連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐脫硝改造

王猛

（中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工有限公司，南京 210048）

工業(yè)生產(chǎn)排放的大量污染物不僅給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且對(duì)環(huán)境造成了損害，尤其是氮氧化物（NOx）排入大氣之后，將在大氣中產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，導(dǎo)致臭氧層被破壞，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，使農(nóng)作物減產(chǎn)，損壞人體及動(dòng)物的呼吸道和神經(jīng)系統(tǒng)等。隨著我國(guó)對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的重視，國(guó)家環(huán)保部門對(duì)石油化工企業(yè)污染物排放的限制也越加嚴(yán)格，《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31570－2015）對(duì)大氣污染物的控制要求中，加熱爐煙氣中NOx含量排放限值不超過(guò)150 mg/m3，部分地區(qū)執(zhí)行100 mg/m3的特別排放限值。因此，對(duì)于石化企業(yè)來(lái)說(shuō)，降低加熱爐煙氣中的NOx含量，實(shí)現(xiàn)污染物減排是當(dāng)務(wù)之急。

揚(yáng)子石油化工股份有限公司150 萬(wàn)噸/年連續(xù)重整裝置（以下簡(jiǎn)稱2#重整），采用中國(guó)石化具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代國(guó)產(chǎn)超低壓連續(xù)重整技術(shù)，于2014 年7月開(kāi)車。2#重整反應(yīng)爐1#～4#（“二加二”箱式加熱爐）設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為86.88MW，在加熱爐對(duì)流段分別設(shè)置一套蒸汽發(fā)生器回收熱量，設(shè)計(jì)爐效率為91%，煙氣中NOx平均濃度為209 mg/m3，在用的扁平預(yù)混式燃燒器已經(jīng)無(wú)法滿足新國(guó)標(biāo)對(duì)煙氣中NOx的排放限值要求。因此揚(yáng)子石化2019年3月大修期間將2#重整反應(yīng)爐燃燒器全部更換為CUBLS—W型超藍(lán)低氮燃燒器。文章介紹了降低連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐NOx排放的改造情況，為同類裝置的加熱爐脫硝改造提供借鑒。

1 改造前NOx 排放情況及生成機(jī)理

1.1 改造前情況

2#重整反應(yīng)加熱爐原設(shè)計(jì)的96 臺(tái)燃燒器為DaM8-RSQ-08型扁平預(yù)混式燒嘴，該型燃燒器燒嘴呈立式扇形，每臺(tái)燃燒器有2 支瓦斯噴槍，火焰上下分布均勻，以避免火焰舔爐管或爐墻。原燃燒器助燃空氣被分為一次風(fēng)和二次風(fēng)分別供給一次燃燒區(qū)和二次燃燒區(qū)，通風(fēng)方式為自然通風(fēng)。

由于原燃燒器火焰溫度較高，煙氣中的NOx含量持續(xù)處于較高水平，2017年2#重整反應(yīng)加熱爐運(yùn)行負(fù)荷為94.69%，1#～4#反應(yīng)爐煙氣中的NOx平均含量分別為207.1 mg/m3、215.3 mg/m3、203 mg/m3、211.2 mg/m3。

1.2 NOx 生成機(jī)理

NOx是NO、NO2和N2O等多種氮氧化物的總稱，燃燒產(chǎn)生的NOx以NO 為主，約占90%；按照燃料組分和燃燒條件的不同，NOx的生成途徑主要有三種：①熱力型NOx，指空氣中的氮在高溫（1 500℃以上）條件下氧化而成；②快速型NOx，指燃燒空氣中的氮和燃料中的碳?xì)湓訄F(tuán)（CH）等反應(yīng)生成。③燃料型NOx，指燃料中的含氮化合物在燃燒過(guò)程中進(jìn)行熱分解繼而進(jìn)一步氧化而成。

