切割塔頂不凝氣做燃料的燃燒器的在線低氮改造

羅映波 張海波 王輝 文鋒

（1.岳陽恒盛石化科技有限公司；2.中海油中捷石化有限公司）

1 概述

中海油中捷石化有限公司運行二部60×104t/a汽油加氫脫硫裝置反應(yīng)進料加熱爐（F-201），為輻射+對流型立管立式圓筒爐，爐底設(shè)置4臺底燒圓火焰燃氣燃燒器。常用的燃料氣有2種：切割塔頂不凝氣；丙烷氣。采用自然通風(fēng)形式[1]，燃燒器單臺設(shè)計負荷1.185 MW。為了兼顧全廠生產(chǎn)，減少停產(chǎn)經(jīng)濟損失，在不停爐的情況下進行低氮燃燒器的更新改造，目標是使煙氣中NOx排放 濃 度 從130 mg/m3（標況）以上降低至80 mg/m3（標況）以下，符合GB 31570—2015達標排放小于或等于100 mg/m3（標況）要求。

2018年9月進行在線改造，改造前燃燒器火焰情況，見圖1所示。改造時，將加熱爐負荷降低至設(shè)計負荷的70%，然后逐臺在線更換原有燃燒器。為不影響油品質(zhì)量，一般采取先穩(wěn)定操作，再關(guān)停、更換，再穩(wěn)定操作的方式，維持爐膛溫度基本恒定，確保正常開車。在全部更換調(diào)整穩(wěn)定階段，裝置燃料氣組分變化較大，燃料氣熱值也相差加大，為此，先后對燃燒器噴嘴進行多次調(diào)整，最終，將煙氣中的NOx排放濃度控制在60 mg/m3（標況）以下。

2 低氮燃燒器的選型

低氮燃燒器選型、設(shè)計[2]，一般需要綜合考慮燃料物性、壓力、溫度、助燃風(fēng)溫度、含氧量、爐膛溫度、爐膛操作壓力、煙氣氧含量控制水平、燃燒器布置、火焰形狀要求等。根據(jù)工藝及環(huán)保排放的要求，此次改造所選燃燒器采用低NOx環(huán)保型燃氣燃燒器，主要由火盆磚、筒體、長明燈、環(huán)形氣包槍（8個噴嘴）、調(diào)風(fēng)蝶閥等組成。燃燒器安裝在加熱爐爐底板，火焰向上，火焰截面形狀為圓形，低NOx燃氣燃燒器、設(shè)計火焰形狀見圖2、圖3所示。

燃燒器采用燃料分級+爐內(nèi)煙氣回流+旋流火焰等低NOx組合技術(shù)[3]，一級燃料氣旋流燃燒，在火盆磚出口端面處形成環(huán)形穩(wěn)燃火焰區(qū)域，由于二級燃料氣噴頭處于該火焰環(huán)面上，燃氣根部被可靠的加熱至高溫，再加之二級燃料氣噴向火盆磚上空時，引射了大量的爐內(nèi)煙氣卷入火焰區(qū)域，有效地降低了燃料氣濃度，且由于被卷入的煙氣溫度較低，使得火焰溫度被控制，有效地抑制了煙氣中NOx的生成量，從而實現(xiàn)了燃燒煙氣的低NOx排放[4]。另外，助燃空氣被包裹在火焰中心，形成空心的火焰，火焰中心溫度較低，能有效地抑制NOx生成。

圖1 改造前燃燒器火焰

圖2 低NOx燃氣燃燒器

圖3 設(shè)計的火焰形狀

3 現(xiàn)場改造

3.1 準備工作

加熱爐燃燒器在線更換改造工作具有一定的危險性，組織實施前一定要進行風(fēng)險評估，并進行充分的準備。改造施工時，施工方與用戶方務(wù)必按“施工方案”要求做好相關(guān)準備及應(yīng)急處理措施，以確保加熱爐平穩(wěn)操作，杜絕事故發(fā)生[5]。

施工前，對加熱爐工況進行調(diào)整：一般使加熱爐處理量降至70%以下水平運行，自然通風(fēng)的供風(fēng)方式。因為，隨著改造的推進，將有1臺待更換的燃燒器必須處于熄滅狀態(tài)，且拆除該燃燒器直至安裝新燃燒器時，開口處會有一定時間處于漏風(fēng)狀態(tài)，這些都會影響燃燒器負荷，進而影響爐膛溫度，限制加熱爐運行負荷。

3.2 改造實施

實施步驟：加熱爐負荷70%、自然通風(fēng)、爐膛壓力-10～-30 Pa、煙氣氧含量控制7%～8%、解除自動連鎖控制改為人工調(diào)整、控制模式→穩(wěn)定工況4 h以上→人員、機具、火票、滅火器、隔離線等→關(guān)停待更換燃燒器，同時調(diào)整其余3臺燃燒器負荷，確保爐膛溫度穩(wěn)定→快速拆除舊燃燒器→快速安裝新燃燒器→新燃燒器點火、調(diào)整，同步關(guān)停另一臺舊燃燒器，確保爐膛溫度穩(wěn)定→快速拆除舊燃燒器→快速安裝新燃燒器，直至舊燃燒器全部更換完成→所有燃燒器進行調(diào)整→逐步提高加熱爐處理量至正常水平→煙氣檢測、分析→燃燒器調(diào)整[6]。

3.3 改造效果

第一次改造后，火焰略飄而短，火焰顏色明顯偏黃色，見圖4、圖5。隨機抽取其中1臺燃燒器，并拆下噴頭，發(fā)現(xiàn)在燃燒器投入運行1 h后就有嚴重的積碳現(xiàn)象，見圖6。檢測煙氣中NOx含量，則由改造前的130 mg/m3（標況）降至80～90 mg/m3（標況），煙氣中CO含量為0，污染物排放濃度有所改善，但是，當燃料氣切換至切割塔頂不凝氣時，煙氣中NOx仍有超過100 mg/m3（標況）的現(xiàn)象，因此，并不能完全滿足環(huán)保要求，需要進行優(yōu)化。

