工藝加熱爐煙氣排放低氮化改造

吳佳亮，王 鵬

（1.東華能源（寧波）新材料有限公司，浙江 寧波 315812；2.蘭州石化三葉公司，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

蘭州石化三葉公司汽柴混油常壓蒸餾裝置的工藝加熱爐燃料氣工藝簡介如下：將0.4 MPa（表壓）的瓦斯通過自然通風(fēng)的方式進行擴散式燃燒（即氣體燃料沒有預(yù)先與空氣混合，燃燒所需的空氣依靠燃料和空氣擴散作用從周圍空氣中獲得，其燃燒速度和燃燒的完全程度主要取決于燃氣和空氣分子之間的擴散速度和混合的完全程度），用燃燒熱對爐管中的汽柴混油進行加熱。裝置的工藝加熱爐主要結(jié)構(gòu)由燃燒器、爐膛及通風(fēng)系統(tǒng)等組成，其中爐膛又分為對流室和輻射室。加熱爐主要工藝指標為爐膛溫度為500 ℃～550 ℃，爐出口溫度230 ℃～250 ℃，煙道溫度為280 ℃～300 ℃，工藝加熱爐出口廢氣中的主要大氣污染物為顆粒物、二氧化硫及氮氧化物三種。

國家環(huán)保部于2015 年4 月16 日發(fā)布有關(guān)石油煉制工業(yè)企業(yè)及其生產(chǎn)設(shè)施的水污染物和大氣污染物排放限值、監(jiān)測和監(jiān)督管理要求的新標準——《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》（GB 31570-2015）。該標準中第5.1.3 條款規(guī)定：根據(jù)環(huán)境保護工作的要求，在國土開發(fā)密度已經(jīng)較高、環(huán)境承載能力開始減弱，或大氣環(huán)境容量較小、生態(tài)環(huán)境脆弱，容易發(fā)生嚴重大氣環(huán)境污染問題而需要采取特別保護措施的地方，應(yīng)嚴格控制企業(yè)的污染排放行為，在上述地區(qū)的企業(yè)執(zhí)行表4 規(guī)定的大氣污染物特別排放限值。“表4 大氣污染物特別排放限值”中規(guī)定工藝加熱爐排放的污染物項目及其排放濃度執(zhí)行以下限值標準：顆粒物為20 mg/m3，二氧化硫為50 mg/m3，氮氧化物為100 mg/m3[1]。汽柴混油常壓蒸餾裝置處于上述規(guī)定中的地區(qū)，按要求須在2017 年7 月1 日起執(zhí)行該新標準的相關(guān)規(guī)定。

2016 年5 月，甘肅隆宇檢測科技有限公司對汽柴混油常壓蒸餾裝置加熱爐出口的廢氣排放進行連續(xù)2 天的監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果見表1。由表1 可知，汽柴混油常壓蒸餾裝置加熱爐出口廢氣監(jiān)測結(jié)果為：5 月4 日，煙塵濃度（即顆粒物）三次監(jiān)測值的平均值為8.6 mg/m3、二氧化硫濃度三次監(jiān)測值的平均值為29 mg/m3、氮氧化物濃度三次監(jiān)測值的平均值為151 mg/m；5 月5 日，煙塵濃度三次監(jiān)測值的平均值為9.2 mg/m3、二氧化硫濃度三次監(jiān)測值的平均值為25 mg/m3、氮氧化物濃度三次監(jiān)測值的平均值為145 mg/m3。將連續(xù)兩天的汽柴混油常壓蒸餾裝置加熱爐出口廢氣中污染物項目的監(jiān)測平均值與新標準相對比可判定：顆粒物濃度低于20 mg/m3、二氧化硫濃度低于50 mg/m3，均屬于達標排放；氮氧化物濃度大于100 mg/m3，屬于超標排放。

為滿足環(huán)保部頒布的《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》（GB 31570-2015），決定對汽柴混油常壓蒸餾裝置加熱爐燃燒器實施改造——更換低氮燃燒器。

