裂解爐超低氮氧化物排放技術應用研究

謝忠偉

(中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海 200540)

隨著時代發(fā)展，“綠水青山就是金山銀山”的觀念深入人心。各級政府對于環(huán)保的管控力度加大，尤其是近幾年對于石油化學工業(yè)提出了明確的法規(guī)及國家強制標準要求即GB 31571—2015《石油化學工業(yè)污染物排放標準》。其中上海地區(qū)是特別排放地區(qū)，NOx排放質(zhì)量濃度應不高于100 mg/m3。作為行業(yè)內(nèi)的領先企業(yè)，尤其是中央直屬企業(yè)，在環(huán)保指標排放方面更需要有一定的超前意識。

NOx是NO、NO2等一系列氮氧化物的總稱。常規(guī)的石腦油裂解制造乙烯，具有較多的裂解爐設備。裂解爐在使用甲烷氣或者干氣燃燒時，就會產(chǎn)生NOx，經(jīng)過文獻查證，煙氣中90%以上是NO[1]。在燃燒器行業(yè)內(nèi)開展的多年研究表明，目前燃燒器燃燒過程主要是熱力型、燃料型和快速型三種NOx。一般現(xiàn)有裂解爐的爐膛溫度都在1 200 ℃以上，按照理論，此時的熱力型NOx產(chǎn)生較多。因為通過燃燒器的燃燒試驗，爐膛內(nèi)溫度超過1 800 ℃時，NOx生成的反應明顯增強。所以，乙烯裂解爐的NOx產(chǎn)生的主要途徑為熱力型NOx。目前國內(nèi)外主要的低氮技術主要是選擇性非催化還原(SNCR)、選擇性催化還原(SCR)、臭氧技術以及煙氣再循環(huán)和超低氮排放方案。從目前國際上裂解爐燃燒后脫硝的處理辦法來看，SCR法是應用最多、技術最成熟的一種煙氣脫硝技術，該法的優(yōu)點是：(1)使用催化劑，降低反應溫度；(2)脫硝效率高，可達70%以上；(3)工藝設備緊湊，運行可靠；(4)還原后的氮氣放空，無二次污染。SCR煙氣脫硝根據(jù)催化劑類型不同，反應的最佳溫度為260～400 ℃，氨逃逸率控制在2～5 mg/kg。

1 煙氣回流技術簡介

煙氣再循環(huán)法過程是近幾年新開發(fā)的降低NOx的技術手段，其主要原理是讓一部分溫度較低的煙氣直接送入爐內(nèi)，使燃燒區(qū)內(nèi)惰性氣體含量增加，因煙氣吸熱和稀釋了氧的濃度，導致燃燒速度和爐內(nèi)溫度降低，從而抑制了“熱力NO”的生成。氧濃度的降低減少了中間產(chǎn)物含氮基團和氧的反應，也有利于減少“燃料NO”的生成[2]。

助燃空氣溫度、助燃空氣的過?？諝庖蜃右约盎鹧娣逯禍囟仁怯绊懽罱K煙氣中NOx排放值的三個重要因素，助燃空氣氧體積分數(shù)與NOx關系見圖1。因此，采用煙氣回流方法就是利用氧體積分數(shù)低(一般在2%～4%)、溫度較高(120～200 ℃)的回流煙氣，通過噴射進入爐膛，降低燃燒空氣中氧體積分數(shù)和火焰峰值溫度的方式最終達到降低NOx排放的目的。煙氣再循環(huán)技術應注意由于循環(huán)率過大引起的燃燒不穩(wěn)定等問題。

圖1 助燃空氣氧體積分數(shù)與NOx的關系

目前國內(nèi)乙烯裝置的裂解爐低氮燃燒器的NOx排放指標在改造后已降至80～90 mg/m3。為了實現(xiàn)更低的NOx排放指標，需要在現(xiàn)有裂解爐低氮燃燒技術基礎上，進一步耦合其他低氮技術。根據(jù)調(diào)研，在分級燃燒基礎上耦合煙氣再循環(huán)技術已經(jīng)在工業(yè)鍋爐得到應用，取得了顯著的超低氮排放效果，具有較好的技術成熟度[3]。因此利用原有低氮燃燒器基礎上耦合煙氣再循環(huán)技術并嘗試在裂解爐予以應用，這也是國際首次在裂解爐上應用煙氣再循環(huán)低氮燃燒技術。其主要內(nèi)容是將部分煙氣從排煙管道用引風機抽出后，通過管道直接注入爐膛，在爐膛內(nèi)將火焰溫度進一步降低，從而實現(xiàn)超低NOx排放。

