煉油廠工藝加熱爐煙氣治理實踐與探討

徐 進，王 靜

(中國石化洛陽石化公司，河南洛陽 471012)

GB31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》要求，企業(yè)工藝加熱爐大氣污染物排放限值為：SO≤100 mg/m，NO≤150 mg/m，顆粒物≤20 mg/m；需要采取特別保護措施的地區(qū)排放限值為：SO≤50 mg/m，NO≤100 mg/m，顆粒物≤20 mg/m。某石化公司工藝加熱爐于2019年大檢修時增上CEMS監(jiān)控系統(tǒng)，并于2019年11月聯(lián)網(wǎng)運行，對加熱爐煙氣排放情況進行實時監(jiān)控，本文主要對該公司工藝加熱爐煙氣治理實踐進行論述和探討。

1 加熱爐CEMS系統(tǒng)簡介

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)是指對大氣污染源排放的氣態(tài)污染物和顆粒物進行濃度和排放總量連續(xù)監(jiān)測，并將信息實時傳輸?shù)街鞴懿块T的監(jiān)測系統(tǒng)。該公司煉油三部各工藝加熱爐采用的是SCS-900煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)測量子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)等組成。

氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)(測量SO和NO)采用的是MODEL 1080-UV紫外煙氣分析儀，采用紫外差分光譜法，測量原理是Beer-Lambert定律：在吸收截面和光程長已知的情況下，通過測量入射光強度和出射光強度即可計算出對應氣體的濃度。

顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)采用的是MODEL 2030-Ex煙塵監(jiān)測儀，測量原理是激光背散射原理(圖1)：當光源發(fā)出的光照射到煙塵中的顆粒的時候，會發(fā)生散射現(xiàn)象，散射光的強度顯然與顆粒的多少即煙塵濃度有關，通過探測器接收散射光，然后根據(jù)散射光的數(shù)據(jù)可以反推出煙塵的濃度。

圖1 煙塵監(jiān)測儀系統(tǒng)原理示意

2 煙氣超標原因分析

2.1 煙氣 SO2超標原因分析

受反應速度和化學平衡限制，加熱爐煙氣中SO的絕大部分是SO，SO不到SO總量的5%，通常為0.5%～2%。工藝加熱爐煙氣中的SO來源于燃料氣中含有的硫化物，降低煙氣SO排放的途徑有選用低硫燃料氣、燃料氣脫硫、燃燒過程脫硫和煙氣脫硫等，其中較為經濟的方式為燃料氣脫硫。

燃料氣主要來源為焦化和兩套催化裝置的自產干氣、氣柜回收的干氣和外供天然氣。由于外供天然氣硫含量低，因此燃料氣硫含量的主要來源是脫硫后的焦化干氣、催化干氣和氣柜干氣。焦化和催化裝置干氣脫硫均采用胺法脫硫，使用濃度為35%左右的MDEA溶液吸收干氣中的HS，胺液再生時將HS釋放出來，成為硫黃回收裝置的原料。相比較于焦化/催化干氣，氣柜干氣來源于各裝置排放的低壓瓦斯，還受焦化裝置大吹氣的間歇性排放影響，日常管理中還存在安全閥起跳、裝置波動等引起的異常排放，造成氣柜干氣流量及硫化氫含量波動大。

2.2 煙氣NOX超標原因分析

加熱爐燃燒時生成的NO中主要是NO和NO，其中90%以上是NO，NO生成的機理有3種：快速型P-NO是富烴類燃料燃燒時空氣中的N和O在火焰面內高溫下快速生成的；熱力型T-NO是火焰面下游空氣中的N和O在高溫1 400 ℃條件下反應生成的；燃料型F-NO是燃料中固有氮化物(如HCN、NH)在燃燒過程中發(fā)生熱分解再氧化生成NO。決定NO產生量的主要因素是煙氣氧含量、燃燒溫度、煙氣在高溫區(qū)的停留時間、燃料組成等。氫氣燃燒溫度高達2 166 ℃，燃料氣組成中氫含量過多時，會使火焰溫度升高，造成NO升高。空氣中的氮燃燒時生成快速型NO和熱力型NO，可以通過控制燃燒過程減少其生成量，而控制燃燒措施最有效的手段為采用低氮燃燒器。

溶脫加熱爐和焦化加熱爐于2015年大檢修時進行低氮燃燒器改造，滿足當時的環(huán)保排放要求。2019年前對加熱爐NO監(jiān)測是采用人工方式，頻次為每季度一次，人工監(jiān)測誤差和加熱爐運行波動均會影響監(jiān)測數(shù)據(jù)，對加熱爐低氮燃燒器運行效果檢驗有限。CEMS系統(tǒng)投用后對加熱爐煙氣排放進行實時監(jiān)控，在運行過程中發(fā)現(xiàn)加熱爐NO排放值波動范圍超過30 mg/m。