表1 2016 年5 月汽柴混油常壓蒸餾加熱爐出口監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計表

1 低氮燃燒技術(shù)與低氮燃燒器

1.1 低氮燃燒技術(shù)

1.1.1 低氮燃燒技術(shù)的概念

燃料在燃燒過程中所產(chǎn)生的氮的氧化物主要為NO 和NO2，通常把這兩種氮的氧化物通稱為氮氧化物NOx。人們把改進燃燒設(shè)備或控制燃燒條件，以降低燃燒尾氣中NOx濃度的各項技術(shù)，都稱之為低氮燃燒技術(shù)。

1.1.2 NOx的形成和控制

燃燒中NOx生成的反應(yīng)途徑：

燃燒過程中生成的NOx中，90%以上是NO，在較低溫度下，NO 氧化成NO2；NOx生成的機理有三種：快速轉(zhuǎn)化型NOx是富烴類燃料燃燒時，在火焰面內(nèi)高溫下空氣中的N 和O 通過烴基快速生成的；熱轉(zhuǎn)化型NOx是在火焰面下游空氣中的N2和O2在高溫下反應(yīng)生成的；燃料轉(zhuǎn)化型NOx是燃料中的氮化物燃燒時轉(zhuǎn)化成NOx的NO生成量較少。

熱轉(zhuǎn)化型NOx和燃料轉(zhuǎn)化型NOx的控制：①熱力型NOx，大氣中的氮和氧在高溫燃燒時反應(yīng)生成的NOx，與燃燒溫度、氧氣濃度及停留時間有關(guān)，溫度越高，NOx越多，在溫度低于300 ℃時，NOx少量；在溫度高于1500 ℃時NOx增加。其控制方法是：降低燃燒溫度，減少過量空氣，縮短氣體在高溫區(qū)停留時間；②燃料型NOx：燃料中固定氮（有機氮化物）經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成NOx，一般約有20%～70%轉(zhuǎn)化為燃料型NO，其中約有10%不到轉(zhuǎn)化成NO2。其控制方法是：采用低氮燃燒器技術(shù)。一般快速轉(zhuǎn)化型NOx因在燃燒過程中的生成量很少，一般不作為NOx控制的主要對象[2]。

影響燃燒過程中NOx生成的主要因素是燃燒溫度、煙氣在高溫區(qū)的停留時間、煙氣中各種組分的濃度以及混合程度，因此，改變空氣-燃料比、燃燒空氣的溫度、燃燒區(qū)冷卻的程度和燃燒器的形狀設(shè)計都可以減少燃燒過程中氮氧化物的生成[3]。減少NOx的形成和排放通常采用的具體方法為：分級燃燒、再燃燒法、低氧燃燒、濃淡偏差燃燒和煙氣再循環(huán)等。低NOx燃燒技術(shù)的實質(zhì)，就是降低最高燃燒溫度，以及控制在燃燒區(qū)的燃料溫度或氧濃度，破壞NOx生成的最佳條件，達到減少NO 生成并降低NOx濃度的目的。

1.2 低氮燃燒器

低NOx燃燒器是通過調(diào)節(jié)燃燒空氣量和燃燒頭，獲得最佳的燃燒參數(shù)，達到降低燃料燃燒過程中NOx排放量的目的。根據(jù)降低NOx的燃燒技術(shù)，低氮氧化物燃燒器大致分為以下幾類：階段燃燒器、自身再循環(huán)燃燒器、濃淡型燃燒器、分割火焰型燃燒器、混合促進型燃燒器、低NOx預(yù)燃室燃燒器等。

2 工藝加熱爐安裝低氮燃燒器前狀況

2.1 加熱爐舊燃燒器相關(guān)參數(shù)

燃燒器類別：常規(guī)NOx排放燃燒器；燃燒器的設(shè)計熱負荷：1303 kW；操作熱負荷：1108 kW；燃氣密度：無；低熱值：2870 kJ/m3；操作壓力：0.4 MPa；燃燒室有無火焰分區(qū)：無。

