裂解爐中低氮燃燒器運行情況及NOx排放分析

朱志成

(沈陽石蠟化工有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

社會經(jīng)濟迅速發(fā)展的同時自然環(huán)境也受到了工業(yè)污染的影響，因此保護環(huán)境迫在眉睫。此種情況下，生產(chǎn)裝置內(nèi)產(chǎn)生的污染物，需合理排放，以避免對環(huán)境產(chǎn)生影響。乙烯裝置內(nèi)的裂解爐，NOx排放無法滿足要求，故需對其進行改造。裂解爐低氮燃燒器改造，需要工藝和設備人員的精心操控，才能使得日常的NOx維持穩(wěn)定運行和達標排放[1]。

1 NOx產(chǎn)生機理以及裂解爐反應情況

乙烯裂解爐,作為一個高溫裂解反應爐，工作時間為50～100 d[1]。在末期階段，由于裂解原料進行熱聚集或縮聚，在爐管中產(chǎn)生結焦問題，此時爐管表面溫度或高于 1200 ℃，需要進行退料或燒焦作業(yè)，再用水煤氣反應消除爐管內(nèi)部的焦。根據(jù)爐型，每年燒焦5～9次。日常燃料組分中缺乏氮物質(zhì)，因此形成大量燃料類NOx的可能性很小?？焖傩蚇Ox大多形成在火焰氣體表層，而一般的燃油氣大多為碳氫類燃氣，裂解爐氧氣體積分數(shù)約為3%。若過?？諝庀禂?shù)為1，就會形成足夠的快速型NOx。在燃燒器的燃燒過程中，內(nèi)焰高溫在 1200 ℃ 以上，熱力類NOx就會快速生成，這是裂解爐NOx快速形成的主要因素。

2 裂解爐中低氮燃燒器現(xiàn)狀

揚子石化乙烯裝置的裂解爐在通常工作時間內(nèi)，按照裂解原材料的差異，工作循環(huán)一般在50～150 d。工作循環(huán)內(nèi)一般運行有：發(fā)動機加溫、投料操作、日常穩(wěn)定操作、退料燒焦和減溫停爐等多個流程[2]。在裂解爐的蓄熱燃燒器改裝后的投用過程中，出現(xiàn)了如下問題：

首先，在裂解爐的點火加溫流程中，裂解爐輻射段輸出環(huán)境溫度在400～760 ℃ 熱備情況下，經(jīng)跟蹤檢測，斷裂爐煙道產(chǎn)出的NOx，排放不合格。在裂解爐燒焦階段中，經(jīng)跟蹤檢測，裂解爐煙道產(chǎn)出的NOx，排放不合格。

其次，在裂解爐的減溫停爐過程中，經(jīng)跟蹤檢測，發(fā)現(xiàn)溫度在 500 ℃ 上時，裂解爐排煙管出口NOx，排放不合格，且NOx排放隨著氣溫的降低而逐步減小，在輻射段出口氣溫在 500 ℃[2]以下時，降到了 100 mg/m3以下。

最后，裂解爐在剛開始投料運轉(zhuǎn)時，或裂解爐溫度調(diào)節(jié)過程中，也有NOx排放不合格的狀況。因此，在低氮燃燒器改裝后，NOx不合格大多聚集于開停爐的階段[3]。

3 裂解爐中低氮燃燒器改造后的情況

首先，在第一次使用低氮燃燒器時，在正常運轉(zhuǎn)階段，由于部分斷裂爐的NOx排放量離 100 mg/m3警戒線較小。經(jīng)過技術人員與廠家工作人員現(xiàn)場對NOx的分布值進行檢測和調(diào)節(jié)，將NOx排放量降低在 80 mg/m3以內(nèi)，但在調(diào)節(jié)過程中發(fā)現(xiàn)，僅對下部的低氮燃燒器調(diào)節(jié)，則爐內(nèi)火苗極易出現(xiàn)點燃狀態(tài)不好，甚至火苗發(fā)飄的情況，從而影響了斷裂爐的正常運轉(zhuǎn)。經(jīng)過研究分析，判斷主要原因是由于側(cè)壁風門密封性不好，導致氧氣濃度在局部過高，從而影響了點燃模式的正常調(diào)節(jié)。因此，在裂解爐第二個工作循環(huán)之前，就對其側(cè)壁的蓄熱引燃器進行更換和調(diào)節(jié)，也就為后來其它裂解爐的低氮燃燒器改進指明了思路。經(jīng)過多次的優(yōu)化調(diào)整，裂解爐低氮燃燒器在日常工作過程中能平穩(wěn)達標，NOx排放正常在 80 mg/m3以下[4]。

