低氮火嘴在延遲焦化加熱爐的應(yīng)用和對策

葉光勝

（中國石油化工股份有限公司武漢分公司聯(lián)合四車間，湖北武漢 430082）

低氮火嘴在延遲焦化加熱爐的應(yīng)用和對策

葉光勝

（中國石油化工股份有限公司武漢分公司聯(lián)合四車間，湖北武漢 430082）

隨著人們對環(huán)境關(guān)注度和環(huán)保要求的日益提高，煉油工業(yè)的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，自2017 年7 月1 日起，按照煉油工業(yè)《污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，現(xiàn)有企業(yè)加熱爐排放的煙氣中NOx含量不超過100mg/m3。中國石化某公司延遲焦化加熱爐排法的煙氣中NOx含量在2014年至2105年檢測的結(jié)果表明，煙氣中NOx含量普遍高于150mg/m3。經(jīng)分析，通過采用降低空氣過剩系數(shù)燃燒的方法和分級燃燒技術(shù)，有效降低了排放煙氣中NOx的排放量，滿足新排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

延遲焦化；NOx；低NOx燃燒器；低碳燃燒器

1 引言

在煉化企業(yè)中，延遲焦化加熱爐是重要的能耗大戶，也是含氮氧化污染物排放的主體設(shè)備。隨著新出臺的環(huán)保法，企業(yè)再節(jié)能減排方面的壓力越來越大。因此，對于煉化廠來說，當(dāng)務(wù)之急是提高燃料燃燒效率，降低排放煙氣中NOx的含量。

2 延遲焦化過程中產(chǎn)生氮氧化物的原因

氮氧化物通常包括 N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和 N2O5等。其中，能夠引起大氣污染的主要是NO 和NO2[1]，在燃燒過程中排放物主要有：CO、SO2、NO、灰渣、飛灰等，氣體燃料燃燒的排放物比煤和油的排放量小得多，只有氮氧化物的排放量在同一數(shù)量級上，燃燒器燃燒中NO的生產(chǎn)主要有三種途徑：

（1）溫度型NO，研究表明，在燃燒溫度超過1 500℃，溫度每增加100℃，N2和O2反應(yīng)生成NO的速度增大6～7倍；

（2）快速型NO，是由空氣中的氮?dú)?，和富碳富氫類燃料在高溫火焰?nèi)經(jīng)高溫分解產(chǎn)生的碳?xì)渥杂苫磻?yīng)生成氰化氫和氮自由基，氮自由基以極快的速度氧化生成一氧化氮，反應(yīng)時(shí)間極短，只需60ms。

（3）燃料型NO，燃料中的化合氮比空氣中的空氣更容易生成一氧化氮，故燃料型NO主要與燃料中的化合氮的比重有關(guān)，而與溫度關(guān)系不大。

而氣體燃料中氮化合物的比重小，所以燃燒器排放的氮氧化物主要是溫度型NO。

自2017年7月1日起，按照煉油工業(yè)《污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[2]的規(guī)定，現(xiàn)有企業(yè)加熱爐排放的煙氣中NOx含量不超過100×10-6；若為2015 年7 月1 日起新建的企業(yè)，燃燒爐煙氣排放物中氮氧化物每立方米不超過150mg；特別限值地區(qū)執(zhí)行氮氧化物排放每立方米不超過100mg。

3 加熱爐煙氣中氮氧化合物的排放現(xiàn)狀

2014—2016 年，某石化公司延遲焦化裝置加熱爐排放煙氣中氮氧化物的含量見表1。

如表1所示，2015 年9 月之前，延遲焦化加熱爐所排放煙氣中氮氧化物的含量最高到達(dá)190×10-6，最低僅為117×10-6，平均為158×10-6，滿足煉化工業(yè)《污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的。2017年7 月1 日之前企業(yè)排放煙氣中氮氧化物含量不大于200×10-6。而數(shù)據(jù)峰值谷值差距大的原因，主要有以下幾點(diǎn)：①延遲焦化裝置焦炭塔操作屬于周期性操作，②不同加熱爐的運(yùn)行工況及焦炭塔的生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)各不相同，③不同工況下的爐內(nèi)燃燒情況不同。對不同工況的加熱爐排放的煙氣采樣分析，煙氣中的氮氧化物含量故而差別較大。

但從數(shù)據(jù)可知，加熱爐燃燒廢煙氣中氮氧化物的平均含量高于150×10-6，不滿足2017年7月1日起，執(zhí)行的工業(yè)《污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。因此，迫切需要降低煙氣中氮氧化物的排放量。

