)行了補(bǔ)充。CO在中國(guó)石化加熱爐管理制度中有要求，主要出于加熱爐熱效率方面的考慮，該制度規(guī)定CO≤125 mg/m3。從表2看出，其指標(biāo)優(yōu)于或達(dá)到特別排放限值的要求。

表2 低氮燃燒器設(shè)計(jì)指標(biāo) mg/m3

3 大芳烴裝置低氮燃燒器改造

3.1 低氮燃燒器改造

低氮燃燒器采用燃料分級(jí)和煙氣再循環(huán)相結(jié)合的技術(shù)。F101、F102、F205、F401、F501、F701加熱爐燃燒器燃料分布一部分在火盆磚內(nèi)，一部分在火盆磚外。火盆磚內(nèi)的燃料氣燃燒主要是靠新鮮空氣，火盆磚外的燃料氣通過(guò)火盆上的開(kāi)孔流過(guò)少量“新鮮”空氣和爐膛內(nèi)的煙氣混合參與燃料燃燒，中間安裝穩(wěn)焰器。

F201～204加熱爐燃燒器所需燃料通過(guò)4支氣槍注入爐膛，4支氣槍完全分布在火盆磚外，即燃料分級(jí)，燃料氣燃燒所需的空氣也是一部分通過(guò)火盆磚上的孔流過(guò)少量“新鮮”空氣，另一部分空氣直接進(jìn)入爐膛和煙氣混合，這兩部分空氣參與燃料燃燒，即煙氣循環(huán)[4]。該燃燒器沒(méi)有中間穩(wěn)焰器。

F101、F102、F205為立式圓筒爐，F(xiàn)101加熱爐燃燒器均勻布置圖見(jiàn)圖1。F401、F501、F701為方箱爐，燃燒器布置均為底燒。F201～204為方箱爐，該爐燃燒器為側(cè)面雙面對(duì)稱(chēng)布置，如圖2所示。其他加熱爐燃燒器布置亦為均勻布置。

圖1 F101燃燒器布置圖

圖2 F201～204燃燒器布置圖

3.2 低氮燃燒器改造數(shù)量和投資

大芳烴車(chē)間7臺(tái)加熱爐共有燃燒器105臺(tái)，即F101有3臺(tái)，每臺(tái)燃燒器熱負(fù)荷為2.0 MW；F102有4臺(tái)，每臺(tái)燃燒器熱負(fù)荷為3.0 MW；F201～204有42臺(tái)，其中F201、203、204每臺(tái)燃燒器熱負(fù)荷為1.9 MW，F(xiàn)202每臺(tái)燃燒器熱負(fù)荷為1.96 MW；F205有4臺(tái)，每臺(tái)燃燒器熱負(fù)荷為2.5 MW；F401有36臺(tái)，每臺(tái)燃燒器熱負(fù)荷為3.5 MW；F501有6臺(tái)，每臺(tái)燃燒器熱負(fù)荷為2.0 MW；F701有10臺(tái)，每臺(tái)燃燒器熱負(fù)荷為2.0 MW。全部改造為低氮燃燒器，總投資579萬(wàn)元左右，其中設(shè)備費(fèi)為282.5萬(wàn)元（含有3臺(tái)試燒燃燒器費(fèi)用30萬(wàn)元），其他為安裝費(fèi)、材料費(fèi)、人工費(fèi)等。

4 改造前后加熱爐的污染物排放情況

2016年7月大芳烴裝置改造前檢測(cè)煙氣中NOx等含量見(jiàn)表3。從表3看出，NOx含量大部分達(dá)不到一般排放限值要求，SO2達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，主要是燃料中無(wú)硫化物或硫化物微量，CO符合要求。

2016年8月，大芳烴裝置開(kāi)始更換低氮燃燒器，9月全部完工，并投入使用。2017年2月，委托天津市環(huán)科檢測(cè)技術(shù)有限公司對(duì)低氮燃燒器運(yùn)行情況進(jìn)行了標(biāo)定（見(jiàn)表4），從表4可知，所有指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，改造取得成功。

表3 改造前實(shí)測(cè)加熱爐污染物排放 mg/m3

表4 改造后實(shí)測(cè)加熱爐污染物含量 mg/m3

改造前后煙氣量對(duì)比見(jiàn)表5。改造前后兩個(gè)月產(chǎn)量不同，所用燃?xì)饨M成略有不同，單位時(shí)間內(nèi)消耗的燃料量及產(chǎn)生的煙氣量也不同。改造后NOx平均減排量為2.532 kg/h，每年平均減排 22.178 t。

表5 改造前后煙氣量對(duì)比

5 結(jié)論

大芳烴裝置通過(guò)更換低氮燃燒器后，煙氣中NOx排放達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（≤150 mg/m3），改造前所有加熱爐煙氣中NOx排放平均值在165.4 mg/m3左右，改造后為41.2 mg/m3左右，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)排放限值，每年平均減排NOx為22.178 t，燃燒器改造取得成功。