加热炉燃烧器在线低氮改造

刘义中

(南京金炼科技有限公司,江苏 南京210033)

某石化公司2 Mt/a渣油加氢装置加热炉F-1101共有56台燃烧器,火焰形式为附墙焰,其结构原理见图1。燃烧器由耐火砖、筒体、燃料气喷枪、长明灯组成,燃料气喷枪采用T字形喷枪,助燃空气为一次性供给,没有采用分级燃烧技术,其燃烧产生的烟气经在线环保检测,不能满足GB31570—2015《石油化学工业污染物排放标准》中NOx排放的要求,而装置又不能停下来对燃烧器进行整台更换,因此,急需通过对燃烧器进行局部技术改造来降低烟气中的NOx含量。

图1 渣油加氢加热炉F-1101原燃烧器结构原理

1 燃烧器产生NOx偏高的原因分析

加热炉排放烟气中的NOx,是氮氧化合物的总称,通常包括NO和NO2等,其中NO约占90%。在燃烧过程中高温烟气产生NOx的N有两个来源,一个是助燃用空气中的N2,另一个是燃料本身所含的N元素。按照NOx生成的机理,通常可分为热力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx3类。

1.1 热力型NOx的生成机理

热力型NOx主要由助燃空气中的N2及燃料气本身含有的N2在燃料燃烧过程中经高温氧化生成,其生成原理是由原苏联科学家侧耳多维奇提出的。

反应方程式为:

热力型NOx的生成量和燃烧温度有很大的关系。随着反应温度T的升高,其反应速率按指数规律增加。

当反应温度T＜1300℃时,NOx的生成量不大;当反应温度T＞1300℃时,反应温度每增加100℃,NOx反应速率增大6～7倍。而通常热力型NOx的生成量可占到NOx总量的90%。因此,当燃烧器结构已定时,通常只能通过调节供风量,即控制过剩空气系数来控制NOx的含量。过剩空气系数对热力型NOx的生成有双面的效应,一般来说,当过剩空气系数＜1时(因燃烧器结构不同,过剩空气系数值的大小也会不同),因燃料供氧不足,不能完全燃烧,烟气中含有不同程度的CO,此时的火焰温度偏低,NOx的生成受到抑制,烟气中NOx的含量就会偏低。部分装置中因烟气NOx排放不达标的加热炉就是通过这种方式来实现NOx达标排放的。但是这种燃烧方式因烟气中含有大量CO,会造成加热炉热效率偏低,导致能源浪费严重。所以,石化行业加热炉管理规定就要求烟气中CO含量不大于100mg/L。而当过剩空气系数过大时,虽然大量的空气可以稀释高温烟气,降低燃烧温度,从而降低NOx生成速率,但此时因加热炉烟气量过大,排烟损失占比就会很高,加热炉热效率也会降低。采用这种方式时,烟气中NOx含量的降低程度很有限。

1.2 快速型NOx的生成机理

生成快速型NOx的N元素也是来自于燃烧中的助燃空气。由于碳氢化合物在燃烧时分解出大量的CH∶、C∶等基团,能够破坏N2的分子键,在高温条件下,分解出的CH∶自由基与空气中的N∶反应生成HCN、NH,上述反应产物能够与火焰中的O和OH原子基团反应生成NO,其中HCN是快速型NOx生成时节最重要的中间产物,能够在火焰面内快速生成NOx,中间反应时间大约只需要60ms。

快速型NOx主要是燃料中碳氢化合物与N快速反应生成的,其中过剩空气系数、炉膛压力、燃烧区内N浓度是影响快速型NOx生成的主要因素,而火焰温度对其几乎不会产生影响。当火焰温度一定时,随着过剩空气系数的增大,快速型NOx生成量先增大后减小,会出现一个峰值。

1.3 燃料型NOx的生成机理

燃料型NOx是燃料中(一般是指液体燃料)所含有的N元素燃烧时形成的。燃料中含N的有机化合物通过高温裂解,生成CN、HCN及NH等中间产物,这些中间产物与O2进行化学反应,就会生成NOx。火焰温度对燃料型NOx的生成影响并不明显,主要是因为燃料中含N化合物的热裂解所需温度并不高,当火焰温度处于600～800℃之间时,就能生成燃料型NOx。过剩空气系数α对燃料型NOx的生成也是有影响的。当α＞1时,燃料型NOx生成量基本保持不变;当α＜1时,转化率会很快下降,在α＝0.7处达到极小值。

2 技术路线的制定

从上述分析中可知,燃烧器产生的NOx主要是热力型NOx。要减少热力型NOx的生成,就需降低火焰温度。降低火焰温度一般采取以下几方面的措施:1)减小燃烧高温区域范围;2)降低燃烧器的火焰峰值温度;3)降低燃烧中的过剩空气系数。具体来说,就是在保证燃料燃烧完全的前提下,采取低氮燃烧原理。由于燃烧器整体结构已定,因此决定采用燃料分级＋烟气回流的低氮燃烧技术抑制氮氧化物的生成。

