新型低氮燃燒器的原理及應(yīng)用

景曄

中國(guó)石油大連石化公司 遼寧 大連 116031

隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境越來(lái)越重視，對(duì)煉化企業(yè)污染物排放的管控力度也不斷加大。其中，加熱爐排放煙氣中氮氧化物（NOx）含量就是一項(xiàng)重要的監(jiān)管指標(biāo)。NOx是大氣的主要污染物之一，它不但能破壞臭氧層而且也是形成光化學(xué)煙霧的主要組分。2015年4月16日，中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定“新建企業(yè)工藝加熱爐自2015年7月1日起執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)，特別限值地區(qū)執(zhí)行100mg/m3的排放限值”[1]。煉化企業(yè)早期投產(chǎn)加熱爐的煙氣排放很難達(dá)到這一指標(biāo)要求，因此，通過(guò)一定的技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)減排十分有必要。

1 汽油加氫裝置加熱爐介紹

大連石化公司225萬(wàn)t/年汽油加氫裝置，2013年建成投產(chǎn)，共設(shè)置有2臺(tái)加熱爐，分別為分餾塔加熱爐（位號(hào)H-9101）和加氫脫硫（HDS）反應(yīng)加熱爐（位號(hào)H-9102）。分餾塔加熱爐位于分餾塔底循環(huán)管線上，用于給分餾塔底提供熱源。HDS反應(yīng)加熱爐位于HDS第一反應(yīng)器出口，物料經(jīng)加熱爐加熱后至穩(wěn)定塔底換熱，再進(jìn)入HDS第二反應(yīng)器中反應(yīng)。

2臺(tái)加熱爐均屬于方箱式立管爐，分別設(shè)有輻射室和對(duì)流室。加熱爐下方設(shè)有燃燒器，分別通入瓦斯和空氣進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的熱量用于加熱四周爐管中的物料。分餾塔加熱爐（H-9101）內(nèi)設(shè)16個(gè)燃燒器，中間用一個(gè)隔斷隔開(kāi)，兩個(gè)腔室內(nèi)各有8個(gè)燃燒器。HDS反應(yīng)加熱爐（H-9102）內(nèi)設(shè)有12個(gè)燃燒器，分3排排列，每排有4個(gè)燃燒器，每2排燃燒器中間設(shè)有爐管。

2臺(tái)加熱爐共用1套水熱媒空氣預(yù)熱系統(tǒng)。設(shè)置有1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)和1臺(tái)引風(fēng)機(jī)用于強(qiáng)制通風(fēng)。2臺(tái)加熱爐燃燒所產(chǎn)生的煙氣被引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的抽力抽出，經(jīng)空氣預(yù)熱器回收余熱，流經(jīng)煙道，最后統(tǒng)一通過(guò)分餾塔加熱爐頂?shù)臒焽柽M(jìn)行排放?？諝庥梢L(fēng)機(jī)抽進(jìn)風(fēng)道中，與熱媒水及煙氣進(jìn)行2次換熱后送入燃燒器中與燃料氣混合燃燒。

2臺(tái)加熱爐改造前排放煙氣中氮氧化物NOx濃度在130 mg/m3左右，與國(guó)家要求的指標(biāo)還存在一定的差距。因此，計(jì)劃通過(guò)技術(shù)手段升級(jí)改造，使煙氣排放NOx濃度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2 改造方案選擇

化石燃料在加熱爐爐膛內(nèi)燃燒，釋放出化學(xué)能，在燃燒過(guò)程有NOx伴隨煙氣生成。NOx生成的機(jī)理有3種：一是空氣中的2種主要成分O2和N2在高溫條件下發(fā)生化合反應(yīng)，生成NOx，通過(guò)這一途徑生成的NOx通常被稱為熱力型NOx，也叫熱轉(zhuǎn)化型（T-NO）；二是燃料油或燃料氣中含有的氮化物熱分解，再接觸氧發(fā)生化合反應(yīng)，生成NOx，通過(guò)這一途徑生成的NOx通常被稱為燃料型NOx，也叫燃料轉(zhuǎn)化型（F-NO）；三是燃料油或燃料氣產(chǎn)生的 CH 原子團(tuán)撞擊助燃空氣中的 N2，生成碳氮類(lèi)化合物，該化合物再被氧化生成NOx，通過(guò)這一途徑生成的NOx通常被稱為快速型NOx，也叫直接轉(zhuǎn)化型（P-NO）[2]。其中，熱力型NOx的生成量最大，它與燃燒溫度有很大關(guān)系。在溫度足夠高時(shí)，熱力型NOx的生成量可達(dá)NOx總量的90%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證，隨著反應(yīng)溫度T的升高，生成NOx的反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)T＜1300℃時(shí)，NOx的生成速率較低；而當(dāng)T＞1300℃時(shí)，T每增加100℃，NOx反應(yīng)速率增大6～7倍。由此可見(jiàn)，火焰高溫區(qū)的溫度是決定NOx生成量的重要因素，控制火焰高溫區(qū)的溫度就是控制NOx排放量的關(guān)鍵。

