低氮火嘴在延迟焦化加热炉的应用和对策

叶光胜

（中国石油化工股份有限公司武汉分公司联合四车间，湖北武汉 430082）

低氮火嘴在延迟焦化加热炉的应用和对策

叶光胜

（中国石油化工股份有限公司武汉分公司联合四车间，湖北武汉 430082）

随着人们对环境关注度和环保要求的日益提高，炼油工业的大气污染物排放标准逐渐提高，自2017 年7 月1 日起，按照炼油工业《污染物排放标准》的规定，现有企业加热炉排放的烟气中NOx含量不超过100mg/m3。中国石化某公司延迟焦化加热炉排法的烟气中NOx含量在2014年至2105年检测的结果表明，烟气中NOx含量普遍高于150mg/m3。经分析，通过采用降低空气过剩系数燃烧的方法和分级燃烧技术，有效降低了排放烟气中NOx的排放量，满足新排放标准要求。

延迟焦化；NOx；低NOx燃烧器；低碳燃烧器

1 引言

在炼化企业中，延迟焦化加热炉是重要的能耗大户，也是含氮氧化污染物排放的主体设备。随着新出台的环保法，企业再节能减排方面的压力越来越大。因此，对于炼化厂来说，当务之急是提高燃料燃烧效率，降低排放烟气中NOx的含量。

2 延迟焦化过程中产生氮氧化物的原因

氮氧化物通常包括 N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和 N2O5等。其中，能够引起大气污染的主要是NO 和NO2[1]，在燃烧过程中排放物主要有：CO、SO2、NO、灰渣、飞灰等，气体燃料燃烧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数量级上，燃烧器燃烧中NO的生产主要有三种途径：

（1）温度型NO，研究表明，在燃烧温度超过1 500℃，温度每增加100℃，N2和O2反应生成NO的速度增大6～7倍；

（2）快速型NO，是由空气中的氮气，和富碳富氢类燃料在高温火焰内经高温分解产生的碳氢自由基反应生成氰化氢和氮自由基，氮自由基以极快的速度氧化生成一氧化氮，反应时间极短，只需60ms。

（3）燃料型NO，燃料中的化合氮比空气中的空气更容易生成一氧化氮，故燃料型NO主要与燃料中的化合氮的比重有关，而与温度关系不大。

而气体燃料中氮化合物的比重小，所以燃烧器排放的氮氧化物主要是温度型NO。

自2017年7月1日起，按照炼油工业《污染物排放标准》[2]的规定，现有企业加热炉排放的烟气中NOx含量不超过100×10-6；若为2015 年7 月1 日起新建的企业，燃烧炉烟气排放物中氮氧化物每立方米不超过150mg；特别限值地区执行氮氧化物排放每立方米不超过100mg。

3 加热炉烟气中氮氧化合物的排放现状

2014—2016 年，某石化公司延迟焦化装置加热炉排放烟气中氮氧化物的含量见表1。

如表1所示，2015 年9 月之前，延迟焦化加热炉所排放烟气中氮氧化物的含量最高到达190×10-6，最低仅为117×10-6，平均为158×10-6，满足炼化工业《污染物排放标准》中规定的。2017年7 月1 日之前企业排放烟气中氮氧化物含量不大于200×10-6。而数据峰值谷值差距大的原因，主要有以下几点：①延迟焦化装置焦炭塔操作属于周期性操作，②不同加热炉的运行工况及焦炭塔的生产节点各不相同，③不同工况下的炉内燃烧情况不同。对不同工况的加热炉排放的烟气采样分析，烟气中的氮氧化物含量故而差别较大。

但从数据可知，加热炉燃烧废烟气中氮氧化物的平均含量高于150×10-6，不满足2017年7月1日起，执行的工业《污染物排放标准》。因此，迫切需要降低烟气中氮氧化物的排放量。

表1 加热炉烟气中NOx的含量 ×10-6

4 降低加热炉烟气中NOx的措施及建议

温度型氮氧化物的生成速度与燃烧温度呈指数关系，高温区内形成的氮氧化物会对炉内整个温度型氮氧化物的生成起主要作用。根据加热炉内氮氧化物的产生原因，结合延迟焦化装置的实际生产情况，降低加热炉排放烟气中氮氧化物的产生可采取以下几种措施。