表1 加熱爐煙氣中NOx的含量 ×10-6

4 降低加熱爐煙氣中NOx的措施及建議

溫度型氮氧化物的生成速度與燃燒溫度呈指數(shù)關(guān)系，高溫區(qū)內(nèi)形成的氮氧化物會對爐內(nèi)整個(gè)溫度型氮氧化物的生成起主要作用。根據(jù)加熱爐內(nèi)氮氧化物的產(chǎn)生原因，結(jié)合延遲焦化裝置的實(shí)際生產(chǎn)情況，降低加熱爐排放煙氣中氮氧化物的產(chǎn)生可采取以下幾種措施。

4.1 采用新型燃燒器

某石化分公司延遲焦化裝置于2015 年大檢修期間對加熱爐進(jìn)行了技術(shù)改造，如圖1所示，采用新型的多噴槍布置和高低燈頭燃燒器替代了原有的燃燒器。燃燒器采用特殊耐火磚結(jié)構(gòu)，綜合垂直扁平焰燃燒器和貼墻燃燒器的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，本燃燒器為外混式燃燒器，燃燒過程為擴(kuò)散燃燒，燃燒強(qiáng)度比預(yù)混燃燒低得多，不回火，不易脫火，燃料氣壓力低時(shí)也能使用，通過分段供應(yīng)燃?xì)?，?nèi)側(cè)噴槍高度低于外側(cè)噴槍，降低各級火焰溫度，抑制NOx生成，也預(yù)熱空氣，強(qiáng)化燃?xì)夂涂諝獾幕旌辖档湍芎?為減少燃燒器火焰間隙，改善爐墻局部高溫，降低爐墻溫度梯度，本燃燒器改善燃料氣和助燃空氣的混合型勢，通過增加火焰鋪展面，使外側(cè)噴槍間距大于內(nèi)側(cè)噴槍間距，內(nèi)側(cè)噴槍加裝球形調(diào)節(jié)閥，能夠調(diào)節(jié)燃燒器功率大小，采用多噴孔小孔徑噴頭將燃?xì)夥稚⒊啥喙杉?xì)流以一定角度與空氣混合燃燒，縮短混合燃燒時(shí)間，使形成扇形擴(kuò)張火焰，形成爐墻連續(xù)高溫區(qū)，火焰以較小的水平夾角附墻燃燒，同時(shí)降低了火焰高度，最后將上層耐火磚組成一個(gè)截面積突然擴(kuò)大的喇叭旋口，傾斜角偏向爐墻使燃?xì)饣匦纬浞秩紵聦幽突鸫u喉口能夠形成負(fù)壓使空氣以一定流速與燃?xì)饣旌稀?/p>

圖1 耐火磚、內(nèi)側(cè)噴管、燃燒器示意圖

4.2 采用CO控制燃燒優(yōu)化技術(shù)

研究表明，加熱爐在燃燒過程中，如圖2所示，煙氣中O2與CO含量有一定關(guān)系，當(dāng)加熱爐中氧含量在1%以上時(shí)，隨著氧含量增加，CO被氧化，含量趨于零。此時(shí)過?？諝鈳ё叩臒崃繐p失會大大增加。當(dāng)氧含量在0.5%以下時(shí)，隨著氧含量減少，CO含量快速增加，如果氧含量在0.5%～1%時(shí)，CO含量在50×10-6～150×10-6，能很好地平衡空氣過剩引起的排煙熱損失和CO引起的不完全燃燒損失，使得加熱爐的燃燒接近理論燃燒。

圖2 煙氣中CO/O2/NOx的關(guān)系

同時(shí)，由于O2的輕微缺乏，可以抑制NOx的生成[3]。這是一種最簡單的降低NOx排放方法。一般可降低NOx排放15%～20%。但如果加熱爐內(nèi)氧濃度過低，會造成燃料濃度急劇增加，增加化學(xué)不完全燃燒熱損失，引起飛灰使含碳量增加，燃燒效率下降，并使火嘴結(jié)焦，火焰偏斜舔爐管。

