工艺加热炉烟气排放低氮化改造

吴佳亮，王 鹏

（1.东华能源（宁波）新材料有限公司，浙江 宁波 315812；2.兰州石化三叶公司，甘肃 兰州 730060）

0 引言

兰州石化三叶公司汽柴混油常压蒸馏装置的工艺加热炉燃料气工艺简介如下：将0.4 MPa（表压）的瓦斯通过自然通风的方式进行扩散式燃烧（即气体燃料没有预先与空气混合，燃烧所需的空气依靠燃料和空气扩散作用从周围空气中获得，其燃烧速度和燃烧的完全程度主要取决于燃气和空气分子之间的扩散速度和混合的完全程度），用燃烧热对炉管中的汽柴混油进行加热。装置的工艺加热炉主要结构由燃烧器、炉膛及通风系统等组成，其中炉膛又分为对流室和辐射室。加热炉主要工艺指标为炉膛温度为500 ℃～550 ℃，炉出口温度230 ℃～250 ℃，烟道温度为280 ℃～300 ℃，工艺加热炉出口废气中的主要大气污染物为颗粒物、二氧化硫及氮氧化物三种。

国家环保部于2015 年4 月16 日发布有关石油炼制工业企业及其生产设施的水污染物和大气污染物排放限值、监测和监督管理要求的新标准——《石油炼制工业污染物排放标准》（GB 31570-2015）。该标准中第5.1.3 条款规定：根据环境保护工作的要求，在国土开发密度已经较高、环境承载能力开始减弱，或大气环境容量较小、生态环境脆弱，容易发生严重大气环境污染问题而需要采取特别保护措施的地方，应严格控制企业的污染排放行为，在上述地区的企业执行表4 规定的大气污染物特别排放限值。“表4 大气污染物特别排放限值”中规定工艺加热炉排放的污染物项目及其排放浓度执行以下限值标准：颗粒物为20 mg/m3，二氧化硫为50 mg/m3，氮氧化物为100 mg/m3[1]。汽柴混油常压蒸馏装置处于上述规定中的地区，按要求须在2017 年7 月1 日起执行该新标准的相关规定。

2016 年5 月，甘肃隆宇检测科技有限公司对汽柴混油常压蒸馏装置加热炉出口的废气排放进行连续2 天的监测，具体监测结果见表1。由表1 可知，汽柴混油常压蒸馏装置加热炉出口废气监测结果为：5 月4 日，烟尘浓度（即颗粒物）三次监测值的平均值为8.6 mg/m3、二氧化硫浓度三次监测值的平均值为29 mg/m3、氮氧化物浓度三次监测值的平均值为151 mg/m；5 月5 日，烟尘浓度三次监测值的平均值为9.2 mg/m3、二氧化硫浓度三次监测值的平均值为25 mg/m3、氮氧化物浓度三次监测值的平均值为145 mg/m3。将连续两天的汽柴混油常压蒸馏装置加热炉出口废气中污染物项目的监测平均值与新标准相对比可判定：颗粒物浓度低于20 mg/m3、二氧化硫浓度低于50 mg/m3，均属于达标排放；氮氧化物浓度大于100 mg/m3，属于超标排放。

为满足环保部颁布的《石油炼制工业污染物排放标准》（GB 31570-2015），决定对汽柴混油常压蒸馏装置加热炉燃烧器实施改造——更换低氮燃烧器。

表1 2016 年5 月汽柴混油常压蒸馏加热炉出口监测结果统计表

1 低氮燃烧技术与低氮燃烧器

1.1 低氮燃烧技术

1.1.1 低氮燃烧技术的概念

燃料在燃烧过程中所产生的氮的氧化物主要为NO 和NO2，通常把这两种氮的氧化物通称为氮氧化物NOx。人们把改进燃烧设备或控制燃烧条件，以降低燃烧尾气中NOx浓度的各项技术，都称之为低氮燃烧技术。

1.1.2 NOx的形成和控制

燃烧中NOx生成的反应途径：

燃烧过程中生成的NOx中，90%以上是NO，在较低温度下，NO 氧化成NO2；NOx生成的机理有三种：快速转化型NOx是富烃类燃料燃烧时，在火焰面内高温下空气中的N 和O 通过烃基快速生成的；热转化型NOx是在火焰面下游空气中的N2和O2在高温下反应生成的；燃料转化型NOx是燃料中的氮化物燃烧时转化成NOx的NO生成量较少。

