热媒炉氮氧化物排放影响因素分析及改造

李建波 虞小三 夏东平 金小林

(中国石化上海石油化工股份有限公司涤纶部，上海 200540)

氮氧化物(NOx)是形成光化学烟雾、酸雨以及臭氧层破坏的主要污染物，随着全球大气污染问题日益严重，工业排放NOx已被列为重点控制污染物。NOx指的是只由氮、氧两种元素组成的化合物，如一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、三氧化二氮(N2O3)、四氧化二氮(N2O4)和五氧化二氮(N2O5)等。除NO和NO2以外，其他NOx均不稳定，遇光、湿或热变成NO及NO2，NO又变为NO2，NOx都具有不同程度的毒性，人长期接触会造成肺部疾病。此外，当NOx与大气中的水分接触后，会发生反应，形成硝酸与亚硝酸，与降水接触形成酸雨，对建筑物、农作物及土壤有严重的危害。酸雨可以侵蚀大理石与金属，对建筑、文物古迹等造成破坏。同时，酸雨溶解后的金属会被农作物吸收，间接对人体与动物的健康产生影响[1]。

热媒炉系统是聚酯连续生产的关键加热设备，主要由热媒供给、热媒加热和热媒换热组成。热媒炉内的多组热媒盘管采用燃烧燃料加热，为聚酯装置提供热量，通常配有微机和自动控制仪表来实现整个系统的自动化[2]。热媒炉是热媒间接加热系统，与传统的直接加热炉相比，具有热效率高、安全性好等优点。热媒炉以烟煤、重油、轻油、可燃气体为燃料，导热油为有机热载体，燃料在炉内通过燃烧器燃烧，产生的热量以对流和辐射的形式传递给导热油，导热油在热媒泵的驱动下，在换热器内换热后再次返回热媒泵。工艺流程为：通过热媒炉将液相热媒加热到工艺要求的温度，然后通过热媒泵将加热后的热媒供给用户，热媒介质经各用户换热后变为冷热媒。中国石化上海石油化工股份有限公司涤纶部2号聚酯热媒炉的热负荷为50 GJ/h。2017—2018年期间，进行废水化学耗氧量、废气挥发性有机化合物处理系统的改造，在目前燃气条件下，NOx排放量为80.0 mg/m3,燃气量为900.0 m3/h。燃烧往往伴随着复杂的物理和化学过程，而NOx的生成量与热媒炉的运行工况紧密相关。从NOx生成机理来看，燃烧生产的NOx主要可分为燃料型、热力型和快速型，燃料型NOx由含氮化合物经过热分解和氧化而来，快速型NOx由N2与碳氢化合物反应并进一步氧化生成，热力型NOx是N2在高温环境下氧化生成的NOx。聚酯热媒炉燃烧的组分主要为天然气，因此主要考虑热力型(温度型)NOx的生成机理[3]，其产生的NOx主要含有95%的NO和5%的NO2，除此之外还有少量的N2O和其他氮氧化合物。

原苏联学者Zeldovich于1946年提出热力型NOx生成机理。该理论认为热力型NOx生成主要受温度影响，温度与热力型NOx的生成速率几乎呈指数函数关系，而与氮浓度、氧浓度的平方根成正比。在一定时间内反应气体在高温区的停留时间也与混合气体中NOx的浓度成正比，当反应时间达到一定值时NOx反应达到动态平衡。氧气与N2反应比氧气与可燃成分反应更困难，因此火焰燃烧区不会发生NOx反应，而是在火焰前端的高温区域进行。可主要通过以下方法控制热力型NOx的生成量：降低燃烧反应温度、减少高温区的氧浓度、缩短气体在高温燃尽区的滞留时间，这些措施又会造成燃料燃烧的不充分，导致热媒炉排放气中氧气浓度升高，降低热媒炉的燃烧效率。

根据上海市发布的《锅炉大气污染物排放标准》(DB 31/387—2018)中锅炉大气污染物排放限值(第二阶段)的相关要求，燃气锅炉污染物中NOx限值为50.0 mg/m3。本项目为了适应此标准而实施[4]。