2#重整反應(yīng)加熱爐主要以天然氣和變壓吸附分離尾氣為燃料，其組成見(jiàn)表1。從表1可以看出，燃料氣中基本不含氮化合物，故無(wú)燃料型NOx生成，又因快速型NOx比熱力型NOx小一個(gè)數(shù)量級(jí)[1]，一般不予以考慮，所以反應(yīng)爐燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的主要為熱力型NOx。

表1 改造前2#重整反應(yīng)爐燃料氣組成

熱力型NOx的生成量主要取決于燃燒溫度、高溫?zé)煔庵醒鹾考盁煔庠诟邷貐^(qū)的停留時(shí)間[2]。因此，在燃燒過(guò)程中，采用分級(jí)燃燒、再燃燒、低氧燃燒、濃淡偏差燃燒、煙氣再循環(huán)等方法，控制爐內(nèi)局部過(guò)?？諝庀禂?shù)，減緩燃燒速率和燃燒強(qiáng)度，降低燃燒區(qū)的溫度，從而抑制熱力型NOx的生成。

2 低NOx 燃燒器技術(shù)進(jìn)展

國(guó)際上早在20 世紀(jì)50 年代就開(kāi)始重視燃燒生成的NOx的危害，并開(kāi)展了抑制NOx生成技術(shù)的相關(guān)研究，70 年代末80 年代初就開(kāi)發(fā)出了低氮燃燒技術(shù)。其中低NOx燃燒器的發(fā)展主要經(jīng)歷了3 個(gè)階段[3-4]：第一階段為分級(jí)配風(fēng)燃燒器，一般采用旋流配風(fēng)，煙氣中NOx可降到140 mg/m3左右；第二階段為分級(jí)配燃料燃燒器，NOx可降到80 mg/m3左右；第三階段為煙氣內(nèi)循環(huán)燃燒器，即采用低氧燃燒技術(shù)，在保證燃燒充分的情況下盡可能降低空氣過(guò)剩系數(shù)，NOx可降到50 mg/m3左右。最新推出的強(qiáng)化煙氣內(nèi)循環(huán)低NOx氣體燃燒器，是多種低氮燃燒技術(shù)的結(jié)合，采用分級(jí)配燃料，并分級(jí)吸入爐膛煙氣，分別形成兩個(gè)都卷吸有煙氣的燃燒區(qū)，可以將NOx降至35 mg/m3左右。

采用低NOx燃燒器能夠有效降低加熱爐煙氣NOx的排放量，并且與選擇性催化還原脫硝（SCR）、選擇性非催化還原脫硝（SNCR）等末端治理方案相比，具有改造內(nèi)容少、改造周期短、便于實(shí)施、一次性投資較低等優(yōu)勢(shì)。為此，低NOx燃燒器改造更易被國(guó)內(nèi)眾多石化企業(yè)所采納。目前低NOx燃燒器種類有：

1）階段燃燒器。根據(jù)分級(jí)燃燒原理，使燃料與空氣分段混合燃燒，由于燃燒偏離理論當(dāng)量比，故可降低NOx的生成。

2）自身再循環(huán)燃燒器。一種利用助燃空氣的壓頭，把部分燃燒煙氣吸回至燃燒器，與空氣混合的燃燒。由于煙氣再循環(huán)，燃燒煙氣的熱容量大，燃燒溫度降低，NOx減少。另一種自身再循環(huán)燃燒器是把部分煙氣直接在燃燒器內(nèi)進(jìn)入再循環(huán)，并加入燃燒過(guò)程，此種燃燒器兼顧抑制NOx和節(jié)能雙重效果。

3）濃淡型燃燒器。又稱為偏離燃燒或非化學(xué)當(dāng)量燃燒，是使一部分燃料過(guò)濃燃燒，另一部分燃料過(guò)淡燃燒，但整體上空氣量保持不變，由于兩部分都在偏離化學(xué)當(dāng)量比下燃燒，故可降低NOx的生成。

4）分割火焰型燃燒器。即把一個(gè)火焰分成數(shù)個(gè)小火焰，由于小火焰散熱面積大，火焰溫度較低，使熱力型NOx有所下降。此外，火焰小縮短了氧、氮等氣體在火焰中的停留時(shí)間，對(duì)熱力型NOx和燃料型NOx都有明顯的抑制作用。

