USC-48U型裂解爐燃燒器改造

杜楠

（中國石油大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163714）

在裂解爐中，燃燒器是十分重要的組成。燃燒器內(nèi)燃料的燃燒提供了裂解爐工作需要的熱量。裂解爐的性能會因不同配置、性能和形勢的燃燒器而有所不同。要想保證裂解爐長期安全穩(wěn)定運行，就必須保障燃燒器優(yōu)異性能。隨著環(huán)保意識的提升，在裂解爐逐步大型化的趨勢下，對燃燒器的NOx排放、火焰形狀、火焰長度以及爐內(nèi)熱量分布等性能提出了更高要求。

中國石油大慶石化公司裂解一套乙烯裝置采用美國斯通-韋伯斯特公司專利技術USC-48U型裂解爐，由于該技術較早，為了節(jié)能降耗，2010年對裂解爐進行對流段進行了改造，原設計側壁火嘴占熱負荷70%，共計6排火嘴，底部燒嘴占熱負荷30%，改造后取消了側壁的第一排和第六排火嘴。煙氣指標為100～120mg/Nm3，裂解爐升降溫、燒焦等工況時煙氣指標會更高。2015年4月16日國家環(huán)境保護部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合頒布《石油化工工業(yè)污染物排放標準》（GB31571-2015），標準規(guī)定現(xiàn)有企業(yè)自2017年7月1日起，其水污染物和大氣污染物排放控制按本標準的規(guī)定執(zhí)行，其中對大于14MW的工藝加熱爐必須滿足煙氣中環(huán)保指標中NOx數(shù)據(jù)為小于150mg/Nm3，爐膛溫度大于850℃的工藝加熱爐執(zhí)行NOx數(shù)據(jù)為小于180mg/m3。但是，針對特別重點地區(qū)，煙氣指標中NOx數(shù)據(jù)為小于100mg/Nm3。對此，利用2018年裂解裝置大檢修機會，對其中一臺USC-48U型裂解爐進行燃燒器改造，更換側壁及底部燃燒器及配套火嘴磚。

1 NOx生成與抑制機理

經(jīng)分析表明，燃燒器排放的NOx中90%以上是NO，研究NOx的生成機理及抑制方法主要是針對NO的。NO生成的途徑有三種：溫度型NO；快速型NO；燃料型NO；高溫區(qū)域內(nèi)煙氣停留時長、燃燒溫度以及煙氣內(nèi)氧含量直接決定了NO生成量：相同溫度時間越短生成NO越多，相同時間溫度越高，生成NO越多，由于NO生成反應所需要的活化能高于可燃氣體燃燒反應，故NO生成速度不燃燒反應慢，因此，在火焰面內(nèi)不會大量生成NO。NOx大量生成時在火焰下游側，特別是在火焰面下游側局部高溫。局部氧濃度大及煙氣停留時間長的那些區(qū)域。這些區(qū)域?qū)刂芅O生成時至關重要的。目前國內(nèi)外已經(jīng)采用多種低NOx燃燒器，其抑制原理都是采用促進混合、分割火焰、煙氣循環(huán)、分段燃燒以及他們的組合形式。

2 新型燃燒器技術改造結構及原理

新型底部燃燒器（如圖1）的燃燒方式為擴散型，應用了底部區(qū)域氣動駐渦燃燒技術、煙氣爐內(nèi)回流循環(huán)技術以及尾緣燃氣分級等技術。通過燃燒器高溫煙氣射流氣動卷吸爐膛煙氣。此外，燃燒器尾部火焰與燒嘴磚相遇會出現(xiàn)鈍體負壓區(qū)，在負壓作用下，吸入爐膛煙氣，在噴嘴燃料氣引射摻混作用下，使燃料氣分級燃燒效果得到提升，使熱力NOx的生成大幅降低。在助燃風、煙氣以及燃料的相互摻混下，實際燃燒的火焰溫度比理論值更低，也減緩了燃燒速度，加長了燃燒過程，同時，爐膛輻射換熱也會是火焰溫度更低。以此降低火焰峰值溫度，從而使產(chǎn)生的NOx減少。此外，在貧氧情況時，甲烷燃燒過程中生成的中間產(chǎn)物包括碳氫粒子等，煙氣內(nèi)的NOx在這種還原氣氛中會被還原，生成O2和N2，以此減少了NOx排放。從裂解爐的實際情況出發(fā)，對尾緣燃燒射流結構進行優(yōu)化設計，新型尾部結構能與爐膛壁面產(chǎn)生壁面效應，使爐膛煙氣內(nèi)循環(huán)加強，形成裂解爐爐膛底部區(qū)域的駐渦燃燒。與老式火嘴比較，增加了燒嘴個數(shù)，相當于強化了分割火焰，與煙氣循環(huán)。老式側壁燃燒器如圖2。

圖1 新式底部燃燒器

圖2 老式側壁燃燒器

圖3 新式側壁燃燒器

新型側壁燃燒器（如圖3）的燃燒方式為擴散型，通過超多層助燃風分級精確控制設計對燃燒進度進行有效控制，使燃燒速度降低，火焰燃燒過程延長，在輻射換熱作用下降低火焰峰值溫度，使燃燒過程中出現(xiàn)的NOx明顯減少。部分燃料的結構設計采取先還原后燃燒的方式，借助于燃料中的甲烷，煙氣可在還原氣氛中實現(xiàn)NOx的部分還原，生成O2和N2，以此減少了NOx排放，徹底改變了老式側壁火嘴的預混燃燒形式，同時，高速射流的燃氣和半預混火焰可以卷吸爐膛內(nèi)大量煙氣，形成煙氣回流，進一步降低NOx生成。老式側壁燃燒器如圖4。

3 實際應用及測試情況

更換完低氮燃燒器后，進行投料運行，運行穩(wěn)定。將投料量提至滿負荷運行，實現(xiàn)了穩(wěn)定運行，同時，進行現(xiàn)場排放檢測，NOx排放值降低到85mg/Nm3以下，燃燒狀態(tài)良好，爐內(nèi)熱場分布均勻，運行工藝參數(shù)和未改造前基本一致，氧量4%，NOx39ppm，NOx排放折算值84.6mg/Nm3，基本達到預期，真實地反映出新型燃燒器的技術水平。使用新型燃燒器底部燃燒器的熱負荷占全爐的60%，比老式燃燒器有所提高。燃燒器的所有部件均無損壞，更換便利，同時，燃燒器燒嘴使用壽命增加至3年，降低了更換頻率，降低維護費用。

圖4 老式側壁燃燒器

4 結語

本次USC-48U型裂解爐燃燒器改造達到降低NOx排放預期目的，為裂解爐的優(yōu)化前進一步，但是，裂解爐的優(yōu)化是一個綜合的系統(tǒng)工程，隨著科技的發(fā)展，越來越多的新技術會運用到裂解爐的優(yōu)化改造中，但是，“綠色”優(yōu)化除了切實有效的設備改造之外，更重要的是根據(jù)實際情況真對裂解爐的不同工況優(yōu)化操作、精細管理，才能達到節(jié)能降耗，提高裂解爐的熱效率，才能給企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。