连续重整圆筒炉低NOx 燃烧器升级改造应用

蒋国权

（中石油云南石化有限公司，云南 昆明650300）

云南石化240 万t/a 连续重整装置共设置5 台圆筒炉，分别为石脑油加氢进料加热炉F-0105、石脑油加氢汽提塔底重沸炉F-0102、 石脑油分馏塔底重沸炉F-0103、重整脱戊烷塔底重沸炉F-0205、二甲苯塔底重沸炉F-0401。 该5 台圆筒炉采用联合烟道布置，共用一套烟气余热回收系统，由山东三维石化工程股份有限公司工程设计与制造， 采用洛阳瑞昌石油化工设备有限公司设计生产低NOx燃烧器，5 台圆筒炉共计58 台燃烧器（F-0101～F-0103 设计各10台，F-0205 设计12 台，F-0401 设计16 台）。

因5 台圆筒炉设计热负荷相差较大、 燃烧器设置与炉膛空间存在差异， 导致装置投料试车初期的操作调整过程中炉膛负压、 氧含量等工艺参数相互影响， 尤其在设计热负荷较小的F-0101～F-0103时，工艺参数波动较为频繁，主要表现为炉膛底部负压波动范围大（-320～78 Pa），并伴随微正压工况出现，氧含量阶跃波动且范围较宽（0.1%～8%）；当单台加热炉炉膛负压波动时相邻加热炉炉膛负压也跟随波动； 调整单台加热炉负荷时燃烧器频繁出现脱火、熄火现象；增点燃烧器困难且容易熄灭；调整一次风门过程相邻燃烧器出现火焰发飘， 辐射室顶部出现二次燃烧，加剧炉膛负压波动；热负荷高的加热炉波动时， 低热负荷的加热炉炉膛出现正压回火等现象，直接影响加热炉安全运行。 同时燃烧器燃烧不稳定，氧含量波动大，烟气中CO 含量高，过剩空气系数偏高，整个圆筒炉操作成为装置节能降耗、长周期运行调整的瓶颈。

1 低NOx 燃烧器燃烧不稳定原因分析

石油炼制工业污染物排放标准[1]要求工艺加热炉烟气中NOx排放限制为100 mg/m3。 因此，加热炉设计过程燃烧器必须选用低氮燃烧技术[2]。装置原设计低氮燃烧是通过燃烧器的燃料分级燃烧和烟气回流循环技术来降低火焰中心温度，减少热力学NOx的生成。

低NOx燃烧器原设计一般适用于炉膛温度大于630 ℃以上的燃烧条件。 当炉膛温度在500～600 ℃区间时，燃料气在燃烧过程中未充分燃烧，烟气中产生大量CO。 未完全燃烧的CO 在炉膛内开始聚集，与过剩氧接触过程中， 遇到燃烧火焰锋面的高温（CO 着火点618 ℃）达到可燃条件，在炉膛内产生二次燃烧。 反应过后炉膛内氧含量迅速减少，炉膛负压增大，CO 再次聚集，周而复始，恶性循环。 此时，炉膛内温度和烟气量发生较大变化，引起炉膛负压波动，甚至炉内微正压。 加热炉炉膛空间小，对炉内烟气量的变化越敏感，炉子的负压波动越剧烈，最终导致燃烧器脱火、熄火的现象发生。

燃料气组分与设计组成偏差也会导致低氮燃烧器燃烧不稳定。 实际生产过程中燃料组成主要成分为甲烷，甲烷火焰传播速度在燃料组分中相对较慢，甲烷的火焰传播速度为0.769 m/s，且甲烷的可燃范围窄，仅为5%～15%。 此外，燃料中氢含量由设计组成值32%减少到10%以下，也直接影响火焰区温度和燃烧速度。

2 燃烧器升级改造方案

鉴于实际运行过程中圆筒炉炉膛温度长期在630 ℃以下， 为了减少低NOx燃烧器在低炉温条件下的燃烧不充分现象，需要通过强化燃料分级燃烧，提高燃烧器中心火焰温度，减少CO 生成量。