1 改造原理

对热媒炉进行改造,改造分为两部分。第一部分，在空预器空气侧增加冷空气输送旁路(如图1所示)，运行时通过调节旁路上的冷空气阀门开度控制冷空气进气量，将空气预热器的热风和旁路的冷空气混合，降低助燃风温度，降低空气中氮气被氧化的量，从而降低NOx的排放[5]。第二部分，增加水蒸气系统(如图1所示)。水蒸气降低NOx的技术原理是将水蒸气分散到助燃风内，可燃气体在掺混了水蒸气的空气中燃烧，因为空气中掺混水蒸气导致燃烧区域空气中的氧体积分数降低，可以使燃烧速度变慢，同时在火焰区域因为比常规燃烧多出了一部分蒸汽，可以使火焰的温度降低，从而降低烟气中的NOx[6]。在不改变现有设备的基础上，可利用现有燃烧器一个观火孔或火检的位置，放置一根蒸汽枪。根据现有燃烧器的结构，放置蒸汽枪后，更换点火枪，调整火检的位置，增大点火枪的火焰强度，以利于火检装置对火焰的监控。点火枪需要提供0.6 MPa的压缩空气，空气流量为20.0 m3/h[5]。

图1 热媒炉改造简图

2 项目调试和影响因素分析

将热媒炉升至正常运行的负荷，热媒炉可燃气体流量为900 m3/h。通过调节冷风旁通阀门开度、空气预热器阀门开度、烟气外循环阀门开度和水蒸气通入量，记录不同工况下剩余氧气的体积分数和NOx的排放数据。调节水蒸气流量时，若有较大的水蒸气压力波动，有可能导致火焰报警[7]。

2.1 冷风旁通阀门开度对燃烧效果及NOx质量浓度的影响

冷风旁通阀门开度对燃烧效果及NOx质量浓度的影响见图2所示。

图2 冷风旁通阀门开度对燃烧效果及NOx质量浓度的影响

在其他几个影响因素一定的情况下，设置冷风旁通阀门为15%、20%、25%、30%、35%、40%，进行热媒炉调试，测试冷风旁通阀门开度对燃烧效果的影响。

从图2可以看出：随着冷风旁通阀门开度的增加，炉子排放的NOx呈逐渐下降趋势。这是由于随着冷风通入量的增加，热媒炉燃烧器火焰燃烧温度下降，导致助燃风中被氧化的氮气量减少，从而使NOx的排放量减少。而另一方面，炉子排放的氧体积分数呈上升趋势，这是由于随着冷风量的增加，火焰温度下降，导致燃烧不充分，热媒炉燃烧效率下降，从而使炉子排放烟气中氧的体积分数上升。当阀门开度为30%时，NOx排放曲线与氧的体积分数曲线相交，此时阀门开度最佳，在降低NOx排放的同时，也保证了热媒炉的燃烧效率。

2.2 空气预热器阀门开度对燃烧效果及NOx质量浓度的影响

空气预热器阀门开度对燃烧效果及NOx质量浓度的影响见图3所示。

由上文可知，当冷风旁通阀门开度为30%时，热媒炉燃烧效果最佳。因此，在此基础上设置空气预热器阀门开度为75%、80%、85%、90%、95%，研究空气预热器阀门开度对热媒炉燃烧效果的影响。

从图3可以看出：随着空气预热器阀门开度的增加，炉子排放的NOx呈逐渐下降趋势。这是由于随着空气预热器阀门开度的增加，助燃风通过空气预热器的热交换从燃烧尾气中获得的热量增加，温度升高，热媒炉燃烧器火焰燃烧温度上升，导致助燃风中被氧化的氮气量增加，从而使NOx的排放量增加。而另一方面，炉子排放的氧体积分数呈下降趋势，这是由于随着助燃风温度的上升，火焰温度上升，热媒炉燃烧效率上升，从而使炉子排放烟气中氧的体积分数下降。当阀门开度为82%时，NOx排放曲线与氧的体积分数曲线相交，此时阀门开度最佳，在降低NOx排放的同时，也保证了热媒炉的燃烧效率[8]。

