煉油廠工藝加熱爐煙氣治理

李輝，蔡澤干(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

在A 煉油廠運行階段，硫化氫混合量高于50 mg/m3，致使煙氣存在排放污染問題，其中的二氧化硫混合量遠高于100 mg/m3規(guī)范。排出的煙氣內(nèi)含有較高的氮氧化物，亟需對氮氧化物、二氧化硫進行清潔處理，有效治理加熱器排煙污染，達到環(huán)保要求。加熱爐是處理煙氣形成污染物的關(guān)鍵流程，對其加以有效研究，給出切實可行的煙氣凈化方案，順應(yīng)煙氣環(huán)保排出的要求，具有一定研究價值。

1 工藝加熱爐煙氣排放過程

在工藝加熱爐煙氣排放過程中，為了實現(xiàn)對煙氣成分的管控，可以通過煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)來進行煙氣動態(tài)監(jiān)管，CEMS 系統(tǒng)可以針對氣態(tài)污染物與固態(tài)顆粒污染物的監(jiān)管，將所有收集到的污染物信息實時傳輸至相關(guān)部門的檢測系統(tǒng)中。就目前而言，多數(shù)煉油廠所使用的連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)都擁有相同的監(jiān)測框架，利用不同的子系統(tǒng)，可以從多個角度實現(xiàn)對工藝加熱爐煙氣污染物的全方位分析。在氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)對SO2以及NO 的動態(tài)采集，子系統(tǒng)借助紫外煙氣分析儀來進行檢測，在紫外差分光譜法的支持下，結(jié)合入射光強度以及出射光強度，來計算出工藝加熱爐生產(chǎn)煙氣中氣體污染物的濃度情況。而固態(tài)顆粒污染物監(jiān)測子系統(tǒng)則可以利用煙塵監(jiān)測儀來實現(xiàn)對固態(tài)顆粒污染物的濃度分析。在激光背散射作用下，光源將會形成散射，散射光的強度與顆粒污染物的濃度情況有直接關(guān)系，只要能夠利用探測器實現(xiàn)對散射光的分析，就可以借助散射光來達到反推煙塵濃度的目的。

2 工藝加熱爐煙氣超標原因分析

2.1 SO2 超標原因

在工藝加熱爐的實際運行期間，因為反應(yīng)速度與化學平衡所帶來的限制，所以煙氣中的SOx成分多數(shù)都屬于SO2，SO3的總量一般會占據(jù)SOx的0.5%～2.0%。從煙氣成分的角度出發(fā)，煙氣內(nèi)的SO2其主要來源就是燃料氣中的硫化物，隨著硫化物的增多，煙氣中SO2的濃度將會得到顯著提高。所以為了控制煙氣污染，需要在工藝加熱爐運行期間更多選用低硫燃料氣，然后輔以完善的脫硫工藝，以此來最大限度降低SO2在煙氣中的濃度。需要注意的是，相較于煙氣脫硫等工藝，燃料氣脫硫工藝在實際應(yīng)用期間更加具有經(jīng)濟性，所以在考慮脫硫成本的情況下可以更多選用燃料氣脫硫。在工藝加熱爐運行期間，燃料氣的主要來源為外供天然氣以及設(shè)備自產(chǎn)干氣與氣柜回收干氣，因為相較于后兩種干氣，外供天然氣的硫含量相對較低，所以為了提高降硫效果，應(yīng)更多針對脫硫工藝進行重點分析。在面對干氣脫硫時，可以將胺法脫硫視為核心脫硫工藝，脫硫期間可以利用35%濃度的MDEA 溶液來進行干氣成分控制。與此同時，由于氣柜干氣與設(shè)備排放的低壓瓦斯有直接關(guān)系，而且干氣還會受到焦化裝置的影響，在針對氣柜干氣進行管理時，應(yīng)重點加強對各種影響因素的分析與控制，以此來讓干氣脫硫效果獲得應(yīng)有的保障。