2 裂解爐超低氮方案數(shù)值模擬

乙烯裂解爐內(nèi)燃燒進行的是過程復雜又相互影響、相互制約的物理化學反應。而計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法結合了流體力學、燃燒學、傳熱學、數(shù)值計算方法和計算機硬件的最新研究成果，對裂解爐內(nèi)的燃燒和流動過程進行計算，可以獲得不同技術方案下NOx等污染物的排放結果，為裂解爐燃燒和傳熱技術的改進提供支持。因此在裂解爐的研究和設計過程中，CFD數(shù)值模擬技術已逐漸成為重要的應用工具。

以BA111爐作為方案驗證爐原型，進行整爐建模。裂解爐的燃燒反應都在輻射段進行，同時出輻射段的煙氣溫度在1 227 ℃，熱力NOx生成量極低，可以忽略不計，因此NOx生成計算只計算裂解爐的輻射段。裂解爐由20臺底部燃燒器和96臺側壁燃燒器組成。

煙氣外循環(huán)系統(tǒng)，通過爐底開口直接注入爐膛，循環(huán)比例為10%。通過CFD模擬計算，增加煙氣外循環(huán)后，爐膛溫度分布變得更加均勻，高溫區(qū)明顯減小。由于煙氣外循環(huán)系統(tǒng)將煙氣從爐膛底部注入，對爐膛底部火焰溫度分布影響非常明顯，高溫區(qū)域明顯減小，底部溫度更加均勻。同時側壁燃燒器也由于底部煙氣量的增加，高溫區(qū)域也被迅速減弱。可見增加煙氣外循環(huán)系統(tǒng)后，整體爐膛溫度分布更加均勻，從而有效地降低熱力NOx的生成。

通過CFD計算增加煙氣外循環(huán)系統(tǒng)前后的爐膛NOx質(zhì)量濃度，可以看出：增加煙氣外循環(huán)系統(tǒng)，對爐膛底部燃燒區(qū)域NOx質(zhì)量濃度的影響非常明顯，使NOx質(zhì)量濃度明顯減小。這主要是由于火焰峰值溫度和氧體積濃度的顯著下降，導致了底部區(qū)域熱力NOx生成量顯著減小。同時也由于底部煙氣量的增加，使得側壁燃燒器的NOx質(zhì)量濃度也有所降低。增加煙氣外循環(huán)系統(tǒng)后，NOx的排放質(zhì)量濃度由79 mg/m3降低到58 mg/m3，降幅達到26.5%，效果比較顯著。預計進一步提高煙氣循環(huán)比例，可以進一步降低NOx的排放值。

3 煙氣循環(huán)工藝設計思路

煙氣再循環(huán)的目的是將爐子排出的煙氣通過引風機再送入爐膛底部，使煙氣在爐膛內(nèi)部進行循環(huán)。熱煙氣的回流不僅可以持續(xù)加熱火焰根部，穩(wěn)定燃燒，而且由于煙氣的混入，降低了燃燒過程中氧的質(zhì)量濃度，從而可以抑制NOx的生成。對于裂解爐這種爐膛巨大、燃燒器數(shù)量多的復雜爐型，煙氣工藝管線設計也非常重要。

3.1 再循環(huán)煙氣管道的布置

裂解爐具有多臺燃燒器，需要在爐膛底部分別開口對應每個燃燒器出口，在管道布置上應的減少管道阻力，避免能源的浪費。確保每個出口供風均勻，各支管盡量對稱布置。在各支管上增加閥門，可對煙氣量進行調(diào)結，實現(xiàn)最佳煙氣回流比。煙氣管道內(nèi)流速推薦值一般為10～15 m/s，流速過高則系統(tǒng)阻力過大，對引風機的選型不利，而且管道的震動和噪聲也會增大。流速過低則送風管道的尺寸會增大，會增加管道的投資，因此應選擇合理的管道流速和管徑。

3.2 管道的保溫

裂解爐引送回爐膛的煙氣溫度約150 ℃，為了防止煙氣中水蒸氣凝結導致產(chǎn)生露點腐蝕，以及減少熱量散失，提高爐子運行效率，再循環(huán)管道應進行保溫。通過經(jīng)濟性對比，煙管道應設置50～60 mm向外保溫，保溫結構形式參見圖2。

1-煙風道道體；2-空氣層墊塊(多孔硬質(zhì)板材料)；3-加固肋；4-鍍鋅鐵絲網(wǎng)；5-保溫層；6-保護層

3.3 煙氣回流方法的設計思路

3.3.1 合理控制過?？諝庖蜃?/p>

方案采用的煙氣回流方法從本質(zhì)來說就是一種低氧的燃燒方式。由于氧體積分數(shù)較低,降低了燃燒反應速率和火焰溫度,因而NOx排放值也隨之降低。但是從理論上分析，低氧燃燒后必然容易出現(xiàn)比如高濃度CO產(chǎn)生等風險，會出現(xiàn)燃燒器的不穩(wěn)定燃燒等狀況，甚至無法滿足工藝操作的要求，將會嚴重影響裂解爐的正常運轉。因此,選擇一個合理的過剩空氣系統(tǒng)控制點將是煙氣回流方法控制方案設計的關鍵點，同時應該增設相應的煙氣CO監(jiān)控表用于監(jiān)測燃燒狀態(tài)。