图3 空气预热器阀门开度对燃烧效果及NOx质量浓度的影响

2.3 烟气外循环阀门开度对燃烧效果及NOx质量浓度的影响

烟气外循环阀门开度对燃烧效果及NOx质量浓度的影响见图4所示。

图4 烟气外循环阀门开度对燃烧效果及NOx质量浓度的影响

由上文可知，当冷风旁通阀门开度为30%时，空气预热器阀门开度为82%时热媒炉的燃烧效果最佳。因此，在此基础上，设置烟气外循环阀门开度为20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、60 kPa、70 kPa，研究烟气外循环量对热媒炉燃烧效果的影响。

从图4可以看出：随着烟气外循环阀门开度的增加，炉子排放的NOx呈逐渐下降趋势。这是由于随着烟气外循环阀门开度的增加，助燃风中氧的体积分数下降，从而使燃烧不充分，火焰温度下降，导致助燃风中被氧化的氮气量下降，NOx的排放量减少。而另一方面，炉子排放废气中氧的体积分数呈上升趋势，这是由于随着火焰温度的下降，热媒炉燃烧效率下降，从而使炉子排放烟气中氧的体积分数上升。当阀门开度为45%时，NOx排放曲线与氧体积分数曲线相交，此时阀门开度最佳，在降低NOx排放的同时，也保证了热媒炉的燃烧效率。

2.4 水蒸气通入量对剩余氧体积分数及NOx质量浓度的影响

水蒸气通入量对剩余氧体积分数及NOx质量浓度的影响见图5所示。

图5 水蒸气通入量对剩余氧体积分数和NOx质量浓度的影响

由上文可知，当冷风旁通阀门开度为30%时，空气预热器阀门开度为82%、烟气外循环阀门开度为45%时热媒炉燃烧效果最佳。因此，在此基础上，设置通入蒸汽压力为40.0 kPa、50.0 kPa、60.0 kPa、70.0 kPa、80.0 kPa，研究蒸汽通入量对热媒炉燃烧效果的影响。

从图5可以看出：随着通入蒸汽压力的增加，炉子排放的NOx呈逐渐下降趋势。这是由于随着燃烧器中通入蒸汽量的增加，水蒸气会吸收热量，导致温度下降，热媒炉燃烧器的火焰燃烧温度下降，导致助燃风中被氧化的氮气量减少，从而使NOx的排放量减少。而另一方面，炉子排放的氧体积分数呈上升趋势，这是由于随着通入蒸汽量的上升，火焰温度下降，热媒炉燃烧效率下降，从而使炉子排放烟气中氧的体积分数下降。当通入蒸汽压力为75.0 kPa时，NOx排放曲线与氧体积分数曲线相交，此时蒸汽通入量最佳，在降低NOx排放的同时，也保证了热媒炉的燃烧效率。

3 热媒炉改造前后NOx质量浓度对比

图6列出了改造前后热媒炉烟气中NOx的质量浓度。从图6可以看到：改造实施前烟气监测分析NOx质量浓度的8个数据全部在90 mg/m3上，超过50.0 mg/m3的国家强制标准；在改造完成后,烟气监测分析NOx质量浓度的8个数据全部达标,平均值为49.1 mg/m3,低于50.0 mg/m3的国家强制标准。

图6 改造前后热媒炉烟气中NOx质量浓度

4 结语

通过在空气预热器增加冷空气旁路、水蒸气系统的方式来调节冷风旁通阀门开度、空气预热器阀门开度、烟气外循环阀门开度、水蒸气通入量，在保证热媒炉燃烧效率的前提下，尽可能多地降低火焰燃烧温度以减少空气中氮气被氧化的量，从而达到减少NOx排放的目的。采用热媒炉自动控制仪表系统测试了剩余氧体积分数与NOx质量浓度，通过分析可知，当NOx质量浓度低于50.0 mg/m3最佳的氧体积分数时，燃烧效率最高。经过调试，冷风旁通阀门开度为30%、空气预热器阀门开度为82%、烟气外循环阀门开度为45%、蒸汽压力为75.0 kPa时，达到燃烧效率和NOx排放的最佳平衡。