其次，燃燒器在燒焦、降溫和升溫階段，發(fā)生了在正常氧氣體積分數(shù)(3%，干基)的條件下NOx不合格情形。經(jīng)分析判斷出，裂解爐低氮燃燒器是在正常工作下設定的，但由于在燒焦、降溫和升溫階段，蓄熱燃燒器的工作負載僅為正常工作的10%～30%；為提高燒焦效率，對裂解爐爐管內(nèi)環(huán)境溫度要求也較日常溫度更高。又因需提高爐內(nèi)燃燒條件和溫度場分布，原設定的十格風門開度無法按照實際燃氣狀況做出調(diào)節(jié)，致使正常氧氣體積分數(shù)調(diào)節(jié)到3%后NOx出現(xiàn)超標現(xiàn)象。因此，為了減少鍋爐內(nèi)NOx濃度，需要對蓄熱燃燒器進行降氮處理。根據(jù)現(xiàn)場狀況，在下部燃燒器添加降氮蒸氣噴槍，對下部燃器添加降氮蒸氣。加入降氮蒸氣之后，在燒焦、降溫和升溫階段，NOx可限制在 100 mg/m3之下。在燒焦狀態(tài)下，側(cè)壁風窗全關后，在底部的蓄熱燃燒器中通入降氮蒸氣對NOx濃度的減少效應尤為突出[5]。

4 NOx排放降低措施

4.1 處理裂解爐爐壁漏風

利用低氮蓄熱燃燒器特性，恒速的燃氣、空氣混合液經(jīng)由蓄熱燃燒器進入爐膛出口，可使燃氣在爐膛出口內(nèi)燃燒得更加均勻，從而避免了高溫的過熱點。按照NOx排放量公式，如果大量的空氣經(jīng)爐壁直接流入爐膛，由于煙氣內(nèi)氧氣濃度過高，就會間接地導致煙塵的NOx排放量超標。采取對機爐下部、氣體對流段打上膠密封，將風窗改為全密封風窗等措施，可以減少熱裂解爐漏風。

4.2 調(diào)整風機轉(zhuǎn)速

加入裂解爐的煤倉內(nèi)的空氣，一般是通過機爐上部的引風機調(diào)節(jié)。引風機的輸出功率越大，爐膛負壓值越高，從外部進入爐體的風速也越大。在常規(guī)工業(yè)生產(chǎn)時，如果給定的爐膛出口負壓，風機可以通過設置爐膛出口負壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。風機速度和爐膛負壓力值成正比，引風機的額定電流和額定速度[6]。

風機調(diào)整過程中應注意把總電流限制在額定電流左右，以防止電機過載，從而影響電機壽命。當給定的爐膛負壓之后，若風機電機電流過載，可通過適當關閉風門的方式來調(diào)節(jié)電動機流量。

4.3 調(diào)整燃燒器風門

風機速度和燃料氣風門的開啟度調(diào)整，與爐膛出口負壓有直接關聯(lián)。其中，以下部風門占有主導地位。當爐膛出口負壓一定時，下部風門開啟度越大，則風機速度越高，反之越低。當排煙中CO超標，則NOx排放量合格。當風機速度在較高速度情況下，一般盡可能不調(diào)整下部風門，而可通過調(diào)整側(cè)壁風門的開啟度，使CO濃度降低；一旦風機速度具有較大的上升空間，則一般可增加爐膛出口負壓來調(diào)整CO濃度。在實際工作中，當爐膛出口負壓低于 60 Pa 時，CO質(zhì)量濃度通常可限制在0～60 mg/m3。但一旦排煙中CO濃度合格，則NOx排放量過多時，可通過適量關小下部風門的開度調(diào)整，以減少NOx的產(chǎn)生。與此同時，CO產(chǎn)生量會以較快速率增加，可以采用增加爐膛出口負壓和開大側(cè)壁風門將CO產(chǎn)生量調(diào)整一下。一旦氧濃度超標，選擇調(diào)整側(cè)壁風門開度。也可以針對裂解爐運行狀況，適時通過調(diào)整爐膛出口負壓來調(diào)控[7]。

