SZorb催化汽油吸附脱硫装置反应加热炉低氮燃烧器的改造与调试

周锦巧

摘 要 NOx是造成大气污染的主要污染物之一，危害着人身健康和大气环境，工业加热炉烟气排放量巨大，烟气中NOx的排放指标达标是企业必须遵守的法律规范，是我们燃烧技术控制和钻研的重点。通过NOx生成机理，采用先进、环保、节能的低氮燃烧器仍是我们降低炼厂加热炉NOx排放的主要手段[1]。针对中韩石化S Zorb装置加热炉F101烟气偶尔出现排放异常情况进行原因分析，并及时调整。本文通过S Zorb加热炉燃烧器选型、改造及操作情况进行介绍、分析，找出烟气NOx超标的原因并进行调整，确保加热炉运行安全、环保、节能。

关键词 S Zorb NOx 燃烧器 加热炉 瓦斯

中图分类号：X74 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）11-0004-03

1 S Zorb装置加热炉运行概况

中韩（武汉）石油化工有限公司（简称中韩石化）S Zorb催化汽油吸附脱硫装置（简称S Zorb装置）设计处理量150万吨/年，采用康菲（ConocoPhillips）S Zorb脱硫专利技术包，于2016年建成投产。装置主要有进料与脱硫反应、吸附剂再生、吸附剂循环和产品稳定四个生产单元，进料与脱硫反应单元设置进料反应加热炉1座，工艺位号为F101，用于加热混氢汽油后进入加氢反应器。

F101设计热负荷7.9MW，炉型为对流+辐射立管立式圆筒炉，配套烟气余热回收系统，设置强制通风与自然通风。加热炉设计8台底烧圆火焰低氮气体燃烧器，单台功率2.0MW，燃料为炼油装置系统瓦斯+稳定塔回流罐气相部分，主要成分见表1。

F101设计炉膛温度659℃，新建装置设计时烟气排放要求：NOx<100mg/Nm3，CO<40ppm。

加热炉燃烧器选用某公司第二代低氮燃烧器，单台功率2.0MW，采用分级燃烧+烟气回流组合技术结构，一级气枪与二级气枪的燃料比例为20：80，不带比例调节，主要通过一级中心枪富氧燃烧降低中心枪火焰温度、二级外围气枪的贫氧燃烧和烟气回流降低火焰温度来控制NOx生成。正常运行NOx排放在65～90mg/Nm3，符合2015年7月国家颁布《石油炼制工业污染物排放标准》（GB31570-2015）的新环保要求。

随着中石化持续深化NOx减排工作，烟气NOx的排放指标近几年逐步调整。2020年9月，中石化制定《臭氧污染防治专项行动方案》，对重点企业、重点区域NOx排放浓度制定了控制目标，中韩石化列为重点企业范围，NOx排放浓度指标为60mg/Nm3。排放指标的调整给我们加热炉及锅炉的燃烧控制带来更高的要求，推进燃烧器设计制造不断更新换代。

2020年大修期间，由于S Zorb加热炉F101排放NOx浓度不满足新要求，我们针对8台燃烧器进行了更新，选用某公司设计制造的低氮燃烧器，采用分级燃烧+浓淡燃烧技术组合结构，内外气枪采用45：55的燃料比例，且带比例调节阀组，设计指标为烟气NOx排放指标≯60 mg/Nm3。

2 低氮燃烧器简介

2.1 氮氧化物产生机理

此文章仅考虑燃烧产生的氮氧化物，燃烧过程中所产生的氮的氧化物主要为一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），一般把这两种氮的氧化物称为氮氧化物（NOx）。引用大量实验结果，燃烧时产生的NOx主要为NO，平均约占95%，而NO2占5%左右。[2]

化学反应为：N2+O2→NO，NO+O2→NO2

燃烧时NOx的生成机理通常有三种：

1.瞬发型，指在低温、富燃料条件下，燃料较短停留在火焰时，N2氧化成NO，化学反应为CH+N2→HCN+N，N+O→NO。

2.燃料转化型，燃料中的含氮元素物质（NH3、HCN等）燃烧时氧化生成。

3.热力型，指参与燃烧空气中的N2在高温下与O2反应生成NOx。热力型NOx是炼厂加热炉产生NOx主要机理。[3]

热力型NOx的生成量和燃烧温度高低有关，在温度足够高时，热力型NOx的生成量可占到NOx总量的90%，随着反应温度的升高，其反应速率按指数规律增加。根据实验数据，1500K（约1300℃）为热力型NOx急剧增加的温度起点，温度每增加100℃，NOx反应速率增大10倍以上。

