燃?xì)饧訜釥t低氮燃燒器的應(yīng)用實踐

華靜宇 張瑞黎 張玉慧

(1.中國石化中原油田分公司；2.北京化工大學(xué))

0 引 言

近年來，隨著國家環(huán)保法律法規(guī)的密集出臺，環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)愈加嚴(yán)格，對排放廢水、廢氣污染物的企業(yè)提出了越來越高的要求。尤其是納入“2+26”大氣污染傳輸通道城市的企業(yè)，面臨的形勢更加嚴(yán)峻。

1 油田現(xiàn)狀

1.1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)情況

油田現(xiàn)有加熱爐均燃燒天然氣，2018年以前，加熱爐廢氣執(zhí)行GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表1標(biāo)準(zhǔn)。2018年環(huán)保部頒發(fā)了《關(guān)于京津冀大氣污染傳輸通道城市執(zhí)行大氣污染物特別排放限值的公告》(2018年 第9號)，2018年10月1日起，按照GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表3的特別排放限值執(zhí)行。2018年底，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《京津冀及周邊地區(qū)2018—2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》，要求“加快推進燃?xì)忮仩t低氮改造，原則上改造后NOX排放濃度不高于50 mg/m3?！?/p>

表1 近年來執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)情況 mg/m3

1.2 加熱爐情況

為確保“2+26”大氣污染傳輸通道區(qū)域加熱爐廢氣中NOX排放符合國家環(huán)保要求，油田選擇5臺加熱爐作為試點，安裝了低氮燃燒器。油田加熱爐大多是開發(fā)初期投用的加熱爐，部分加熱爐在后期經(jīng)過工藝改造，但是改造主要集中于加熱狀況和使用的便利性，未改變加熱狀態(tài)，目前存在的問題主要是：

1)加熱爐采取人工點火方式，使用鋼板遮住風(fēng)門，導(dǎo)致密閉性不好；燃燒狀態(tài)主要通過觀測孔觀察，進而手動調(diào)節(jié)進氣量和風(fēng)量，進入的風(fēng)量和氣量比例處于未知狀態(tài)。經(jīng)監(jiān)測，外排煙氣含氧量高，最高可達 18%左右，這也是NOX折算濃度較高的原因之一。

2)按照熱力型NOX的產(chǎn)生機理，一般火焰溫度在900～1 200℃時，NOX迅速生成，占主導(dǎo)地位。使用紅外測溫儀監(jiān)測，加熱爐火焰溫度一般在640～700℃左右，雖然未達到快速生成階段，但是熱力型NOX仍會生成[1]。

3)快速型NOX主要是含氮燃料在低溫火焰中，由于含碳自由基的存在而產(chǎn)生的[2]，本項目加熱爐燃料為油田伴生天然氣，其N元素含量極低，具體成分見表2。

由表2可看出，油田使用的天然氣含N量極低，因此，排除燃燒過程中因燃料選擇而產(chǎn)生NOX排放濃度高。

綜上所述，加熱爐主要存在密封性不好、含氧量高、無計量等問題，這些因素對于加熱爐廢氣中NOX的監(jiān)測結(jié)果影響很大，最主要的是影響廢氣中的氧含量，氧含量高是導(dǎo)致NOX折算濃度高的主要原因之一；其次是熱力型NOX，雖然未達到快速生成溫度階段，但是熱力型NOX仍占主導(dǎo)。

表2 油田伴生氣主要組成分析 %

2 低氮燃燒器

2.1 低氮燃燒器的種類

根據(jù)降低NOX的燃燒技術(shù)，低NOX燃燒器大致分為階段燃燒器、自身再循環(huán)燃燒器、濃淡型燃燒器、分割火焰型燃燒器、混合促進型燃燒器、低NOX預(yù)燃室燃燒器等[3-5]。