經(jīng)摸索，爐膛出口氧氣濃度不要過低，通常情況下應超過1%。如果氧氣濃度過低，就會導致CO產(chǎn)生量超標。側(cè)燒第一個排風門按一個風門全開限制，第二個排風門按一個風門50%以上限制，最下部風門按30%～50%以上限制。裂解爐工作末期，側(cè)墻的蓄熱燃燒器噴嘴出現(xiàn)問題時，蓮蓬頭噴出的燃料曲線有改變，會產(chǎn)生輕微冒黑煙現(xiàn)象，可合理調(diào)整第1排側(cè)墻燃燒器的二次風門數(shù)，以降低CO的產(chǎn)生量。整個調(diào)整過程均須緩慢完成，若一次性調(diào)節(jié)完成較好，待裂解爐工作狀態(tài)平穩(wěn)后，再開始下部優(yōu)化調(diào)整，以避免因裂解爐工藝技術參數(shù)波動較大，對產(chǎn)品帶來的負面影響[8]。

4.4 NOx生成量與煙氣過剩氧系數(shù)的關系

調(diào)節(jié)熱裂解爐過剩空氣系數(shù)，是優(yōu)化調(diào)整低氮燃燒器運行條件的主要技術手段。煙氣內(nèi)氧含量與NOx產(chǎn)生量成正比，與CO的產(chǎn)生量成反比。在煙氣內(nèi)氧體積分數(shù)低于1%時，CO產(chǎn)生量最大，同時由于內(nèi)氧含量的下降，CO產(chǎn)生量也快速增大。當采用低氮燃燒器后，煙氣內(nèi)氧體積分數(shù)小于1%時，對燃氣的充分點燃程度和氧含量敏感性都較高。在氧濃度超過1%時，CO產(chǎn)生量可以下降到 50 mg/m3以內(nèi)。而NOx的形成量隨著煙氣內(nèi)氧濃度的提高而呈現(xiàn)上升態(tài)勢，證明了能夠通過調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)氧濃度，減少NOx的形成[9]。

4.5 裂解爐負荷對NOx生成的影響

由于斷裂爐工業(yè)生產(chǎn)負擔的增加，燃氣用量也隨之增加，同時斷裂爐在爐膛中單位時期內(nèi)排放的熱值也將增加，對NOx的形成將直接產(chǎn)生更強烈的危害。而由于斷裂爐工業(yè)生產(chǎn)負擔的增加，煙塵內(nèi)NOx的生成率也隨之增加。在熱裂解爐生產(chǎn)負荷為 42 t/h 時，NOx生成量為 101 mg/m3，且煙塵排放量顯然超標。因此，生產(chǎn)負荷改變后，應當適時調(diào)節(jié)進入鍋爐內(nèi)的空氣濃度，以確保NOx排放量達標。

4.6 其它

燃料氣體的成分發(fā)生變化，熱值也隨之變化，NOx的產(chǎn)生量也跟著變化。當燃油氣內(nèi)摻入液化性氣時，隨著單位燃油熱值提高，裂解爐的NOx產(chǎn)生量也上升更加明顯。當燃油內(nèi)摻入液化性氣運輸后，低氮蓄熱燃煤器的優(yōu)化調(diào)整空間減小。這就證明了燃料的產(chǎn)生熱能若局部不足，就會導致NOx生成量大幅度上升。另外，壓縮后室內(nèi)空氣中的粉塵吸入蓄熱燃燒器的風道中，特別是春天，由于風道的阻塞情況嚴重，室內(nèi)空氣入量變小，容易造成燃燒器燃燒不完全，從而會影響熱裂解爐的煙氣檢測結果。所以，必須定時排查燃燒器燃燒狀況，并定時清洗和保養(yǎng)，使NOx的排放量達標。

5 結語

通過收集各個企業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，發(fā)現(xiàn)低氮燃燒器能夠滿足裂解爐生產(chǎn)過程中NOx的排放要求。部分燃燒器的抗干擾能力較強，但部分裂解爐受到爐膛、熱場分布的影響，致使低氮燃燒器的改造存在一定的困難。而采用燒焦氣返回爐膛的技術，可以有效降低NOx排放。目前存在的主要問題是操作較為困難，需要較多的現(xiàn)場操作人員配合完成，同時，SO2排放問題尚沒有較好的解決方法。隨著環(huán)保要求越來越高，一旦NOx排放要求低于 40 mg/m3或更低,僅靠低氮燃燒器改造，可能無法滿足要求,需在裂解爐對流段增加煙氣脫硝流程。