2.2 NOx 超標原因

在工藝加熱爐燃燒階段所產(chǎn)生的NOx，其成分主要為NO 以及NO2，其中NO 成分占據(jù)了90%。能夠生成NO 的因素有很多，所以針對NO 進行NOx控制的整體難度相對較高。在工藝加熱爐運行期間，能夠決定NOx生成量的核心要素為燃燒溫度、煙氣含氧量等，在氮燃燒的過程中將會自動產(chǎn)生快速型與熱力型NOx[1]。焦化裝置加熱爐在生產(chǎn)負荷影響的影響下將會導致煙氣排放量上升。在加工負荷調(diào)整的作用下，如果焦化裝置持續(xù)處于低負荷的運行狀態(tài)中，就會導致加熱爐運行負荷受到影響，如果一爐兩室的工藝加熱爐及其備用爐使用受限，將會導致爐膛氧含量超標，氧含量上升將會影響到煙氣氧含量。在焦化裝置并爐使用時，備用爐將會迅速降溫，而在引油之后則要快速點火升溫。在切爐期間，需要在短時間內(nèi)迅速滅火降溫，并爐以及切爐階段將會導致工藝加熱爐的熱負荷出現(xiàn)顯著變化，嚴重時還將導致燃料氣與空氣之間的配比出現(xiàn)失衡，進而影響到燃燒效果。燃燒問題則可能導致局部區(qū)域問題異常上升，此時煙氣NOx排放量將會增多。

3 工藝加熱爐的煙氣治理對策分析

3.1 規(guī)范燃料氣系統(tǒng)運行

在工藝加熱爐煙氣治理期間，需要通過加強燃料氣系統(tǒng)管理的方式來確保溶劑再生裝置能夠穩(wěn)定運行下去，而在干氣脫硫塔運行階段，有效控制干氣硫化氫的含量。通過嚴格控制氣柜氣體回收情況，可以防止大規(guī)模硫含量較高的氣體進入氣柜，一旦氣柜流量上升影響到脫硫塔負荷，將會導致煙氣硫含量大幅提高。未經(jīng)過脫硫處理的含硫氣要在進入高壓瓦斯管網(wǎng)之前進行阻斷，不含硫氣相在進入高壓瓦斯管網(wǎng)之前則要通過提前申報的方式來控制進入量[2]。對工藝加熱爐而言，只要能夠最大限度降低燃料氣內(nèi)的氫氣、氮氣含量，就能夠讓煙氣中的污染物含量控制效果得到顯著提高。

燃料氣系統(tǒng)運行規(guī)范如下：(1)確保溶劑再生系統(tǒng)處于有序運行狀態(tài)，使貧胺液質(zhì)量達標。溶劑要求為：溶解硫化氫質(zhì)量應(yīng)不大于1.5 g/L，溶劑質(zhì)量濃度應(yīng)高于35%；(2)催化、焦化各環(huán)節(jié)的脫硫環(huán)節(jié)，均應(yīng)保持平穩(wěn)運行狀況，脫硫處理時，硫化氫混有量應(yīng)不足20 mg/m3。

3.2 加強運行管理

在工藝加熱爐運行期間，需要針對加熱爐加強運行管理，通過調(diào)整低氮燃燒器的燃燒工況，能夠通過降低燃燒溫度、氧氣分壓等方式來優(yōu)化煙氣的排放，例如按照內(nèi)焰小、外焰大、縮短火苗高度的方式來調(diào)整焦化加熱爐，就可以讓低氮燃燒器的運行效果得到全面發(fā)揮。其中，風門打開角度初始值為67%，將其開合角度變更為50%，以增強低氮燃燒設(shè)備的運行能力。在治理煙氣期間，還可以在運行管理中加強爐膛氧含量控制，使其不超過3%,即通過壓縮爐膛負壓并適當封堵點火孔的方式來實現(xiàn)對加熱器的調(diào)整與管理。除此之外，為了降低燃料氣壓力，還需要對長明燈壓力與加熱爐主火嘴壓力進行控制，通過將兩種壓力分別控制在0.20 MPa 與0.21 MPa，能夠讓煙氣治理效果得到大幅提升。

第一，有效控制燃燒溫度。加熱爐從20 ℃加溫至180 ℃的過程中，會引起氮氧化物含量增至1.7 倍，高溫環(huán)境會促成氮氧化物的生成。為此，需加強溫度控制，以減少氮氧化物的形成量。采取余熱回收、調(diào)整空氣旁路閥角度等形式，可有效控制溫度。

第二，引入爐外循環(huán)工藝。此工藝利用排出煙氣，進行循環(huán)利用，可有效控制氮氧化物的轉(zhuǎn)化量。此項工藝引入后，僅需在原有余熱回收機制中，添加一組循環(huán)風機，收集部分煙氣，混合于爐內(nèi)空氣，使其參與燃燒。煙氣內(nèi)含氧量較低，使爐內(nèi)含氧量減小，由此降低了氮氧化物轉(zhuǎn)化的可能性。此工藝引入后，可降低至少30%的氮氧化物轉(zhuǎn)化量，使煙氣排放達標。