热转化型NOx和燃料转化型NOx的控制：①热力型NOx，大气中的氮和氧在高温燃烧时反应生成的NOx，与燃烧温度、氧气浓度及停留时间有关，温度越高，NOx越多，在温度低于300 ℃时，NOx少量；在温度高于1500 ℃时NOx增加。其控制方法是：降低燃烧温度，减少过量空气，缩短气体在高温区停留时间；②燃料型NOx：燃料中固定氮（有机氮化物）经化学反应生成NOx，一般约有20%～70%转化为燃料型NO，其中约有10%不到转化成NO2。其控制方法是：采用低氮燃烧器技术。一般快速转化型NOx因在燃烧过程中的生成量很少，一般不作为NOx控制的主要对象[2]。

影响燃烧过程中NOx生成的主要因素是燃烧温度、烟气在高温区的停留时间、烟气中各种组分的浓度以及混合程度，因此，改变空气-燃料比、燃烧空气的温度、燃烧区冷却的程度和燃烧器的形状设计都可以减少燃烧过程中氮氧化物的生成[3]。减少NOx的形成和排放通常采用的具体方法为：分级燃烧、再燃烧法、低氧燃烧、浓淡偏差燃烧和烟气再循环等。低NOx燃烧技术的实质，就是降低最高燃烧温度，以及控制在燃烧区的燃料温度或氧浓度，破坏NOx生成的最佳条件，达到减少NO 生成并降低NOx浓度的目的。

1.2 低氮燃烧器

低NOx燃烧器是通过调节燃烧空气量和燃烧头，获得最佳的燃烧参数，达到降低燃料燃烧过程中NOx排放量的目的。根据降低NOx的燃烧技术，低氮氧化物燃烧器大致分为以下几类：阶段燃烧器、自身再循环燃烧器、浓淡型燃烧器、分割火焰型燃烧器、混合促进型燃烧器、低NOx预燃室燃烧器等。

2 工艺加热炉安装低氮燃烧器前状况

2.1 加热炉旧燃烧器相关参数

燃烧器类别：常规NOx排放燃烧器；燃烧器的设计热负荷：1303 kW；操作热负荷：1108 kW；燃气密度：无；低热值：2870 kJ/m3；操作压力：0.4 MPa；燃烧室有无火焰分区：无。

2.2 加热炉烟气排放情况

2017 年3 月，在汽柴混油常压蒸馏装置加热炉燃烧器改造前，再一次监测工艺加热炉烟气排放情况，具体监测结果见表2。

表2 改造前汽柴混油常压蒸馏装置工艺加热炉废气排放口监测结果

由表2 可知，加热炉排放废气中氮氧化物的浓度在2017 年3 月31 日三次监测值的平均值为172.3 mg/Nm3，折算系数为1.79，计算出折算浓度为307.6 mg/Nm3，监测结果仍旧高于新标准规定的100 mg/m3限值。

3 安装低氮燃烧器后的效果

3.1 新燃烧器技术参数

2017 年4 月，汽柴混油常压蒸馏装置加热炉进行了燃烧器更换的改造，选用洛阳某石化设备有限公司生产的低氮燃烧器，其结构图如下图1所示。

该低氮燃烧器技术参数如下：

燃烧器类别：LB-QHN180 型低NOx燃气燃烧器；燃烧器负荷：1.59/1.33/0.32 MW；瓦斯气：低热值24221 kJ/m3、压力400 kPa（表）；燃烧器火焰形状：圆形；燃烧器安装位置：炉底；燃烧室有无火焰分区：被火道砖分成主火焰区和副火焰区。