2.2 加熱爐煙氣排放情況

2017 年3 月，在汽柴混油常壓蒸餾裝置加熱爐燃燒器改造前，再一次監(jiān)測工藝加熱爐煙氣排放情況，具體監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 改造前汽柴混油常壓蒸餾裝置工藝加熱爐廢氣排放口監(jiān)測結(jié)果

由表2 可知，加熱爐排放廢氣中氮氧化物的濃度在2017 年3 月31 日三次監(jiān)測值的平均值為172.3 mg/Nm3，折算系數(shù)為1.79，計算出折算濃度為307.6 mg/Nm3，監(jiān)測結(jié)果仍舊高于新標準規(guī)定的100 mg/m3限值。

3 安裝低氮燃燒器后的效果

3.1 新燃燒器技術(shù)參數(shù)

2017 年4 月，汽柴混油常壓蒸餾裝置加熱爐進行了燃燒器更換的改造，選用洛陽某石化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的低氮燃燒器，其結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

該低氮燃燒器技術(shù)參數(shù)如下：

燃燒器類別：LB-QHN180 型低NOx燃氣燃燒器；燃燒器負荷：1.59/1.33/0.32 MW；瓦斯氣：低熱值24221 kJ/m3、壓力400 kPa（表）；燃燒器火焰形狀：圓形；燃燒器安裝位置：爐底；燃燒室有無火焰分區(qū)：被火道磚分成主火焰區(qū)和副火焰區(qū)。

3.2 新燃燒器的結(jié)構(gòu)、原理及特點

圖1 汽柴混油常壓蒸餾裝置低氮燃燒器結(jié)構(gòu)圖

改造前后新舊燃燒器在構(gòu)造上的主要區(qū)別是：①舊燃燒器沒有火焰分區(qū)，在正常生產(chǎn)時它的1 個主火焰噴槍與其周圍分散對稱分布的4個副火焰噴槍的火焰在同一區(qū)域同時豎直向上噴射燃燒；新燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其燃燒室被一圈環(huán)形多孔型火道磚將4 個分散對稱分布的主火焰噴槍和4 個分散對稱分布的副火焰噴槍分開，其中每一個主火焰噴槍頂端開有2 個燃料氣噴射小孔，每一個副火焰噴槍頂端開有4 個燃料氣噴射小孔，在正常生產(chǎn)時主、副火焰噴槍的火焰分區(qū)燃燒，形成了主火焰區(qū)和副火焰區(qū)；②新燃燒器在4 個主火焰噴槍圍成的靠頂部中心區(qū)域設(shè)置了一個圓形折擋板，該折擋板邊緣開有分散對稱的12 個小孔，而舊燃燒器未設(shè)置類似構(gòu)造；③新燃燒器的一圈環(huán)形火道磚是由4 塊弧形磚拼接組成的，每塊弧形磚上都開有2 個孔，這些孔在朝向上具有多角度、在分布上呈現(xiàn)多方位的特征；④新燃燒器在風(fēng)道方面進行了改進。舊燃燒器的風(fēng)道是通過燃燒器圓周外側(cè)滑動式移位調(diào)節(jié)風(fēng)量，風(fēng)量調(diào)節(jié)容易過大過小，難以實現(xiàn)精細化操作，而新燃燒器將風(fēng)道改成了在圓周側(cè)面的一小部分弧形面處開設(shè)了一個方形進風(fēng)口，同時設(shè)置了易于精細化控制風(fēng)量的百葉窗型風(fēng)道擋板并在風(fēng)道中設(shè)置了隔板，因加熱爐內(nèi)燃料燃燒的“煙囪效應(yīng)”形成了微負壓，導(dǎo)致空氣從爐底進入的速度較大，隔板的作用就是要降低空氣進入燃燒器的流速，達到緩和燃燒劇烈程度的目的，實現(xiàn)“柔性燃燒”。（注：燃燒器的直徑Φ=540 mm，風(fēng)道的長×寬=380 mm×280 mm）