第三，加強煙氣滯留管理。有效控制煙氣滯留時長，可明顯提高煙氣流動能力，使其在短時間內(nèi)快速離開高溫段，有效控制氮氧化物轉(zhuǎn)化。實踐中，當燃燒溫度不足1 500 ℃時，可適當改變煙氣溫度，增強升溫能力，使煙氣流動速度加快。此方法使用時，需關(guān)注爐膛降溫處理，以獲取更優(yōu)質(zhì)的管理效果。使用負壓調(diào)整方法，能夠更好地增加煙氣流轉(zhuǎn)速度。負壓調(diào)整，可借助增設(shè)煙道擋板的形式，使負壓、煙氣流動速度在短時間內(nèi)迅速增加。

第四，合理控制燃燒成分。為有效控制氮氧化物的轉(zhuǎn)化量，需加強燃料成分管理。當前，多數(shù)煉油廠選擇的燃料，具有一定環(huán)保性，具體組成如表1 所示。

表1 燃料氣成分

表1中燃料氣的其余成分均不足3%，無氮成分，由此從燃料角度，有效控制了氮氧化物的形成可能性。

3.3 調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)

為了促使焦化、催化、溶脫裝置實現(xiàn)渣油平衡，就應(yīng)該穩(wěn)定焦化裝置的加工負荷，避免因為負荷穩(wěn)定性不足而導致切爐、并爐操作增加，切爐與并爐頻率的上升將會導致煙氣超標風險變得更高。隨著煉油廠對現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的負荷情況進行不斷調(diào)整，渣油加氫裝置在正式投產(chǎn)使用后，焦化與溶脫裝置承受的生產(chǎn)負荷將會大幅下降，生產(chǎn)負荷的大幅降低有可能對煙氣排放帶來無法預(yù)料的風險問題，所以在制定生產(chǎn)計劃的同時需要重點強調(diào)對生產(chǎn)負荷的關(guān)注。與此同時，如果渣油加氫裝置能夠定期進行催化劑更換，則焦化與溶脫裝置的生產(chǎn)負荷則會有所上升，生產(chǎn)負荷的不穩(wěn)定變化都有可能對煙氣排放造成影響，所以必須在煙氣治理中提前考慮CEMS 排放問題[3]。

比如，當空氣系數(shù)初始值為1.2 時，氮氧化物的形成量約為141 mg/L。如果將空氣系數(shù)調(diào)整至1.05，此時煙氣內(nèi)混有的氮氧化物會減小25 mg/L。空氣系數(shù)調(diào)整后，配合降溫措施，以有效控制氮氧化物形成。一般情況下，爐膛內(nèi)的含氧量為2%時，符合生產(chǎn)要求；如果含氧量超過3%，會增加氮氧化物的轉(zhuǎn)化機會；當爐膛內(nèi)含氧量不足2%時，氮氧化物轉(zhuǎn)化速度放緩，出現(xiàn)燃料燃燒不徹底現(xiàn)象，生成一氧化碳，出現(xiàn)新的污染問題。為此，含氧量的適宜參數(shù)范圍為2%～3%。

3.4 設(shè)置超標預(yù)警方案

在工藝加熱爐煙氣治理期間，需要針對工藝加熱爐煙氣排放值設(shè)置預(yù)警響應(yīng)參數(shù)，通過制定環(huán)保應(yīng)急預(yù)案，可以在出現(xiàn)異常參數(shù)時避免出現(xiàn)瞬時、小時均值超標的情況。當工藝加熱爐的煙氣指標達到預(yù)警值之后，應(yīng)該在預(yù)警響應(yīng)之后及時進入現(xiàn)場檢查CEMS儀表的運行情況。如果工藝加熱爐煙氣中的SO2出現(xiàn)預(yù)警，就需要及時調(diào)整干氣脫硫塔的胺液量，控制胺液量可以實現(xiàn)對干氣硫化氫含量的控制。在此期間，還應(yīng)該檢查分析吸收塔的柴油吸收劑流量是否產(chǎn)生了變化。在NOx出現(xiàn)煙氣超標問題時，應(yīng)該針對氧含量參數(shù)進行控制，通過關(guān)閉主火嘴以及長明燈風門，可以在調(diào)整火焰的同時避免出現(xiàn)燃燒不完全的情況發(fā)生。在面對固態(tài)顆粒物超標時，應(yīng)觀察是否出現(xiàn)了吹灰的操作，在檢查凈化風系統(tǒng)時，如果凈化風帶水就需要針對煙塵檢測儀進行養(yǎng)護，通過清潔光學窗口鏡片，可以大幅降低固態(tài)顆粒物污染[4]。比如，吸收塔位置設(shè)計預(yù)警值時，以柴油吸收量q為主體，預(yù)警方案為：q≥25 t/h，當q＜25 t/h 時，發(fā)出警報?！皟艋饵c”溫度Tj的參數(shù)控制方案為：Tj≤-20 ℃，當Tj＞20 ℃時，給出聲光警示。