3.2 新燃烧器的结构、原理及特点

图1 汽柴混油常压蒸馏装置低氮燃烧器结构图

改造前后新旧燃烧器在构造上的主要区别是：①旧燃烧器没有火焰分区，在正常生产时它的1 个主火焰喷枪与其周围分散对称分布的4个副火焰喷枪的火焰在同一区域同时竖直向上喷射燃烧；新燃烧器的结构如图1 所示，其燃烧室被一圈环形多孔型火道砖将4 个分散对称分布的主火焰喷枪和4 个分散对称分布的副火焰喷枪分开，其中每一个主火焰喷枪顶端开有2 个燃料气喷射小孔，每一个副火焰喷枪顶端开有4 个燃料气喷射小孔，在正常生产时主、副火焰喷枪的火焰分区燃烧，形成了主火焰区和副火焰区；②新燃烧器在4 个主火焰喷枪围成的靠顶部中心区域设置了一个圆形折挡板，该折挡板边缘开有分散对称的12 个小孔，而旧燃烧器未设置类似构造；③新燃烧器的一圈环形火道砖是由4 块弧形砖拼接组成的，每块弧形砖上都开有2 个孔，这些孔在朝向上具有多角度、在分布上呈现多方位的特征；④新燃烧器在风道方面进行了改进。旧燃烧器的风道是通过燃烧器圆周外侧滑动式移位调节风量，风量调节容易过大过小，难以实现精细化操作，而新燃烧器将风道改成了在圆周侧面的一小部分弧形面处开设了一个方形进风口，同时设置了易于精细化控制风量的百叶窗型风道挡板并在风道中设置了隔板，因加热炉内燃料燃烧的“烟囱效应”形成了微负压，导致空气从炉底进入的速度较大，隔板的作用就是要降低空气进入燃烧器的流速，达到缓和燃烧剧烈程度的目的，实现“柔性燃烧”。（注：燃烧器的直径Φ=540 mm，风道的长×宽=380 mm×280 mm）

改造后的新型燃烧器从技术类型角度讲，属于综合了分级燃烧技术与分割火焰技术的混合促进型低氮燃烧器，其设计原理是：改善燃料与空气的混合，使火焰面的厚度减薄，弱化燃烧，降低温度，缩短烟气在火焰面即高温区内的停留时间，使NOx的生成量降低。其中：分级燃烧技术又分为空气分级供给和燃气分级供给两种方式，其原理是贫氧燃烧与过氧燃烧相结合，通过中和火焰温度，降低NOx浓度，以及形成部分NOx还原的条件，从而总量上降低NOx排放；分割火焰燃烧技术，其基本原理是把一个火焰分成数个小火焰，由于小火焰散热面积大，火焰温度较低，使“热反应NO”有所下降，此外，火焰小缩短了氧、氮等气体在火焰中的停留时间，对“热反应NO”和“燃料NO”都有明显的抑制作用。

根据上述新燃烧器的构造形式，在减少NOx生成方面的特点主要有：一是将火焰一分为八，即原理中的“分成数个小火焰”，每个喷枪上开有2 或4 个燃料喷射孔，实现火焰分割与燃料分级，降低了火焰高度，缩短了烟气在火焰面的停留时间；二是用火道砖将主、副火焰分区，实现了火焰分层燃烧；三是将主火焰喷枪中心靠上方区域增设折挡板，其作用主要是对进入主火焰区的空气在空间分布上进行再次分配，同时降低其向上扩散的速度，实现减少燃料的不完全燃烧；四是火道砖多孔化，其作用是扩大燃料与配风的空间位置，实现空气分级；五是风道的改进，降低了氧浓度，弱化燃烧，有利于形成还原性环境。以上五个特点均可减少集中燃烧，增大散热面积，降低火焰温度（注：火焰面的温度由1500 ℃左右降至1300 ℃左右），缩短氧、氮等气体在火焰中的停留时间，能够有效地抑制NOx的生成，达到降低加热炉出口废气中氮氧化物浓度的目的。

3.3 改造效果

安装新的低氮燃烧器后，于2017 年5 月再次对加热炉出口废气进行了监测，具体监测结果如表3 所示。

由表3 和图2 可知，安装低氮燃烧器后，加热炉出口废气监测结果中的氮氧化物的折算浓度为85.4 mg/Nm3，比改造前的浓度307.6 mg/Nm3降低了72.2%。由上述数据可得出以下结论：通过改造，不但废气中氮氧化物浓度得到大幅降低，大大减少了NOx污染物的排放，减少了大气污染，同时氮氧化物排放浓度还低于新标准规定的100 mg/m3限值，满足了国家环保部新颁布的《石油炼制工业污染物排放标准》和《石油化学工业污染物排放标准》，据此可判定为本次改造成功。

表3 改造后汽柴混油常压蒸馏装置炉废气排放口监测结果

图2 改造前后加热炉出口废气中氮氧化物浓度变化

4 结语

通过本次燃烧器升级改造，使汽柴混油常压蒸馏装置的工艺加热炉废气中氮氧化物浓度大幅减小，降到了国家规定的环保指标以内，实现了颗粒物、二氧化硫、氮氧化物三项指标全部达标排放，达到了改造的目的，同时减少了装置生产对大气的污染，对保护环境、防治污染及装置自身的可持续发展都具有重大意义。