4.1 采用新型燃烧器

某石化分公司延迟焦化装置于2015 年大检修期间对加热炉进行了技术改造，如图1所示，采用新型的多喷枪布置和高低灯头燃烧器替代了原有的燃烧器。燃烧器采用特殊耐火砖结构，综合垂直扁平焰燃烧器和贴墙燃烧器的结构优点，本燃烧器为外混式燃烧器，燃烧过程为扩散燃烧，燃烧强度比预混燃烧低得多，不回火，不易脱火，燃料气压力低时也能使用，通过分段供应燃气，内侧喷枪高度低于外侧喷枪，降低各级火焰温度，抑制NOx生成，也预热空气，强化燃气和空气的混合降低能耗.为减少燃烧器火焰间隙，改善炉墙局部高温，降低炉墙温度梯度，本燃烧器改善燃料气和助燃空气的混合型势，通过增加火焰铺展面，使外侧喷枪间距大于内侧喷枪间距，内侧喷枪加装球形调节阀，能够调节燃烧器功率大小，采用多喷孔小孔径喷头将燃气分散成多股细流以一定角度与空气混合燃烧，缩短混合燃烧时间，使形成扇形扩张火焰，形成炉墙连续高温区，火焰以较小的水平夹角附墙燃烧，同时降低了火焰高度，最后将上层耐火砖组成一个截面积突然扩大的喇叭旋口，倾斜角偏向炉墙使燃气回旋二次充分燃烧，而下层耐火砖喉口能够形成负压使空气以一定流速与燃气混合。

图1 耐火砖、内侧喷管、燃烧器示意图

4.2 采用CO控制燃烧优化技术

研究表明，加热炉在燃烧过程中，如图2所示，烟气中O2与CO含量有一定关系，当加热炉中氧含量在1%以上时，随着氧含量增加，CO被氧化，含量趋于零。此时过剩空气带走的热量损失会大大增加。当氧含量在0.5%以下时，随着氧含量减少，CO含量快速增加，如果氧含量在0.5%～1%时，CO含量在50×10-6～150×10-6，能很好地平衡空气过剩引起的排烟热损失和CO引起的不完全燃烧损失，使得加热炉的燃烧接近理论燃烧。

图2 烟气中CO/O2/NOx的关系

同时，由于O2的轻微缺乏，可以抑制NOx的生成[3]。这是一种最简单的降低NOx排放方法。一般可降低NOx排放15%～20%。但如果加热炉内氧浓度过低，会造成燃料浓度急剧增加，增加化学不完全燃烧热损失，引起飞灰使含碳量增加，燃烧效率下降，并使火嘴结焦，火焰偏斜舔炉管。

使用O2含量来控制加热炉燃烧，常常因为氧化锆仅能在辐射室顶部定点测量烟气的几个点，测量值不准确，且加热炉漏风，氧化锆电化学反应滞后，都会对测量结果影响较大，实际中都会留有一定安全余量，使氧含量偏高，而基于CO控制燃烧优化技术具有以下有点：漏风对CO测量的影响小，CO测量采用量子串级激光技术反应迅速不滞后，且激光束横跨整个对流段烟道数据采集均匀。

4.3 新燃烧器技术要求

燃气枪在操作工况条件下，强制通风或自然通风时，其燃烧火焰呈淡黄偏兰色，火焰稳定，且刚直有力，不舔炉管，不发飘，在操作过程中能够安全稳定的运行。燃气枪能在所有工况下安全操作，在备用状态下也能够承受加热炉正常的操作温度。燃气枪可以在线安装，应保证安装正确，拆卸方便。

4.4 燃气枪安装设计要求

燃烧器燃料气枪在设计燃料和操作负荷范围内不出现结焦现象。燃料气枪和长明灯在备用状态下能承受加热炉正常操作温度，喷头材质采用06Cr25Ni20，枪管材质采用0Cr18Ni9。燃料气枪和长明灯在加热炉操作时能易于拆卸和清洗更换。长明灯燃料气入口应设置金属软管，并应配带与外部管线连接的管接头。燃烧器内所有连接管（包括金属软管）均是气密性连接。每套燃烧器枪，确保通过长明灯能人工点燃。金属软管采用不锈钢网体金属软管，材质0Cr18Ni9，实际安装时保证能够与现有管道连接。

5 实际应用

延迟焦化加热炉F102为阶梯式双面辐射炉，在应用基于CO控制的燃烧优化技术后，在加热炉负荷为100t/h，CO含量控制在（0～100）×10-6的前提下，氧含量下降约1.5%；加热热效率提高0.7%，烟气中的NOx含量减少约10.4mg/m3。见表2，从而达到新的排放要求。

表2 改造后加热炉主要控制指标变化情况

6 结论

降低加热炉排放烟气中NOx的含量，已成为重要的环保任务。通过优化加热炉的燃烧控制技术、采用CO燃烧控制优化技术燃烧和新型燃烧器，能够有效降低延迟焦化装置加热炉烟气中NOx排放浓度，达到环保要求。同时，通过对现有加热炉燃烧器进行适应性改造，就不需要对现有燃烧器进行更换，能够降低装置的运行成本。

[1] 张青杰.低NOx燃烧技术浅析[J].河北冶金，2008，（5）：58-59.

[2] GB31570—2015，石油炼制工业污染物排放标准[S].

[3] 徐彬，张麦贵.管式加热炉安全运行与管理[M].北京：中国石化出版社，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

叶光胜（1966—），男，湖北武汉人，工程师，主要从事延迟焦化工艺生产管理工作。