工业上通过改进燃烧技术，通常采用的方法为分级燃烧、贫氧燃烧、浓淡燃烧和烟气循环等。通过降低氧含量、加大烟气回流，降低火焰温度来减少NOx的形成和排放，以上方法均基于热力型NOx机理。

炼化企业所用加热炉或者锅炉，均由风机将大气空气送入炉膛进行燃烧，燃气型燃烧器燃料多采用炼厂自产干气，主要以含H2、C1～C5烃类为主，所以，控制氮氧化物的生成，主要还是从燃烧器入手，通过控制火焰燃烧的温度，使其在较低温度下进行燃烧，减少氮氧化物的产生。

2.2 中韩石化低氮燃烧器使用情况

按照《石油炼制工业污染物排放标准》（GB31570-2015）的要求，中韩石化对全厂加热炉进行了低氮燃烧器的改造。共计更换瓦斯枪200套、更换燃烧器124台。

改造后，2017年下半年全厂加热炉SO2均值为7mg/Nm3，NOx均值为67mg/Nm3，烟尘均值为6.8mg/l，部分加氢装置加热炉烟气CO超过100ppm，经过运行發现，改低氮后火嘴堵塞和CO的排放超标是比较突出的问题。

3 F101运行问题及原因分析

3.1 第一个运行周期

新装置于2016年建成投产，F101运行正常，但外排烟气NOx处于65～90mg/Nm3波动，存在部分时段数据超标的情况。通过现场仔细观察发现，现场燃烧器共计点火4个燃烧器，燃烧器的火焰发散，外围二级瓦斯气枪基本处于未点燃状态，与设计有差别，中心一级气枪无法点燃二级枪。

根据NOx产生机理来逐项分析，主要从热力型和燃料型两个方面分析，根据现场观察情况，分析NOx较高的主要原因为：

1.燃烧器火盆砖安装不合理，不符合设计要求，二级枪未点燃，加热炉热量靠瓦斯中心枪提供，中心枪瓦斯负荷较大，又处于富氧燃烧环境，使火焰温度较高，产生了NOx。

2.燃烧器选型不符合工况要求，根据装置运行负荷特点， S Zorb加热炉F101燃气流量400m3/h，约4MW左右热负荷，加热炉长期只点了4个燃烧器，工作的燃烧器单个负荷较大，导致单个燃烧器火焰温度高，加剧NOx生成。

针对以上问题，在2018年S Zorb短暂抢修期间，对F101燃烧器的火盆进行了更换，后面监测NOx浓度为65～85mg/Nm3，满足指标要求。但是燃烧器选型偏大的问题没有得到解决，在清理火嘴、切换燃烧器时对加热炉平稳运行和指标控制影响较大，造成炉温波动，NOx排放浓度卡边，仍存在超标风险。

3.2 第二个运行周期

由于中石化对NOx排放浓度进一步控制，在2020年12月，中韩石化利用全厂停工大检修机会，对S Zorb加热炉F101更新8台燃烧器，重新设计选型时，考虑到第一个周期的运行参数和工况，选用了1.5MW单台的燃烧器。

另外，参考上一个周期运行数据，发现F101平均炉膛温度仅为605℃，较设计温度偏低。此时，F101处于低炉膛温度的工况，又必须考虑低氮燃烧器现阶段一氧化碳排放超标的问题。

针对上述条件，此次更新低氮燃烧器采用某厂设计制造的分级燃烧+浓淡燃烧技术组合结构，内外气枪采用45：55的燃料比例，且带比例调节阀组，目的是为了平衡CO和NOx排放问题。

开工运行后，在炉膛氧含量1.0%左右时，烟气NOx一直处于70～90mg/Nm3波动，频繁出现超标报警，带来巨大环保压力。且氧含量无法再调高，波动到1.4%时NOx浓度快速上升100mg/Nm3以上，致使加热炉操作弹性降低。

面对超标情况，我们立即展开技术攻关，收集现场燃烧器操作情况、加热炉运行参数、燃料瓦斯成分等数据，总结如下：

1.现场一级、二级燃料比例调节阀组上压力表均显示0.18MPa，表示内外枪的燃料还未尝试调节。

2.8台燃烧器只点了5台，不利于炉膛温度均衡运行。燃烧器火焰刚直有力，火焰速度较快，说明瓦斯压力偏高，5台燃烧器工作负荷较大。

3.进炉瓦斯流量处于360～400m3/h，瓦斯来源为系统管网瓦斯，但是在进炉前，稳定塔塔顶气跨入主瓦斯管线进炉。稳定塔顶气流量1250m3/h，而加热炉瓦斯耗量为380m3/h，加热炉F101的燃气全部为稳定塔顶自产干气，而非系统管网瓦斯。