圖4 第一次改造后火焰

圖5 第一次改造后火焰中心

圖6 改造后噴頭

表1 改造方案及優(yōu)化方案參數(shù)

4 優(yōu)化整改

4.1 技術(shù)分析

從現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)看，NOx濃度變化與燃料組分變化規(guī)律一致，其中H2組分易燃且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，對于燃料氣燃燒時間影響最大，火焰偏短，燃燒較為集中，火焰區(qū)域體積熱強度較大，火焰溫度高，高溫型NOx產(chǎn)生未得到完全而有效抑制[7]。另外，一級燃料氣噴孔（8個?1.5 mm孔）設(shè)計負荷比例占36%，一級燃料氣旋流燃燒，在火盆磚出口端面處形成環(huán)形穩(wěn)燃火焰區(qū)域，加熱二級主燃料氣，而燃料氣中C3、C4、C5組分的自燃溫度基本都低于500℃，H2易燃且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，因此，二級燃料氣被加熱后溫度過高，噴射到火盆上空與助燃空氣混合后快速燃燒，過程較短，火焰偏短[8]。

從用過不久的噴嘴就開始有積碳現(xiàn)象分析，一級燃料氣并未充分混合燃盡，導(dǎo)致烴類可燃物高溫分解脫碳，故而出現(xiàn)火盆磚口火焰根部火焰發(fā)黃、發(fā)亮；二級燃料氣在根部被加熱溫度過高，未及時與助燃空氣混合燃燒，故出現(xiàn)碳黑粒子，碳黑粒子未燃盡時懸浮在火焰中，具有固體表面輻射特點，有較強輻射能力，并使火焰發(fā)光[9]。

因此，優(yōu)化整改需從燃料分級及燃料噴射角度入手：一是降低一級燃料所占比例，降低二級燃料氣溫升，減緩燃燒速度；二是改變?nèi)剂蠂娚浣嵌?，使燃料分布送入時機合理，減低火焰區(qū)域燃燒強度；三是合理設(shè)計二級燃料氣噴射角度和噴速，引射更多的爐內(nèi)煙氣回流到火焰中心，快速冷卻火焰，降低二級燃料氣濃度，減緩燃燒速度，使火焰更長，火焰散熱面加大。

4.2 噴頭優(yōu)化及效果

根據(jù)上述分析，基本確定2個優(yōu)化方案，即優(yōu)化方案A和B，改造方案及優(yōu)化方案的相關(guān)參數(shù)見表1，噴頭外形見圖7。

優(yōu)化方案A的一級和二級燃料氣噴孔及角度進行了調(diào)整，相較于第一次改造，一級燃料氣負荷占比從36.0%將低至30.7%，二級燃料氣角度由48°改為8°，這樣降低了一級燃燒強度，使二級火焰根部（即環(huán)狀穩(wěn)燃區(qū)）溫度降低，而二級燃料氣通過改變角度，使得二級燃料氣被噴送入火焰區(qū)域的時間推后，燃燒過程拉長。通過更換噴頭改造后，煙氣中NOx濃度降至70～90 mg/m3（標況），燃燒火焰煙氣變藍，優(yōu)化方案A火焰中心及火焰中心見圖8、圖9。

優(yōu)化方案B相較于優(yōu)化方案A，一級、二級燃料氣負荷占比基本相當，但優(yōu)化方案B的一級燃料氣噴射在火盆磚口凸臺側(cè)面后折向火盆中心，不形成環(huán)形旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)燃區(qū)域，即不對二級燃料氣根部進行預(yù)熱。將二級燃料氣角度改為0，即相當于二級燃料氣平行于助燃空氣豎直上升，上升過程中邊混合邊燃燒，進一步放緩了燃燒速度，火焰較比方案A更長，也更藍，優(yōu)化方案B火焰及火焰中心見圖10、圖11。

圖7 噴頭外形

圖8 優(yōu)化方案A火焰

圖9 優(yōu)化方案A火焰中心

圖10 優(yōu)化方案B火焰

圖11 優(yōu)化方案B火焰中心

在線更換燃燒器噴頭并進行調(diào)整后，優(yōu)化方案B優(yōu)于方案A，從火焰顏色到火焰形狀等，都有較大的變化，煙氣NOx濃度隨燃料組分波動而有所變化，排放濃度變化范圍在50～60 mg/m3（標況），在線煙氣分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 在線煙氣分析數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

從改造前130 mg/m3（標況），到改造后50～60 mg/m3（標況），NOx減少70%～80%，實現(xiàn)了減少污染物排放的要求。另外，通過多種燃控技術(shù)的應(yīng)用及精心調(diào)節(jié)，加熱爐熱效率也有所提高，主要原因是改善燃燒混合，燃燒在較低的過?？諝庀禂?shù)下，燃料氣能充分燃燒，直至燃盡。按照一般經(jīng)驗估算：“當煙氣中NOx總量降低30%時，熱爐熱效率提高約可0.7%～1%”，則本次改造后，加熱爐總體效率可以有1.75%～2.5%的提高。

在低氮、超低氮燃燒器選型時，需要注意區(qū)別爐膛操作工況，并著重考慮燃料的性質(zhì)特點，需要區(qū)別于常見燃料的低NOx燃燒器設(shè)計策略，必要時，在改造完成后，再對噴孔進行優(yōu)化，以得到最佳的環(huán)保、節(jié)能效果。