改造后的新型燃燒器從技術(shù)類型角度講，屬于綜合了分級燃燒技術(shù)與分割火焰技術(shù)的混合促進型低氮燃燒器，其設(shè)計原理是：改善燃料與空氣的混合，使火焰面的厚度減薄，弱化燃燒，降低溫度，縮短煙氣在火焰面即高溫區(qū)內(nèi)的停留時間，使NOx的生成量降低。其中：分級燃燒技術(shù)又分為空氣分級供給和燃氣分級供給兩種方式，其原理是貧氧燃燒與過氧燃燒相結(jié)合，通過中和火焰溫度，降低NOx濃度，以及形成部分NOx還原的條件，從而總量上降低NOx排放；分割火焰燃燒技術(shù)，其基本原理是把一個火焰分成數(shù)個小火焰，由于小火焰散熱面積大，火焰溫度較低，使“熱反應(yīng)NO”有所下降，此外，火焰小縮短了氧、氮等氣體在火焰中的停留時間，對“熱反應(yīng)NO”和“燃料NO”都有明顯的抑制作用。

根據(jù)上述新燃燒器的構(gòu)造形式，在減少NOx生成方面的特點主要有：一是將火焰一分為八，即原理中的“分成數(shù)個小火焰”，每個噴槍上開有2 或4 個燃料噴射孔，實現(xiàn)火焰分割與燃料分級，降低了火焰高度，縮短了煙氣在火焰面的停留時間；二是用火道磚將主、副火焰分區(qū)，實現(xiàn)了火焰分層燃燒；三是將主火焰噴槍中心靠上方區(qū)域增設(shè)折擋板，其作用主要是對進入主火焰區(qū)的空氣在空間分布上進行再次分配，同時降低其向上擴散的速度，實現(xiàn)減少燃料的不完全燃燒；四是火道磚多孔化，其作用是擴大燃料與配風(fēng)的空間位置，實現(xiàn)空氣分級；五是風(fēng)道的改進，降低了氧濃度，弱化燃燒，有利于形成還原性環(huán)境。以上五個特點均可減少集中燃燒，增大散熱面積，降低火焰溫度（注：火焰面的溫度由1500 ℃左右降至1300 ℃左右），縮短氧、氮等氣體在火焰中的停留時間，能夠有效地抑制NOx的生成，達到降低加熱爐出口廢氣中氮氧化物濃度的目的。

3.3 改造效果

安裝新的低氮燃燒器后，于2017 年5 月再次對加熱爐出口廢氣進行了監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果如表3 所示。

由表3 和圖2 可知，安裝低氮燃燒器后，加熱爐出口廢氣監(jiān)測結(jié)果中的氮氧化物的折算濃度為85.4 mg/Nm3，比改造前的濃度307.6 mg/Nm3降低了72.2%。由上述數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：通過改造，不但廢氣中氮氧化物濃度得到大幅降低，大大減少了NOx污染物的排放，減少了大氣污染，同時氮氧化物排放濃度還低于新標準規(guī)定的100 mg/m3限值，滿足了國家環(huán)保部新頒布的《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》和《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標準》，據(jù)此可判定為本次改造成功。

表3 改造后汽柴混油常壓蒸餾裝置爐廢氣排放口監(jiān)測結(jié)果

圖2 改造前后加熱爐出口廢氣中氮氧化物濃度變化

4 結(jié)語

通過本次燃燒器升級改造，使汽柴混油常壓蒸餾裝置的工藝加熱爐廢氣中氮氧化物濃度大幅減小，降到了國家規(guī)定的環(huán)保指標以內(nèi)，實現(xiàn)了顆粒物、二氧化硫、氮氧化物三項指標全部達標排放，達到了改造的目的，同時減少了裝置生產(chǎn)對大氣的污染，對保護環(huán)境、防治污染及裝置自身的可持續(xù)發(fā)展都具有重大意義。