2.2 低氮燃燒器的選擇

油田加熱爐以伴生氣及凈化天然氣為燃料，燃?xì)庵性氐亢苌?，因此，煙氣中基本上燃料型NOX較少，以熱力型NOX為主。減少煙氣中熱力型NOX排放的主要方法有：一是根據(jù)加熱爐膛形狀和尺寸選擇合適的燃燒器，使燃燒器火焰形狀、尺寸與爐膛匹配，既要避免爐膛溫度過高，也要保持爐膛有足夠的熱強度，以保證加熱爐出力達到設(shè)計能力。二是把燃燒器配風(fēng)由單級變成分段多級配風(fēng)，人為造成低氧/缺氧/過氧燃燒，燃?xì)獾娜紵^程包含不充分燃燒、還原燃燒、充分燃燒三個過程，在保證燃?xì)馔耆紵那疤嵯?，火焰中心溫度始終控制在合理范圍，避免出現(xiàn)火焰中心溫度過高造成NOX大量產(chǎn)生。三是在燃燒器配風(fēng)中摻入部分煙氣降低助燃空氣中的氧含量，實現(xiàn)貧氧燃燒，同時也降低了爐膛溫度，達到降低煙氣中NOX含量的目的。四是增加煙氣外循環(huán)，即在配風(fēng)中摻混一定比例的(一般小于20%)煙氣實現(xiàn)低氧燃燒，進一步降低火焰強度。由于煙氣外循環(huán)會降低燃燒器出力，因此低氮燃燒器功率需要比普通燃燒器功率大20%才能保證原有熱功率不變[6-7]。本次試點選擇的低氮燃燒器見圖1。

2.3 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)由箱體、可編程控制器及各種傳感器、變送器等組成，除完成加熱爐點火、火焰檢測、風(fēng)量調(diào)節(jié)及安全保護外，還可以對爐體壓力、溫度、液位監(jiān)測，實現(xiàn)對爐體運行情況連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)爐體壓力、溫度、液位超差時報警，超過上限值時停爐。此外，控制系統(tǒng)還對盤管出口溫度進行檢測和控制，保證加熱原油溫度在滿足生產(chǎn)需要的同時，避免過度加熱而浪費能源?？刂葡到y(tǒng)還可以加裝煙氣氧量控制模塊對煙氣中氧含量進行連續(xù)檢測，根據(jù)煙氣中的氧含量控制燃燒器配風(fēng)量，保證燃燒系統(tǒng)的過?？諝庀禂?shù)維持在最佳范圍，全面提高加熱爐效率。

3 實施效果

項目實施后，對5臺加熱爐煙氣進行了采樣監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表3。

從表3可看出，通過對加熱爐安裝低氮燃燒器，NOX監(jiān)測濃度大大降低，不僅可以滿足GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》表3特別排放限值150 mg/m3的要求，還可以滿足《京津冀及周邊地區(qū)2018—2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》提出的50 mg/m3的要求。

安裝低氮燃燒器前后氧含量、NOX濃度曲線分別見圖2、圖3。從圖2、3可看出，通過自動化技術(shù)對進燃料氣量、空氣量以及煙氣量等參數(shù)的調(diào)節(jié)，空氣過剩系數(shù)大幅降低。安裝低氮燃燒器前過量空氣系數(shù)較大，基本在10%～18.5%，NOX的排放濃度較高，一般為110～170 mg/m3；過?？諝庀禂?shù)大幅降低，控制在6%～8.5%，NOX的排放濃度也大幅降低，基本控制在40～50 mg/m3，符合新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 5臺加熱爐安裝低氮燃燒器前后監(jiān)測結(jié)果對比

圖2 安裝低氮燃燒器前后氧含量變化曲線

圖3 安裝低氮燃燒器前后NOX濃度變化曲線

4 結(jié) 論

1)針對油田以伴生天然氣為燃料的加熱爐，此低氮燃燒技術(shù)應(yīng)用效果達到了基本要求，廢氣中NOX的排放滿足《京津冀及周邊地區(qū)2018—2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》中“加快推進燃?xì)忮仩t低氮改造，原則上改造后NOX排放濃度不高于50 mg/m3”的要求。

2)低氮燃燒技術(shù)與自動化技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了對爐體運行情況連續(xù)監(jiān)測，保證供熱量滿足生產(chǎn)需要的同時，避免過度加熱帶來的能源浪費。