使用O2含量來控制加熱爐燃燒，常常因?yàn)檠趸唭H能在輻射室頂部定點(diǎn)測量煙氣的幾個(gè)點(diǎn)，測量值不準(zhǔn)確，且加熱爐漏風(fēng)，氧化鋯電化學(xué)反應(yīng)滯后，都會對測量結(jié)果影響較大，實(shí)際中都會留有一定安全余量，使氧含量偏高，而基于CO控制燃燒優(yōu)化技術(shù)具有以下有點(diǎn)：漏風(fēng)對CO測量的影響小，CO測量采用量子串級激光技術(shù)反應(yīng)迅速不滯后，且激光束橫跨整個(gè)對流段煙道數(shù)據(jù)采集均勻。

4.3 新燃燒器技術(shù)要求

燃?xì)鈽屧诓僮鞴r條件下，強(qiáng)制通風(fēng)或自然通風(fēng)時(shí)，其燃燒火焰呈淡黃偏蘭色，火焰穩(wěn)定，且剛直有力，不舔爐管，不發(fā)飄，在操作過程中能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。燃?xì)鈽屇茉谒泄r下安全操作，在備用狀態(tài)下也能夠承受加熱爐正常的操作溫度。燃?xì)鈽尶梢栽诰€安裝，應(yīng)保證安裝正確，拆卸方便。

4.4 燃?xì)鈽尠惭b設(shè)計(jì)要求

燃燒器燃料氣槍在設(shè)計(jì)燃料和操作負(fù)荷范圍內(nèi)不出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象。燃料氣槍和長明燈在備用狀態(tài)下能承受加熱爐正常操作溫度，噴頭材質(zhì)采用06Cr25Ni20，槍管材質(zhì)采用0Cr18Ni9。燃料氣槍和長明燈在加熱爐操作時(shí)能易于拆卸和清洗更換。長明燈燃料氣入口應(yīng)設(shè)置金屬軟管，并應(yīng)配帶與外部管線連接的管接頭。燃燒器內(nèi)所有連接管（包括金屬軟管）均是氣密性連接。每套燃燒器槍，確保通過長明燈能人工點(diǎn)燃。金屬軟管采用不銹鋼網(wǎng)體金屬軟管，材質(zhì)0Cr18Ni9，實(shí)際安裝時(shí)保證能夠與現(xiàn)有管道連接。

5 實(shí)際應(yīng)用

延遲焦化加熱爐F102為階梯式雙面輻射爐，在應(yīng)用基于CO控制的燃燒優(yōu)化技術(shù)后，在加熱爐負(fù)荷為100t/h，CO含量控制在（0～100）×10-6的前提下，氧含量下降約1.5%；加熱熱效率提高0.7%，煙氣中的NOx含量減少約10.4mg/m3。見表2，從而達(dá)到新的排放要求。

表2 改造后加熱爐主要控制指標(biāo)變化情況

6 結(jié)論

降低加熱爐排放煙氣中NOx的含量，已成為重要的環(huán)保任務(wù)。通過優(yōu)化加熱爐的燃燒控制技術(shù)、采用CO燃燒控制優(yōu)化技術(shù)燃燒和新型燃燒器，能夠有效降低延遲焦化裝置加熱爐煙氣中NOx排放濃度，達(dá)到環(huán)保要求。同時(shí)，通過對現(xiàn)有加熱爐燃燒器進(jìn)行適應(yīng)性改造，就不需要對現(xiàn)有燃燒器進(jìn)行更換，能夠降低裝置的運(yùn)行成本。

[1] 張青杰.低NOx燃燒技術(shù)淺析[J].河北冶金，2008，（5）：58-59.

[2] GB31570—2015，石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 徐彬，張麥貴.管式加熱爐安全運(yùn)行與管理[M].北京：中國石化出版社，2005.

Application and Countermeasures of Low Nitrogen Burner in Delayed Coking Furnace

Ye Guang-sheng

Along with the people to the environmental concern and the increasing requirements of environmental protection，the atmospheric pollutant emission standard of oil refining industry gradually increased，and since July 1，2017，according to the oil refining industry “pollutant discharge standard” provisions of the existing heating furnace flue gas emission in the enterprise NOx content of not more than 100mg/m3.Sinopec is a company，delayed coking furnace flue gas NOx content method in 2014 to 2105 is generally higher than that of 150mg/m3test results show that the content of NOx in flue gas.By analyzing the method of reducing the excess air coefficient combustion and the staged combustion technology，the emission of NOx in the flue gas can be effectively reduced to meet the new emission standard requirements.

delayed coking；NOx；low NOxburner；low carbon burner

TQ520.5

B

1003-6490（2017）12-0198-02

2017-10-05

葉光勝（1966—），男，湖北武漢人，工程師，主要從事延遲焦化工藝生產(chǎn)管理工作。