2.3 煙氣顆粒物超標原因分析

與燃油加熱爐相比，燃氣加熱爐由于使用較為清潔的燃料，在燃燒過程中產生的顆粒物少，顆粒物超標的概率很小，僅在裝置開工后第一次啟動加熱爐吹灰器時會造成顆粒物小幅波動，但也會出現(xiàn)瞬時值大于20 mg/m的情況，之后定期啟動吹灰器時對顆粒物排放值影響很小。

煙塵監(jiān)測儀光學窗口鏡片受到污染也會造成顆粒物超標。由于煙塵監(jiān)測儀的安裝位置位于微負壓的環(huán)境中，這樣就不可避免地使得光學窗口鏡片受到來自煙氣的污染。出于保護目的，往往引入壓縮空氣，但是，壓縮空氣中的水和油又不可避免地成為第二個污染源。某裝置加熱爐曾出現(xiàn)因凈化風帶水，造成顆粒物排放指標大于20 mg/m的情況。

2.4 煙氣氧含量影響

根據(jù)GB31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》的要求，工藝加熱爐的實測大氣污染物排放濃度，須換算成基準含氧量為3%的大氣污染物基準排放濃度，并與排放限值比較，判定排放是否達標。大氣污染物基準排放濃度按照式(1)進行計算：

(1)

式中：

ρ

——大氣污染物基準排放濃度，mg/m；

O

——干煙氣基準含氧量，%；

O

——實測的干煙氣含氧量，%；

ρ

——實測大氣污染物排放濃度，mg/m。

在生產過程中，煙氣氧含量對加熱爐煙氣排放指標影響很大，如2020年10月溶脫裝置加熱爐NO超標時對各加熱爐進行排查發(fā)現(xiàn)：F101爐膛氧含量為2.58%，F(xiàn)103爐膛氧含量為2.56%，F(xiàn)301爐膛氧含量為3.06%，但CEMS測量點處煙氣中氧含量大于4.5%(F101、F103和F301共用一套CEMS系統(tǒng)，因加熱爐看火窗、點火孔等部位均已封堵，故判斷為空氣預熱器系統(tǒng)存在漏風情況)，因氧含量高引起的排放指標折算系數(shù)為1.09倍。焦化加熱爐受裝置加工負荷影響，運行爐室氧含量控制在3%左右，備用爐室則大于10%(量程為0～10%)，CEMS測量點處煙氣中氧含量為6.3%，因氧含量高引起的排放指標折算系數(shù)為1.22倍。裝置停、開工期間，加熱爐進行自然通風時，CEMS測量點處煙氣中氧含量可高達18%～20%，很低的煙氣(SO、NO和顆粒物)排放值也會因折算系數(shù)過高而造成超標排放。

2.5 裝置生產負荷及調整影響

焦化裝置加熱爐受生產負荷影響容易造成加熱爐煙氣排放值高。

a) 受公司加工負荷調整的影響，焦化裝置長期處于低負荷運行，負荷率僅為52%，一爐兩室的加熱爐保持單爐室運行。備用爐室只投用15～20個長明燈和1～2個主火嘴燃燒(該爐室共有64個長明燈和火嘴)，爐膛氧含量大于10%，造成煙氣中氧含量偏高。

b) 焦化裝置加熱爐并爐(投用兩個爐室)時，備用爐室先進行快速降溫，引油后要迅速點火升溫；切爐(一個爐室停止進油，改為進保護氣)時，切除爐室要快速滅火降溫，并爐和切爐作業(yè)期間加熱爐熱負荷大幅變化，燃料氣和空氣配比失衡，燃燒器燃燒效果不佳，容易出現(xiàn)火嘴偏燒引起局部高溫，從而造成加熱爐煙氣NO排放值高。