3.3.2 合理控制煙氣回流量

親子閱讀重在互動，閱讀時，可以家長讀孩子聽，還可以分角色讀、輪流讀。為了鼓勵孩子開展獨立閱讀，家長可采用閱讀導入法，選擇一本情節(jié)跌宕起伏的故事書，先由家長聲情并茂地讀給孩子聽，然后在最精彩、最緊張的地方停下來，讓孩子接著把書中的故事讀下去。

煙氣回流方法中煙氣回流量的選取也是一個控制方案設計的關鍵點。煙氣回流量過小將無法滿足預熱空氣氧含量降低的預期要求,從而無法達到有效降低NOx排放值的目的。另一方面,煙氣回流量過大又會帶來如下問題:

(1)從裝置能耗考慮,煙氣回流量過大,相應的煙氣回流風機功率消耗就要相應增大,其能耗就要相應增加;

(2)從裂解爐整體熱效率方面考慮,回流煙氣量越大被其所帶走的無效熱能就要相應增大,對提高加熱爐整體熱效率不利。

3.3.3 選擇合適的設備以及控制方式

由于離心式風機體積較大，而且放置在地面上，入口管線長、壓損大，一般煙氣回流可以考慮使用軸流式風機，布置在主風機平臺，以減少壓損。

循環(huán)風機聯(lián)鎖停機后，煙氣循環(huán)管線相當于給裂解爐爐膛增加一個大旁路，爐膛底部高溫煙氣會被主風機通過煙氣循環(huán)管線抽入爐頂擋板以及主風機，影響裂解爐安全運行。爐頂?shù)臒煔馀月房傞y必須為為帶手輪的聯(lián)鎖閥，出現(xiàn)緊急情況時用于切斷煙氣聯(lián)通。

4 模擬計算

4.1 輻射模型

輻射模型采用離散坐標輻射(DO)模型。DO模型對于任何光學深度都適用，考慮了散射和氣體與顆粒之間輻射換熱的影響，DO模型模擬精度顯著高于其他輻射模型，主要缺點是計算量大。

采用熱力NO和瞬發(fā)NO生成模型。熱力型NOx是通過氧化燃燒空氣中的的氮氣而形成的，快速NOx是通過在火焰前鋒面的快速反應形成的，NOx的輸運方程通過給定的流場和燃燒結果來解。

4.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬中，為了減少計算量，節(jié)省計算時間，選擇了1/2的爐子進行建模計算，計算模型的網(wǎng)格數(shù)是428萬。底部燃燒器模型見圖3，從圖3可以看出底部燃燒器的外形結構，燃料槍共有5支，燒嘴磚內(nèi)的空氣通道里有一根中心T型槍，燒嘴磚外部有四支槍，均布排列。在燃燒器燃料槍的噴嘴附近，為了使計算結果更加準確，利用尺寸函數(shù)對局部進行了網(wǎng)格加密。

圖3 底部燃燒器模型

4.3 邊界條件說明

在邊界條件設置中，進口條件設定為質(zhì)量流量進口，燃料和空氣均是按照給定的質(zhì)量流量作為輸入條件的，保證每支燃料槍的噴槍壓力一致；計算中湍流模型選取的是realizable Κ-ε模型，爐膛內(nèi)的輻射采用離散坐標輻射模型；計算域的出口設定為壓力出口，出口處的壓力值設定為0，燃燒器進口壓力則為負壓。實際使用時，裂解爐為自然通風，并依靠爐膛負壓供風。為了簡化計算，將爐膛的爐管和裂解介質(zhì)吸熱簡化成壁面吸熱，爐管內(nèi)的裂解原料吸熱轉化為吸熱面的吸熱，且不考慮爐膛散熱損失，因此計算得到的爐膛輻射室出口溫度將比實際溫度偏高。

燃燒器所用的燃料為體積分數(shù)90%的CH4和10%的H2，溫度為常溫，空氣過剩因子為1.1，空氣預熱溫度為80 ℃；燃料噴前壓力為0.14～0.16 MPa，爐膛負壓為-50～-70 Pa。

5 結語

隨著環(huán)境保護、減排指標的進一步嚴格和收緊，僅僅依靠原有的低氮燃燒技術已經(jīng)難以滿足乙烯裂解爐超低氮氧化物排放的要求，將煙氣再循環(huán)技術與原有低氮燃燒技術進一步耦合，是一條新型的裂解爐超低氮燃燒技術路線。通過數(shù)值模擬仿真，已經(jīng)驗證可以在底部和側壁聯(lián)合供熱的裂解爐上實現(xiàn)NOx排放值不大于60 mg/m3的超低排放。同時對工藝管道設計做了比較詳細的工程計算，為在工程上具體應用實施提供了計算依據(jù)。