目前，減少煙氣中NOx排放的方法主要有3種，一是降低燃料中的氮含量，二是采用低氮燃燒器來(lái)抑制燃燒過(guò)程中生成NOx，三是對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫脫硝處理。首先，燃料轉(zhuǎn)化生成的NOx占比較小，因此降低燃料中氮含量意義不大；其次，由于對(duì)煙氣脫硫脫硝處理的成本較高，改造難度大，因此不適宜采用該方法；所以最為高效適用的方法就是使用低氮燃燒器。

低氮燃燒器通過(guò)改進(jìn)燃燒器結(jié)構(gòu)，利用一定的技術(shù)手段，降低火焰高溫區(qū)溫度，從而達(dá)到抑制NOx生成的目的。目前已有的技術(shù)手段有空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、煙氣循環(huán)等?？諝夥旨?jí)燃燒是將燃燒所需要的空氣分成2股；燃料分級(jí)燃燒是將燃料分成多股，使火焰負(fù)荷分散；煙氣循環(huán)是將一部分燃燒后的煙氣再返回燃燒區(qū)循環(huán)使用。

3 低氮燃燒器原理

汽油加氫裝置加熱爐改造中選用洛陽(yáng)瑞昌公司的新型低氮燃燒器，它采用燃料分級(jí)和煙氣回流相結(jié)合的技術(shù)來(lái)抑制熱力型NOx的生成。如圖1所示，為實(shí)現(xiàn)燃料分級(jí)，每個(gè)燃燒器設(shè)置了若干輔噴槍，它們安裝在耐火磚周?chē)?，瓦斯由噴槍噴孔以一定的角度噴向燃燒區(qū)域，從而達(dá)到分割火焰的目的。分層的火焰與助燃空氣混合燃燒，擴(kuò)大火焰集中區(qū)，降低局部火焰溫度，抑制NOx的產(chǎn)生。同時(shí)，槍頭噴出的火焰依靠耐火磚的結(jié)構(gòu)，在燃料分級(jí)處形成負(fù)壓，進(jìn)而使煙氣在負(fù)壓區(qū)進(jìn)行回流、重新混合，形成煙氣回流，進(jìn)一步降低高溫區(qū)域溫度，抑制NOx的產(chǎn)生。另外，燃燒器高速噴射的瓦斯射流帶動(dòng)燃燒區(qū)域附近煙氣回流，加強(qiáng)爐膛局部對(duì)流換熱，提高爐效率的同時(shí)延長(zhǎng)爐管的使用壽命。

圖1 低氮燃燒器結(jié)構(gòu)原理圖

新型燃燒器根據(jù)適用范圍和結(jié)構(gòu)的差異，又可分為不同的類(lèi)型。本次改造中，分餾塔加熱爐（H-9101）采用GCFB-V形式燃燒器，HDS反應(yīng)加熱爐（H-9102）采用GRFB-Ⅲ形式燃燒器。新型加熱爐燃燒器發(fā)熱量見(jiàn)表1。

表1 加熱爐燃燒器發(fā)熱量

GCFB-V形式燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由筒體、風(fēng)道、風(fēng)道擋板、主瓦斯槍，副瓦斯槍、長(zhǎng)明燈、耐火磚構(gòu)成。筒體為圓柱形。主瓦斯槍布置在筒體的中心處，長(zhǎng)明燈布置在主瓦斯槍的側(cè)邊。風(fēng)道位于筒體側(cè)邊，風(fēng)道擋板可調(diào)節(jié)進(jìn)入空氣量的大小。耐火磚為環(huán)形，安裝在燃燒器內(nèi)部上側(cè)，與筒體同心。副瓦斯槍分散布置在耐火磚的外側(cè)，與爐膛連通。

圖2 GCFB-V形式燃燒器結(jié)構(gòu)