5）混合促進(jìn)型燃燒器。改善燃料與空氣的混合，使火焰面的厚度減薄，在燃燒負(fù)荷不變的情況下，煙氣在火焰面即高溫區(qū)內(nèi)停留時(shí)間縮短，因而使NOx的生成量降低。

6）低NOx預(yù)燃室燃燒器。預(yù)燃室一般由一次風(fēng)（或二次風(fēng)）和燃料噴射系統(tǒng)等組成，燃料和一次風(fēng)快速混合，在預(yù)燃室內(nèi)一次燃燒區(qū)形成富燃料混合物，由于缺氧，只是部分燃料進(jìn)行燃燒，燃料在貧氧和火焰溫度較低的一次火焰區(qū)內(nèi)析出揮發(fā)分，因此減少了NOx的生成。

3 低NOx 燃燒器的設(shè)計(jì)要求及反應(yīng)爐脫硝改造

3.1 低NOx 燃燒器的設(shè)計(jì)要求

燃燒器是反應(yīng)爐的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣決定了反應(yīng)爐熱效率高低，并影響反應(yīng)爐的安全運(yùn)行。在滿足反應(yīng)爐熱負(fù)荷工況下，保證反應(yīng)爐安全平穩(wěn)運(yùn)行、熱效率不降低、燃料量不增加的前提下，采用新型低NOx燃燒器，達(dá)到脫硝目的，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 低NOx 燃燒器的設(shè)計(jì)參數(shù)

改造更換的新型低NOx燃燒器要采用先進(jìn)燃燒技術(shù)，改善燃燒條件抑制NOx生成，從而降低NOx的排放。新型低NOx燃燒器與原燃燒器有本質(zhì)區(qū)別，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有很大變化，尤其是火盆磚的形狀和進(jìn)風(fēng)口形式以及層次數(shù)等完全不同。

改造設(shè)計(jì)不僅僅是更換燃燒器，而是要全面考慮爐內(nèi)的燃燒狀況，燃燒器設(shè)計(jì)應(yīng)使?fàn)t內(nèi)煙氣流場(chǎng)分布均勻，以達(dá)到最佳燃燒效果。燃燒器火焰的長(zhǎng)短需根據(jù)反應(yīng)爐爐管的有效長(zhǎng)度和燃燒器單臺(tái)的熱負(fù)荷能力以及輻射室的形狀和安裝方式等因素確定。

新型低NOx燃燒器，需考慮燃燒器的火焰直徑和火焰長(zhǎng)度（燃燒器到爐管的距離，燃燒器之間的距離），使燃燒時(shí)火焰相互不影響，保證最佳的燃燒效果。防止火焰過(guò)高，發(fā)飄等造成火焰舔蝕爐管，形成局部過(guò)熱使?fàn)t管氧化脫碳或油品超溫結(jié)焦。

運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件（CFD），模擬加熱爐的形狀，分析加熱爐的操作狀況。在最終設(shè)計(jì)方案確定之前，預(yù)先演示使用低NOx燃燒器改造的加熱爐運(yùn)行狀況。

新型低NOx燃燒器，需滿足燃燒器在強(qiáng)制通風(fēng)和自然通風(fēng)工況下均能提供100%的正常放熱量，保證反應(yīng)爐能滿負(fù)荷運(yùn)行。

自然通風(fēng)的低NOx燃燒器應(yīng)設(shè)置隔聲箱，除抑制噪聲傳播外，還要有效消除風(fēng)造成的過(guò)剩空氣波動(dòng)。一般情況下，6.7 m/s的風(fēng)速可能在燃燒器處造成抽力±29.4 Pa的變化，對(duì)于按抽力98 Pa設(shè)計(jì)的燃燒器，將造成±15%的過(guò)剩空氣變化。