4.查询稳定塔顶自产干气lims分析数据，见表2。对比表1和表2的瓦斯组分，H2和C3以上的烃类比例差别很大，计算单位体积瓦斯低位热值，通过图1趋势可以看出，当瓦斯重组分烃类（C3+）含量越高时，瓦斯低位热值越高，燃烧越剧烈，NOx生成量越多。

4 F101烟气NOx调整措施

在今年5月份，F101外排NOx多次报警，极不稳定，根据以上分析的情况，我们作出相关调整：

1.充分利用一级、二级瓦斯气枪的调节比例阀组，将内枪瓦斯阀门逐渐关小至0.05MPa，外枪压力有上升，达0.25MPa，内外枪瓦斯比例约15：85，将燃烧器数量增点至6个，将6个燃烧器瓦斯量调下来，瓦斯压力降至0.2MPa以内。经过调整后，6～8月的实时监测数据显示NOx排放浓度已处于55～65mg/Nm3范围，未发生超标。

2.利用S Zorb加热炉F101对流室CO在线分析仪表，尽量在保证CO不超标的情况下，降低一级枪的比例，降低炉膛氧含量，但是前提是要确保火嘴火型良好，防止脱火、熄火发生。

3.燃料组分與设计偏差较大，H2含量较高，C3+以上组分偏高，轻重组分都偏高，燃烧器火焰传播速度快，火焰温度较高，利于NOx生成。经过了解，兄弟炼化企业S Zorb装置加热炉烟气NOx排放均较难控制，与燃料采用自产干气有较大关系，由于自产干气的流量和组分随生产也有波动，对加热炉平稳运行存在一定安全风险，建议工艺上对自产干气进行相关流程改造处理后再进炉燃烧。

4.由于分级燃烧造成瓦斯枪喷孔均较小，对于瓦斯系统的定期清理是非常有必要的预防性措施。

5 结论

经过近几年低氮燃烧器的运行情况及S Zorb加热炉F101两次燃烧器调整经验总结如下：

1.炼厂低氮燃烧器绝大部分设计制造依据降低火焰温度、抑制热力型NOx生成的机理，通过降低一级瓦斯枪比例、减小喷孔面积增加喷枪数量、降低氧含量来实现NOx排放降低。

2.2016～2017年的低氮燃烧器均处于第一代到第二代低氮燃烧器水平，即NOx控制指标在80mg/Nm3以下，且对于加氢装置等一些低炉膛温度的加热炉，贫氧燃烧造成的CO排放偏高问题凸显，且未考虑分级燃料比例调节功能，大部分加热炉未设置CO在线分析仪表，给加热炉安全运行、热效率均带来影响。

近两年由于排放指标压缩，许多制造厂家设计时进一步降低中心枪的燃料比例，通过结构调整，强化烟气回流，可将NOx降至60mg/Nm3以下，部分加热炉可降至40mg/Nm3以下，和CO排放弹性调节也可以实现。我们可以在后期改造中逐步淘汰第一批安装的低氮燃烧器，确保更环保、高效。

3.炼厂在选用燃烧器时，对于现场的工艺参数一定要选用合理，偏差过大会造成燃烧器达不到预期性能。因燃烧不好造成的脱火、回火及排放不达标，均属于安全、环保隐患。

4.S Zorb装置普遍存在NOx排放浓度偏高的问题，可做进一步技术攻关，有必要通过优化燃料来源及组分来提供安全环保指标达标率。

5.在燃烧器初次安装验收时，一定要根据设计图纸配对好火盆砖和枪头。在日常加热炉运行管理时，由于低氮燃烧器喷孔变小，堵塞的风险增大，需加强阻火器、火嘴清理等预防性工作的落实和质量验收，防止清理不及时，回装时方向安装错误等问题。

6.低氮燃烧器的进一步升级改造，远远不止停留在燃料分级方面，燃烧器风道的设计、喷孔的角度、火盆砖的结构均能影响燃烧器的使用性能。如何进一步抑制NOx产生，同时使CO生成少，且保持火焰的刚性，安全、环保、节能仍是燃烧器今后研究方向。[4]

参考文献：

[1] 代有凡.石油化工厂设备检修手册——加热炉[S].中国石化出版社，2013.

[2] 周松，许铁夫，王晨.基于量子化学理论的发动机NO生成模型[A].南宁：第十六届全国大功率柴油机学术年会论文集，2011-03-28：196-198.

[3] 钱家麟.管式加热炉（第二版）[M].北京：中国石化出版社，2003： 26-37.

[4] 岑可法.高等燃烧学（第一版）[M].杭州：浙江大学出版社，2002： 485-610.