GRFB-Ⅲ形式燃燒器結(jié)構(gòu)如圖3所示，同樣由筒體、風(fēng)道、風(fēng)道擋板、主瓦斯槍，副瓦斯槍、長(zhǎng)明燈、耐火磚構(gòu)成。筒體為長(zhǎng)方體。主瓦斯槍有4根，布置在長(zhǎng)方體的中心位置，長(zhǎng)明燈在4個(gè)主瓦斯槍的中心。風(fēng)道位于筒體側(cè)邊，風(fēng)道擋板可調(diào)節(jié)進(jìn)入空氣量的大小。耐火磚為長(zhǎng)方體，安裝在燃燒器內(nèi)部上側(cè)。副瓦斯槍布置在耐火磚長(zhǎng)方體的左右兩側(cè)，與爐膛連通。

圖3 GRFB-Ⅲ形式燃燒器結(jié)構(gòu)

4 低氮燃燒器改造實(shí)施

4.1 改造施工

2020年裝置大檢修期間對(duì)2臺(tái)加熱爐的全部燃燒器（共計(jì)28個(gè)）進(jìn)行了更換。施工過(guò)程中，先將原有燃燒器拆除，然后在爐底板上預(yù)埋螺栓，再將燃燒器筒體用預(yù)埋螺栓固定在爐底板上，最后修補(bǔ)耐火磚及安裝瓦斯軟管。

低氮燃燒器在安裝過(guò)程中保證安裝質(zhì)量十分重要，它將直接影響到燃燒器的性能。尤其是槍頭尺寸、方位和高度都應(yīng)與安裝圖紙一致，否則將改變?nèi)剂蠂姵龅慕嵌?，從而影響煙氣回流與火焰的燃燒。施工過(guò)程中還應(yīng)注意檢查，燃料氣槍噴口清潔無(wú)雜物，風(fēng)門(mén)能夠靈活操作。在所有燃燒器的燃料氣管線在投用前還要進(jìn)行氣密試驗(yàn)以確保不發(fā)生泄漏。

新型燃燒器在2020年大檢修后隨裝置開(kāi)工投入使用，運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

4.2 生產(chǎn)使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)

4.2.1 防止噴孔堵塞

低氮燃燒器的槍頭噴孔較小，容易堵塞。當(dāng)觀察到燃燒器火焰形狀與其他燃燒器不同，或槍頭出現(xiàn)焦化、熏黑現(xiàn)象時(shí)，說(shuō)明燃燒器出現(xiàn)槍頭堵塞。這時(shí)需要熄火，對(duì)燃燒器的槍頭進(jìn)行清洗。

4.2.2 巡檢時(shí)觀察火焰變化

低氮燃燒器具有比常規(guī)燃燒器更長(zhǎng)和更粗的火焰。日常要通過(guò)火焰監(jiān)視器或現(xiàn)場(chǎng)看火窗來(lái)觀察火焰的燃燒情況，如出現(xiàn)火焰舔爐管、火焰外形變化、冒黑煙等情況，說(shuō)明燃燒出現(xiàn)問(wèn)題，需要及時(shí)調(diào)整。

4.2.3 控制煙氣中的氧含量

如果煙氣中氧含量過(guò)高，說(shuō)明空氣過(guò)剩較多，會(huì)使NOx生成量相應(yīng)增多。所以，需要將煙氣中氧含量保持在合理的區(qū)間，在保證正常燃燒的條件下，控制過(guò)?？諝饬浚M(jìn)一步降低NOx的生成與排放。

5 使用效果分析

新型低氮燃燒器投用后，效果顯著，煙氣中NOx含量下降十分明顯。加熱爐運(yùn)行時(shí)煙氣中NOx含量從改造前2019年的130 mg/m3左右，降低到改造后2021年的50 mg/m3左右，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。改造后NOx遠(yuǎn)低于國(guó)家要求的排放指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。燃燒器的運(yùn)行也十分平穩(wěn)，未出現(xiàn)過(guò)較大故障。

圖4 改造前后氮氧化物濃度

6 結(jié)束語(yǔ)

汽油加氫裝置加熱爐新型低氮燃燒器的改造非常成功，使加熱爐煙氣排放滿足國(guó)家的指標(biāo)要求，用較小的改造成本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。新型低氮燃燒器的使用對(duì)企業(yè)的健康發(fā)展與國(guó)家的環(huán)保治理都具有十分顯著的意義。