由于低NOx燃燒器的燃燒強(qiáng)度低，燃燒速率緩慢，很容易產(chǎn)生不完全燃燒，造成煙氣中CO 含量超標(biāo)。因此需增設(shè)CO 在線分析儀，便于操作人員調(diào)整加熱爐操作。

3.2 反應(yīng)爐脫硝改造

根據(jù)2#重整反應(yīng)爐實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合揚(yáng)子石化139 萬(wàn)噸/年連續(xù)重整裝置反應(yīng)加熱爐2017 年脫硝改造效果，選擇CUBLS—W型超藍(lán)低氮燃燒器，采用燃料分級(jí)和煙氣內(nèi)循環(huán)相結(jié)合的技術(shù)，通過(guò)降低燃燒器的火焰峰值溫度，降低燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的NOx，燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在耐火磚周圍設(shè)置噴嘴，燃料由外部噴嘴通過(guò)耐火磚上的預(yù)留孔進(jìn)入耐火磚內(nèi)部實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒；利用分級(jí)噴嘴將燃料噴射到爐膛，燃料分級(jí)噴嘴的噴射動(dòng)力又將惰性煙氣帶入并摻和到燃燒區(qū)域，以降低燃燒氧化反應(yīng)溫度，減少NOx的生成量，設(shè)計(jì)可將NOx含量降低至50 mg/m3以下。另外，耐火磚的新型設(shè)計(jì)提高了燃料空氣混合物在耐火磚出口的流速，進(jìn)一步促進(jìn)了燃料/循環(huán)煙氣/空氣之間的相互混合，與其他低NOx燃燒器相比，火焰更為緊湊，更加剛直穩(wěn)定。

圖1 CUBLS—W型超藍(lán)低氮燃燒器結(jié)構(gòu)

CUBLS—W型燃燒器設(shè)置6組噴嘴，每2個(gè)一組，燃料氣分六個(gè)支路供入，燃料氣接管使用法蘭與金屬軟管連接，將燃料氣引入各噴嘴及長(zhǎng)明燈?？紤]2#重整反應(yīng)加熱爐各爐所需負(fù)荷不同、同一臺(tái)加熱“U”形爐管兩側(cè)空間大小不同等因素，2#重整反應(yīng)爐共設(shè)計(jì)2 種負(fù)荷的燃燒器（燃料氣噴嘴的開(kāi)孔大小不同、壓降板的大小不同），其中2#爐單臺(tái)燃燒器使用5W型，其余反應(yīng)爐采用6W型。雖然同一臺(tái)反應(yīng)爐采用的燃燒器負(fù)荷相同，但由于爐膛內(nèi)是負(fù)壓狀態(tài)，且隨著高度增加（向?qū)α鞫慰拷┴?fù)壓大小不同，因此不同層的燃燒器內(nèi)的壓降板大小不一樣，即負(fù)壓越低，壓降板越大。

改造采用燃燒器整體更換方案，燃燒器在爐墻的開(kāi)孔形狀（圓形）不變，因此，大檢修期間，僅需拆除2#重整裝置反應(yīng)爐現(xiàn)有96 臺(tái)燃燒器，更換為低NOx燃燒器。其中重整進(jìn)料加熱爐（1#爐）南北對(duì)稱布置24臺(tái)燃燒器，第一中間加熱爐（2#爐）南北對(duì)稱布置32 臺(tái)燃燒器，第二中間加熱爐（3#爐）南北對(duì)稱布置24 臺(tái)燃燒器，第四中間加熱爐（4#爐）南北對(duì)稱布置16臺(tái)燃燒器。低NOx燃燒器安裝情況如圖2所示。

圖2 低NOx燃燒器安裝情況

在1#～4#爐各自煙道上增加1 臺(tái)CO 在線分析儀，監(jiān)測(cè)爐膛燃燒情況，及時(shí)調(diào)整加熱爐操作，保證燃料氣完全燃燒。