主要改造方案如下：

（1）增加燃烧器中心稳焰枪（顶部带有稳焰罩），目的是提高燃烧器中心火焰温度， 使分级燃烧过程中形成的CO 进行充分燃烧。

（2）新设计更换燃烧器底部中心封板，保证中心稳焰枪安装过程中准确定位。

（3）变更现场燃料输送管分支设计三通为四通，为中心稳焰枪接入燃料， 同时增加中心稳焰枪燃料连接用金属软管。

（4）更换新型稳定长明灯。

进行升级改造的低NOx燃烧器如图1 所示。

图1 燃烧器升级改造示意图

3 燃烧器改造实施

重整联合装置5 台圆筒炉分批次更换， 烟气NOx排放达到环保要求后再更换下一批。同时在燃烧器更换过程中避免引发炉子回火、熄火等事故，确保炉子安全平稳运行。 部门制订详细的燃烧器更换方案，按要求逐一对称更换，在施工过程中戴好防烫手套和全封闭面罩，现场作业视频监控、安全管理旁站监督，保证施工作业安全受控。 具体更换时间如下：

（1）2018 年3 月F-0102 对称改造5 台燃烧器。

（2）2018 年7 月F-0101、F-0103 分别对称改造5 台，共10 台燃烧器。

（3）2018 年10 月底F-0401、F-0205 全部燃烧器28 台，F-0101、F-0102、F-0103 剩余15 台， 共计43 台燃烧器升级改造完成。

4 燃烧器升级改造实施效果评估

（1）圆筒炉低氮燃烧器升级改造后烟气中NOx满足环保排放要求，且大幅降低烟气中CO 含量。

通过表1 可以看出，圆筒炉升级改造后，排放烟气中CO 含量由1 834 mg/m3降低至13 mg/m3，烟气中NOx含量改造前后无明显变化， 完全满足烟气NOx排放限制100 mg/m3的指标。

（2）圆筒炉低氮燃烧器升级改造后加热炉燃烧工况得到明显改善。 燃料气炉前压力有效降低，操作压力由0.14 MPa 降至（0.1±0.01）MPa。炉膛温度降低且均匀分布，解决炉膛内烟气二次燃烧的问题，有效控制炉膛负压波动、燃烧器脱火熄火等瓶颈问题。 升级改造前后加热炉运行状况对比见表2。

（3）圆筒炉低氮燃烧器升级改造后各加热炉燃料气用量在相同负荷条件下降低明显（见表3）。

（4）装置综合能耗得到不同程度的改善。 以石脑油加氢装置能耗分析， 燃料气单耗占综合能耗的80%。 燃料器升级改造后燃料气单耗和装置综合能耗大幅下降，变化趋势如图2 所示。 燃料气耗量降低的原因分析为：

表1 燃烧器升级改造前后圆筒炉烟气组成对比

表2 燃烧器升级改造前后加热炉运行状况对比

表3 燃烧器升级改造前后燃料气耗量对比（加工负荷相同）

①燃烧器升级改造前，由于燃烧不稳定，为维持燃烧相对稳定，圆筒炉氧含量控制4%～5%，改造后氧含量控制1.5%～2.5%，有效提高加热炉热效率。

②燃烧器改造后，燃料气燃烧完全，烟气排放中不含CO，保证环保达到排放，有效降低燃料气消耗。

图2 石脑油加氢燃料气单耗和综合能耗趋势图

5 结论

（1）低NOx燃烧器升级改造后，炉膛内燃烧工况得到明显改善，消除炉膛内烟气二次尾燃隐患，使炉膛负压控制稳定，保障加热炉安全运行。

（2）低NOx燃烧器升级改造后，加热炉排放烟气中NOx含量远低于100 mg/m3的环保排放要求。

（3）低NOx燃烧器升级改造后，实现多台燃烧器稳定运行，消除燃烧器容易脱火、熄火的隐患，炉膛温度降低且分布更为均匀。

（4）低NOx燃烧器升级改造后，降低加热炉烟气中氧含量控制，有效降低过剩空气系数，节约燃料消耗，降低装置综合能耗。