燃料分级是将燃料分两级送入燃烧过程中,第一级在α远大于1的条件下,通过大量的空气来降低火焰温度,抑制NOx的产生;第二级燃料喷出后,与前期的烟气混合燃烧,因此时α＜1,使得NOx转化率下降,进而降低了NOx的总生成量。一般情况下,燃料分级可以使烟气中NOx的排放浓度降低50%以上。

2.1 一级燃料的分配

由于火盆砖结构已定,为尽量降低一级火焰的温度,决定用占比约10%的燃料在火盆砖内形成一级火焰,并用以稳定整个火焰,剩余所需燃料全部用在第二级燃料上。

2.2 二级燃料的分配

二级燃料喷出后,与一级烟气混合形成二级火焰。为降低火焰温度,二级火焰形成后即出火盆进入炉膛,同时,其形成的高速喷射烟气在炉底又会产生局部的负压区域,将周围的低温烟气吸入二级火焰内,进一步降低火焰温度。改造后燃烧器结构见图2。

图2 改造后燃烧器结构

3 燃烧器设计条件

工艺任务、炉型结构、传热特点、操作条件不同,所使用的燃烧器的结构和技术性能也不同。渣油加氢加热炉F-1101的设计条件和燃料气组成分别见表1和表2。

表1 渣油加氢加热炉F-1101设计条件

表2 渣油加氢加热炉F-1101燃料气组成mol,%

4 喷嘴计算【1】

燃料气喷嘴的额定能量为0.35 MW。根据上述燃料组成可知,燃料气密度ρ1为0.818kg/m3(标准状态),燃料低热值为45.07 MJ/kg。喷嘴按燃料压力0.1MPa(表)计算,温度取20℃。下面进行设计计算。

燃料气额定流量为:

燃料气的绝热指数可取K＝1.3,其临界压力比βk＝0.546。外混式喷嘴直接喷入大气,其压力比β为:

式中:p1——流出口前的气体绝对压力,MPa,取(0.1＋0.1013)MPa;

p2——流出口后的气体绝对压力,MPa,取0.1013MPa。

外混式喷嘴的喷口采用收缩型,其流出口截面积按临界截面积计算,由于K＝1.3,故其临界流量计算系数ϕk＝0.472。

由此可得流量系数为:

流出口前的燃料气重度(标准状态)为:

式中:T1——环境温度,K,取273K;

T2——燃料气温度,K,取(273＋20)K。

喷嘴喷孔截面积Fk为:

燃料气喷嘴按SH/T3113—2016《石油化工管式燃烧器工程技术条件》规定进行气密性试验,按SH 3505—1999《石油化工施工安全技术规程》、GB50236—2011《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》、GB50683—2011《现场设备、工业管道焊接工程施工质量验收规范》和Q/JH 121.11.004—92《安全技术操作规程》进行制造和验收。

5 改造落实

2020年8月,2 M/a渣油加氢装置加热炉F-1101共56台燃烧器采取逐台熄火的方式更换燃料气喷嘴,步骤如下:首先将1台燃烧器熄火,把燃料气喷嘴、长明灯、中心封板拆除;再依次把新中心封板、新燃料气喷嘴、长明灯安装上,最后点火调整燃烧器火焰。图3为现场安装图,图4为更换燃料气喷嘴后的火焰燃烧状况。

图3 现场安装

图4 更换燃料气喷嘴后的火焰燃烧状况

2Mt/a渣油加氢装置加热炉F-1101燃烧器在线改造完毕后,对烟气中的O和NOx含量进行检测,结果显示,加热炉烟气中NOx含量＜80mg/m3,达到了改造目的和设计要求。排放结果见表3。

表3 在线环保测试数据

6 改造效果

2Mt/a渣油加氢装置加热炉F-1101燃烧器在线改造项目从立项到现场施工完毕,历时2个多月,改造采用低NOx燃烧技术,在不影响装置正常运行的情况下,加热炉烟气中的NOx排放量(标准状态)从124mg/m3降到64mg/m3,满足了GB31570—2015的排放要求,预计可减少NOx排放量8t/a。

同时,由于燃烧方式的改进,炉膛温度有所降低,不仅减少了加热炉的散热损失,还使炉膛O含量及排烟温度都有所降低,加热炉热效率提升了1.35%,节约燃料102t/a,约合30.6万元/a,经济效益明显。渣油加氢加热炉F-1101燃烧器改造前后数据对照见表4。

表4 渣油加氢加热炉F-1101燃烧器改造前后数据对照