3 應對措施和建議

3.1 加強燃料氣系統(tǒng)管理

a) 實現(xiàn)溶劑再生裝置平穩(wěn)運行，確保貧胺液質量穩(wěn)定合格(溶解硫化氫≤1.5 g/L，溶劑濃度不低于35%)。

b) 確保催化和焦化裝置的干氣脫硫塔平穩(wěn)運行，脫后干氣硫化氫含量小于20 mg/m。

c) 嚴格管理氣柜回收氣體的流量和性質以及來源氣相的穩(wěn)定性，避免大量高含硫氣體進入氣柜回收后，氣柜壓縮機至二催化氣柜干氣流量上升而造成氣柜干氣脫硫塔超負荷運行。

d) 對未脫硫含硫氣直接進入高壓瓦斯的流程進行切斷或隔離，對不含硫氣相至高壓瓦斯管網(wǎng)的，在投用前必須先申報再排放。

e) 最大幅度降低燃料氣中的氫氣和氮氣含量，如控制各類壓縮機的密封氮氣排放、烴類設備檢修時采用憋壓處理方式(即先泄壓至氣柜再充氮氣，如此反復直至氮氣中烴含量小于0.5%)。

3.2 優(yōu)化加熱爐運行

a) 調整低氮燃燒器燃燒狀況，采取減緩燃燒速率、控制燃燒強度、降低燃燒溫度、降低氧氣分壓等措施，如焦化加熱爐按照內焰小、外焰大，火苗高度盡量短來進行調整，風門開度由原來的2/3降低到1/2，以保證低氮燃燒器效果充分發(fā)揮。

b) 降低煙氣氧含量。嚴格控制加熱爐爐膛氧含量，根據(jù)NO排放情況按照3%～4%的下限進行控制。同時降低爐膛負壓，封堵所有看火孔和點火孔，排查并處理加熱爐和空氣預熱器漏風情況。

c) 適當降低燃料氣壓力，如溶脫裝置將加熱爐主火嘴壓力由0.30 MPa降至0.21 MPa，長明燈壓力由0.4 MPa降至0.2 MPa。

3.3 優(yōu)化裝置加工負荷

a) 現(xiàn)階段要優(yōu)化催化、焦化和溶脫裝置間的渣油平衡，穩(wěn)定焦化裝置生產負荷，減少因負荷大幅調整而進行的加熱爐切并爐作業(yè)，降低因此帶來的煙氣超標風險。

b) 隨著煉油結構調整項目各裝置陸續(xù)投產，對現(xiàn)有生產裝置負荷的調整也會越來越大。如新建渣油加氫裝置投產后，焦化裝置和溶脫裝置生產負荷可能大大降低，會對加熱爐煙氣排放造成不可預知的風險，需要在安排生產計劃時重點關注。同時，若渣油加氫裝置定期更換催化劑，焦化和溶脫裝置均要大負荷生產，也要提前考慮由此引起的CEMS排放問題。

3.4 提高煙氣超標預警應急響應

設置加熱爐煙氣(SO、NO、顆粒物)排放超標預警值，分別制定環(huán)保應急預案并加強演練，出現(xiàn)異常時當班職工第一時間排查CEMS儀表問題，及時處置異常情況，避免造成瞬時或小時均值超標。當煙氣各指標達到預警值時均需要立即聯(lián)系維保單位到現(xiàn)場檢查CEMS儀表運行情況。分別制定應急響應措施，若焦化加熱爐SO預警時需立即調整提高干氣脫硫塔胺液量，降低脫后干氣硫化氫含量，并要檢查再吸收塔柴油吸收劑流量是否變化，應控制≮25 t/h，對燃料氣進行采樣分析。當NO超標時則主要是降低加熱爐氧含量，檢查并確認關小或關閉主火嘴風門、長明燈風門，調整加熱爐火焰，避免燃燒不完全。當顆粒物超標時，確認是否進行加熱爐吹灰操作，暫停吹灰；檢查凈化風系統(tǒng)是否帶水，若凈化風帶水則需要對煙塵監(jiān)測儀進行維護，快速清理光學窗口鏡片，并對使用的凈化風進行脫水作業(yè)。

3.5 加強CEMS系統(tǒng)維護

a) 加強凈化風系統(tǒng)管理。按照凈化風露點溫度≤-20 ℃來進行控制，避免因凈化風帶水造成顆粒物超標。

b) 加強日常巡檢。要求維保單位重點對CEMS系統(tǒng)的運行狀態(tài)、系統(tǒng)輔助設備的運行狀況、煙氣CEMS工作狀態(tài)進行排查，檢查各反吹管路、溫度顯示以及閥門狀態(tài)是否正常。

c) 加強系統(tǒng)日常保養(yǎng)。定期對CEMS系統(tǒng)進行校準維護、對煙塵監(jiān)測儀光學窗口鏡片進行清潔、對系統(tǒng)內的過濾器及管路進行清洗、對流量計探頭進行腐蝕檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

d) 做好分析室空調維護，避免夏季因空調故障引起CEMS儀表間溫度過高而造成排放異常。