3.5 加熱爐養(yǎng)護

在工藝加熱爐煙氣治理期間，應(yīng)該重點加強CEMS 系統(tǒng)的日常養(yǎng)護，以此來確保CEMS 系統(tǒng)能夠始終處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。在系統(tǒng)養(yǎng)護階段，應(yīng)定期針對系統(tǒng)進行清理與校準，系統(tǒng)過濾器與管路則要定期進行清洗，保養(yǎng)階段如果發(fā)現(xiàn)異常問題，如流量計讀數(shù)不準、探頭處出現(xiàn)腐蝕問題，及時進行計量糾偏，清除探頭腐蝕物。如果流量計探頭存在嚴重受損問題，要進行更換處理。在養(yǎng)護期間，重點檢查火孔、防爆門各位置的密封質(zhì)量，嚴防出現(xiàn)孔門嚴謹性不足、防爆門下墜等現(xiàn)象，使其擁有優(yōu)質(zhì)的氣密性，降低熱損失，保證加熱爐的運行能力。配合相應(yīng)的清灰、吹灰等工作，防止灰塵沉積，維持加熱爐運轉(zhuǎn)性能。

3.6 A 煉油廠煙氣治理實踐分析

3.6.1 SO2 煙氣治理分析

(1)SO2治理方案

在煉油廠的運行工況中，為了規(guī)避燃料氣硫含量過高所造成的負面影響，A 煉油廠準備在燃料氣系統(tǒng)中采用如下優(yōu)化方案：第一，中止瓦斯站氣柜，通過氣柜系統(tǒng)運行控制，能避免未開展脫硫處理的低壓瓦斯直接進入高壓管網(wǎng)；第二，常減壓裝置的初、常、減三種瓦斯不再進入低壓管網(wǎng)，通過額外增添一臺循環(huán)式壓縮機，并在三種瓦斯匯合升壓之后送往焦化裝置中，三種瓦斯還需要并入焦化脫硫設(shè)備[5]。

從脫硫裝置優(yōu)化的視角出發(fā)，隨著原油劣化、煙氣硫含量的增加，瓦斯內(nèi)部的硫含量將會有所提升。在脫硫設(shè)備分別與高、低壓脫硫塔并聯(lián)的情況下，脫硫瓦斯中的硫含量將會出現(xiàn)超標的情況，而且通過脫硫塔壓力調(diào)節(jié)等方式無法獲得明顯的效果。因此為了解決脫硫問題，應(yīng)該針對高、低壓脫硫塔開展改造處理。通過串塔改造可以讓通過催化干氣、碳三裝置增壓的低壓瓦斯直接進入高壓脫硫塔，高壓脫硫后的瓦斯則能與焦化瓦斯融合并進入低壓脫硫塔，二次脫硫?qū)屆摿蛐Ч玫酱蠓嵘?jù)分析，串塔將會讓脫硫瓦斯中的氫含量均值從260 mg/m3降低至40 mg/m3。

煉油廠焦化裝置在正式開工后，焦化干氣在經(jīng)過一次脫硫后便可以直接送入燃料氣管網(wǎng)，這會導致脫硫瓦斯在波動過程中出現(xiàn)超標排放的問題。為了解決硫含量波動帶來的影響，工藝加熱爐可以通過高低壓脫硫塔的二次脫硫，以此來降低硫含量波動造成的煙氣問題。

(2)SO2治理成效

A 煉油廠在對瓦斯脫硫工藝優(yōu)化時，經(jīng)過脫硫的瓦斯中的硫化氫含量降低到了20 mg/m3以內(nèi)，而且燃料氣整體質(zhì)量獲得了顯著提高。通過優(yōu)化燃料氣系統(tǒng)，還解決了低壓管網(wǎng)內(nèi)的高硫瓦斯對高壓管網(wǎng)低硫瓦斯造成污染的問題。燃料氣在硫含量降低后，煉油廠的工藝加熱爐中的煙氣SO2成功達標，因此A 煉油廠的工藝加熱爐煙氣治理方式能夠滿足煙氣治理的實際要求[5]。