為了便于在正常生產(chǎn)期間實(shí)施反應(yīng)爐增設(shè)余熱回收系統(tǒng)項(xiàng)目，利用改造機(jī)會(huì)，在反應(yīng)爐頂部水平聯(lián)合煙道上預(yù)留與余熱回收系統(tǒng)接口（集合煙道增設(shè)DN4000擋板和DN2400、DN2200余熱回收甩頭擋板），使煙氣引入余熱回收系統(tǒng)預(yù)熱空氣，并在爐前布置熱風(fēng)道（預(yù)留50 個(gè)快開(kāi)風(fēng)門孔），為燃燒器在強(qiáng)制通風(fēng)工況下送風(fēng)。

4 改造效果

2#重整裝置2019年度大檢修于4月底結(jié)束，大修期間完成重整反應(yīng)爐燃燒器更新改造，因增設(shè)余熱回收項(xiàng)目暫未實(shí)施，采用自然通風(fēng)模式，改造后的燃燒器與2#重整裝置同步開(kāi)車投用。在燃燒器正常投用約3 個(gè)月后裝置進(jìn)行改造性能測(cè)試，確定脫硝改造效果。

性能測(cè)試期間，2#重整反應(yīng)加熱爐所用燃料氣組成見(jiàn)表3，與改造前燃料組成相比，標(biāo)定期間燃料中氮?dú)夂科摺錃夂扛?、甲烷含量低、乙烷含量低，主要因?yàn)槿剂辖M分中減少了天然氣占比，增加了變壓吸附分離尾氣占比，但燃料本身不含氮化合物，因此，可以排除燃料型NOx對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

表3 2019 年標(biāo)定期間燃料氣組成

2#重整各反應(yīng)加熱爐的煙氣測(cè)點(diǎn)均設(shè)在各爐對(duì)流段出口的垂直煙道上，且滿足裝置及被測(cè)加熱爐正常、平穩(wěn)運(yùn)行的要求，在反應(yīng)爐聯(lián)合煙道上設(shè)有煙氣連續(xù)在線監(jiān)測(cè)（CEMS）裝置。性能測(cè)試期間，2#重整反應(yīng)爐平均熱效率為91.69%，與改造前的平均熱效率91.72%基本持平；燃燒器火焰剛度較好，加熱爐燃燒狀況顯著改善，如圖3所示；CO在線分析儀顯示，煙氣中CO含量穩(wěn)定在10 μg/g以下；委托上海統(tǒng)誼石化設(shè)備檢測(cè)有限公司對(duì)各反應(yīng)加熱爐煙氣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示各反應(yīng)爐煙氣中NOx平均含量為32 mg/m3；根據(jù)煙氣在線分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，反應(yīng)爐煙氣中NOx平均含量為40 mg/m3，滿足設(shè)計(jì)（≤50 mg/m3）及環(huán)保（≤100 mg/m3）要求。

圖3 低NOx燃燒器火焰情況

以改造后2#重整反應(yīng)爐煙氣中NOx含量為40 mg/m3，裝置年運(yùn)行8 400 h計(jì)算，重整裝置每年可以減少NOx排放375.72 t，環(huán)境效益顯著。重整裝置反應(yīng)爐改造前后NOx排放對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 重整裝置反應(yīng)爐改造前后NOx 排放對(duì)比

5 結(jié)論

根據(jù)NOx生成原理，2#重整反應(yīng)加熱爐煙氣中NOx主要來(lái)源為熱力型NOx。燃燒方法和燃燒條件對(duì)熱力型NOx的生成影響較大，可通過(guò)燃燒器改型，減緩燃燒速率和燃燒強(qiáng)度、降低燃燒區(qū)的溫度、縮短燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)降低煙氣中NOx生成量的目標(biāo)。2#重整反應(yīng)加熱爐側(cè)燒式燃燒器改型后，煙氣中的NOx濃度大幅降低，煙氣中的NOx含量由209 mg/m3降低至40 mg/m3，而且燃料燃燒完全（對(duì)流出口煙氣中的CO 含量穩(wěn)定在10 μg/g以下），達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)排放限值，每年平均減排NOx達(dá)375.72 t。