热氧化炉降氮优化改造经验

丁俊涛，张昪临

（扬子石化-巴斯夫有限责任公司，江苏 南京 210047）

环境保护部2015 年4 月16 日发布了GB 31571-2015 《石油化学工业污染物排放标准》[1]，按照该标准，对于需要采取特别保护措施的区域，现有企业焚烧炉燃烧废气污染物NOx排放限值为100 mg/m3，于2017 年7 月1 日开始执行。新标准十分严格，大部分炉子的排放均不能达到标准规定，因此，必须对炉子进行改造以满足国家标准。

目前化工装置尾气处理目前主流的做法为吸附、水洗或者焚烧。国内化工厂不同气体焚烧炉的供应商多不相同，结构形式也差别较大。由于化工装置尾气组分复杂，工况波动较大，除了NOx不能达标外，组分复杂且工况波动较大，由于高热值组分的波动，焚烧炉经常会碰到炉子超温的问题。本文阐述通过对一台焚烧炉改造过程的结构调整和优化，成功地解决了降氮和炉体超温的问题，针对不同的炉体结构需进行针对性的改造才能得到比较理想的效果。

1 气体焚烧炉降氮和结构优化

1.1 改造前问题概述

气体焚烧炉根据总图布置等原因一般为立式或者卧式设计。该焚烧炉为立式，主要用于处理化工厂不同储罐的呼吸尾气、吹扫和装车尾气。炉体具体外形结构如图1 所示。主要组成部分为炉体、烟囱、燃烧器和火焰监测器。尾气管线和燃料气管线接入燃烧器。

图1 TO 炉主要结构示意图

由于尾气组分和流量波动较大，且在后续生产过程中运行参数也有一些变化，在炉体原始设计时无法准确考虑并覆盖全部工况。尾气中高热值的尾气介质在运行过程中的一定阶段占比较大时会造成炉体超温严重，达到1 000 ℃以上。炉体超温会对焚烧炉内壁和使用寿命以及炉体相关仪表附件造成不良的影响，且造成炉体外壁温度升高引起人身安全风险。改造前氮氧化物排放浓度高于100 mg/m3，组分的复杂性使降氮增加了很多难度。

1.2 降氮和炉体超温解决方案

1.2.1 降氮改造

NOx是所有氮氧化物的统称。燃烧过程中生成的NOx主要是指 NO 和 NO2，其中 90%以上是 NO，其余是NO2。根据燃料和燃烧条件不同，在燃烧过程中生成的NOx主要可分为三种，即热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。

热力型NOx又称温度型NOx，是由空气中的N2和O2在高温下氧化而生成的氮氧化物。

根据NOx的生成机理，大致可将氮氧化物的减排技术分为三类：燃烧前脱氮、燃烧中控制和燃烧后降低。

对于新建项目或在现场空间和资金允许的情况下，采用燃烧前脱氮和燃烧后控制可以直接达到预期效果。对于现有炉子改造，在场地和生产的影响下，一般采用燃烧中控制。该炉亦采用这种方式。

燃烧过程中，决定NO 生成量的主要因素是烟气中的氧含量、 燃烧温度及烟气在高温区的停留时间等，因此低NOx燃烧器的设计通常基于以上因素考虑，通过合理调整燃烧区域的各项参数，采用空气分级、燃料分级、烟气循环、注蒸汽等技术中的一种或者多种措施组合后破坏NOx有利生成的环境，最终达到降低污染物排放的目的。该炉考虑燃烧器注入蒸汽以达到国家规定的标准要求。

蒸汽注入降氮的原理：

（1）降低燃料气体积热值，从而使火焰区域内的峰值温度降低，降低第二步N 原子生成的反应速率，从而减少热力型NOx的生成。

（2）降低O2的分压，使反应速率降低。高温燃烧容易造成NOx的产生，因此通过注入稀释剂，降低火焰区的温度，可以有效降低热力型NOx的产生。

经过注蒸汽试验，在炉底增加一根蒸汽喷枪，调节蒸汽和燃料气的比例，可以到达预期效果，满足国家环保标准。不同负荷的炉子蒸汽注入比例不同，可以通过调节阀进行不同比例的尝试，具体测试工况见表1，相关结果见图2。

由于图中手持式分析仪监测到的NOx浓度是干基浓度，且折算到3%干基O2浓度。正常操作时炉膛排放烟气的干基流量约3 100 m3/h。

因此：

（1）蒸汽注入对NOx排放的浓度实际上不存在稀释效果。

（2）由于计算基础都是干基数值，NOx的排放总量降低值=（改造前 NOx浓度-改造后 NOx浓度）×烟气干基流量。

（3）取样数据期间的平均值=（73.66 mg/m3-39.33 mg/m3）×3 100 m3/h×（822 ℃+273.15 ℃）/273.15 ℃=426 685.52 mg/h=0.427 kg/h，蒸汽注入法实际降低了TO 炉的NOx排放量约0.427 kg/h，对比不注蒸汽的排放量0.916 kg/h，降低了约46.62%。

1.2.2 炉体超温问题的解决方法

通过注入蒸汽可以达到降氮的目的。解决炉体超温只能从两方面着手：一个是源头上解决，即控制高热值尾气的输入；另一个是对炉体进行降温冷却。由于储罐尾气的量与环境温度、装车等因素有关系，这些因素并不为恒定值，毫无规律可言，因此源头控制难度很大。对炉体进行降温目前常用的方法为注水冷却，但是注水是否会对炉体产生不好的影响，现在还无定论。经过尝试，对蒸汽注入枪头和由尾气注入枪头进行优化，可以很好地解决该问题。

表1 运行工况及测量数据

图2 NOx 测量数据统计分布图

一般TO 炉设计中尾气，燃料气和蒸汽进炉膛设计分为两种：一种为这几种气体全部集成在燃烧器上进入炉膛；一种由于炉体尺寸限制，燃烧器只包含燃料气和蒸汽，尾气管线通过炉壁开孔进入炉膛燃烧。尾气和蒸汽喷枪集中在燃烧器上，采用图3 所示结构，蒸汽走外管，尾气走中心枪，可以很好地解决该问题。蒸汽用来降氮，同时通过该结构将蒸汽作为降温的媒介。高热值的尾气在燃烧过程释放的热量可以通过包裹在其周围的蒸汽来稀释降温，可以达到降温的效果，另外燃料气喷枪由于也在蒸汽喷枪旁边，蒸汽同时也可以起到降氮的作用。在运行过程中经过手持试测温仪检测，高热值尾气通过该中心枪进入，基本可以避免炉子高温的出现，维持炉子的正常运行。

图3 喷枪结构优化示意图

2 总结

通过蒸汽注入和对相关尾气注入口的一些改动，可以成功的实现降氮目的，同时也可起到防止炉膛超温的目的。但是需要注意蒸汽的注入比例，对于不同负荷的炉子可以适当地进行调整，以达到最佳效果，因此对于已建或者新建炉子可根据实际运行情况参考以上经验进行优化设计。