3.6.2 NOx 煙氣治理分析

(1)NOx超標表現(xiàn)

A 煉油廠中的工藝加熱爐所使用的是常規(guī)NOx排放燃燒器，工藝加熱爐在2020 年的廢氣濃度監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，氮氧化物的平均監(jiān)測濃度達到了172 mg/Nm3，該濃度結(jié)果超出了規(guī)定標準濃度值。為了解決煙氣排放問題，A 煉油廠在2021 年初進行了燃燒器改造，通過將常規(guī)燃燒器優(yōu)化調(diào)整為低氮燃燒器。

(2)NOx治理方案

改造前后的兩種燃燒器在結(jié)構(gòu)層面的主要區(qū)別大致如下：第一，老舊燃燒器并沒有設(shè)置火焰分區(qū)，所以在正常生產(chǎn)期間，燃燒器的主火焰噴槍將會與附近分散分布的4 個副火焰噴槍在相同區(qū)域內(nèi)一同以豎直狀態(tài)向上進行火焰噴射。而在新燃燒器改造之后，低氮燃燒器的燃燒室將會利用環(huán)形多孔型火道磚將4 個主、副，共8 個火焰噴槍劃分在不同的區(qū)域，所有的主火焰噴槍都會在頂端區(qū)域開設(shè)兩個燃料氣噴射孔洞，而副火焰噴槍則會在頂端區(qū)域開設(shè)4 個燃料氣噴射孔洞。在燃燒器的正常運行過程中，主、副火焰噴槍可以在分區(qū)燃燒中形成主、副火焰分區(qū)。第二，低氮燃燒器在4 個主火焰噴槍的中間接近頂部的區(qū)域加設(shè)了圓形擋板，利用圓形擋板可以通過邊緣的分散孔洞來加強燃燒效果。而老舊燃燒器則并不具備圓形擋板以及相似構(gòu)造，所以老舊燃燒器的燃燒質(zhì)量難以控制。第三，新燃燒器的環(huán)形火道磚由開口弧形磚拼接而成，弧形磚的開口具有多角度分布特征。第四，低氮燃燒器對風道進行了優(yōu)化調(diào)整，老舊燃燒器的風道結(jié)構(gòu)可以通過燃燒器側(cè)滑位移實現(xiàn)對風量的調(diào)節(jié)。這種傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法容易出現(xiàn)調(diào)節(jié)結(jié)果偏大、過小的情況發(fā)生。而低氮燃燒器則在圓周側(cè)面弧形區(qū)域設(shè)置了方形進風口，進風口與風道擋板的結(jié)合可以讓風量調(diào)節(jié)變得更加精細化。與此同時，由于在風道中加入了隔板，所有的工藝加熱爐的運行過程中以煙囪效應(yīng)原理為核心生成了微負壓，隔板可以通過降低空氣流速的方式避免燃燒效果過于強烈的情況發(fā)生。

(3)NOx治理成效

A 煉油廠在2021 年初安裝了全新的燃燒器之后，重新針對工藝加熱爐的出口煙氣開展了成分監(jiān)測，技術(shù)改造前后的氮氧化物質(zhì)量情況，如表2 所示。

表2 技術(shù)改造前后的氮氧化物質(zhì)量情況

如表2數(shù)據(jù)可知，此技術(shù)方案有效降低40 mg/Nm3氮氧化物濃度，煙氣凈化效果顯著，技術(shù)改造完成的氮氧化物濃度符合國家100 mg/Nm3以內(nèi)的規(guī)范要求。因為改造后的工藝加熱爐煙氣污染成功滿足了環(huán)保生產(chǎn)的污染排放標準，因此可以認定A 煉油廠改造成功。

4 結(jié)語

總而言之，在煉油廠的運營發(fā)展階段，工藝加熱爐的重要性毋庸置疑，通過加強工藝加熱爐煙氣治理能力，能夠讓煙氣排放成功達標，避免因為煙氣排放問題而影響到煉油廠的正常經(jīng)營管理。煉油廠在煙氣凈化實踐中，需參照各地區(qū)給出煙氣排放的具體要求，結(jié)合往期生產(chǎn)存在的排污問題，從系統(tǒng)規(guī)范管理、加熱爐有效運行、預(yù)警監(jiān)管等方面，進行全面生產(chǎn)管理，給出針對性的凈化方案，切實控制煙氣排出的超標問題，發(fā)展環(huán)保型煉油生產(chǎn)企業(yè)，助力煉油廠有序發(fā)展。