加热炉燃烧器改造降低烟气NOX排放

夏隽 毛哲

（中国石油大连石化公司）

0 引 言

大气中NOX含量的增加，是形成PM2.5和雾霾的重要原因，NOX作为大气的主要污染物之一，除一次污染物直接对环境、人体健康有害外，还会产生多种二次污染物。依据GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》中要求，现有企业自2017年7月1日起执行其标准排放限值，对现有和新建的石油化工过程中工艺加热炉烟气中NOX的排放浓度限值降为小于或等于150 mg／m3。

本项目针对大连石化公司450万t／a常减压蒸馏装置（以下简称二蒸馏）加热炉烟气中NOX排放超标的问题进行改造，了解燃烧过程中NOX的生成机理和低氮燃烧器的燃烧技术，提出最佳的改造方案。

1 燃烧过程中NOX生成机理

绝大部分燃烧方式产生的NOX，NO占90%以上，其余为NO2［1］。理论上NOX的生成机理有三种：快速或直接转化型、燃料转化型、热力型或热转化型［2］。

二蒸馏装置加热炉燃料为公司的管网瓦斯，由于氮含量很少，因此烟气中NOX大多数为热力型NOX。

热力型或热转化型反应式：

热力型NOX的生成量和燃烧温度关系很大，在温度足够高时，热力型NOX的生成量可占到NOX总量的90%，随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。

当T＜1 300℃［3］时，NOX的生成量不大，而当T＞1 300℃时，T每增加100℃，NOX反应速率增大6～7倍。

2 低氮燃烧器改造

2.1 改造方案

NOX控制技术可分为燃烧前、燃烧中和燃烧后处理三类。

对于二蒸馏装置而言，其工艺炉外排烟气中NOX为热力型NOX，可以通过分级燃烧使烟气中的NOX降低至100 mg／Nm3左右，即可以仅通过低氮燃烧技术满足外排烟气中NOX的排放标准，且低氮燃烧技术对锅炉的改造量较小，改造工期短。

2.2 燃料分级和烟气再循环技术

燃料分级是一种燃烧改进技术，它用燃料作为还原剂来还原燃烧产物中的NOX。燃烧分级也可叫作“再燃烧”或“NO再燃烧”。燃料分级过程是：大部分燃料从燃烧器进入一次燃烧区并造成富燃料状态，而一小部分燃料，喷到携NO的一次燃烧产物中，于是在一次燃烧区内生成的NO在二次燃烧区大量地被烃根还原成氮分子。燃料分级再燃与还原NOX技术是降低NOX诸多方法中最有效的措施之一［4］。

烟气再循环主要抑制热力型NOX的生成，对温度的影响大于氧分压的影响［5］，杨伟杰［6］等对现有的燃烧器加入烟气再循环进行实验，发现可有效降低NOX排放。

烟气再循环分为内部烟气再循环与外部烟气再循环。内部烟气再循环是指通过燃烧器与炉膛的结构设计，使得烟气产生回流，在炉膛内回流到燃烧区域参与反应。外部烟气再循环技术是指烟气从锅炉某一部位通过一个外部管道，在燃烧器入口与空气混合，通过燃烧器重新加入到炉膛内参与燃烧。

本次二蒸馏装置加热炉燃烧器改造，使用的是燃料分级和烟气再循环相结合的技术。本次改造的低氮燃烧器的燃烧技术见图1。

图1 低氮燃烧器的燃烧技术

采用两只独立燃料枪将燃料分为两部分进入燃烧器，中心燃料枪在过量空气中完成燃烧，大量的空气会降低火焰中心的温度，避免热力型NOX的大量生成。外环燃料枪将燃料直接喷入炉膛，燃料在炉内得到预热的同时与氧含量较低的烟气混合完成燃烧，在氧分压低的环境下火焰温度相应的得到降低，也利于降低NOX的生成量。

耐火砖采用独特的异型结构，在耐火砖高出炉衬部分布置若干向上倾斜的斜坡，相邻两斜坡采用一大一小两个倾斜角度。通过耐火砖的独特结构使二级燃料形成分阶段燃烧。

燃料配入形式和耐火砖的结构构成浓淡燃烧技术，空气一次性配入，在火道内少量燃料在大量空气中燃烧，热量被大量空气带走，在喷出火道砖时，剩余燃料喷入未燃尽的烟气中耗尽其中的氧气，减低氧分压，减少多余氧气与N2反应的机会，减少NOX的生成。

燃烧器的二级燃料枪喷射的高速燃料射流使燃烧器火道砖处形成较强的负压区，炉内烟气在此负压的作用下，快速填充负压区，将烟气再循环引入到燃烧气体中，惰性的烟气冷却火焰，降低氧分压，并减少NOX排放。

3 改造实施情况

3.1 改造效果

改造前二蒸馏装置加热炉烟气NOX浓度一般在200 mg／m3左右，更换28台燃烧器后，经环保检测，加热炉烟气中NOX浓度均小于80 mg／m3，达到了改造目的和设计要求，改造后加热炉烟气浓度数据见表1。

表1 加热炉改造后烟气中NOX浓度

3.2 优化操作

3.2.1 燃料性质

图2为氢气含量对烟气NOX排放的影响。

图2 氢气含量对烟气NOX排放的影响

从图2可看出，当氢气的含量增大时，对烟气NOX排放的影响成增大的趋势。

针对此情况，需尽量降低加热炉燃料中氢气的含量，优化加热炉的燃料组成，表2为优化前后燃料组成情况，从表中可以看出，优化后燃料的氢气含量大幅降低。

表2 加热炉燃料优化前后瓦斯组成（体积百分比）%

3.2.2 烟气中氧气的浓度

图3为烟气中氧含量对烟气NOX排放的影响，从图3可看出，当氧含量增大时，对烟气NOX排放的影响呈增大的趋势。

图3 氧含量对烟气NOX排放的影响

在加热炉运行过程中，随着烟气氧含量的减少，可以有效抑制NOX的生成。通过调节加热炉烟道挡板和供风挡板开度，在炉膛一定负压的情况下，控制加热炉氧含量在较低的范围内。

另外炉内的氧含量过低时，会增加化学不完全燃烧的损失，使加热炉的热效率下降。因此对每台加热炉的风门进行调节，使其在处于最佳的燃烧状态，图4为燃烧器较为理想的燃烧状态。

图4 燃烧器燃烧状态

4 结 论

通过研究燃烧过程中NOX生成机理，利用加热炉新型燃烧器的燃料分级和烟气再循环技术，可以在很大程度上控制炉膛内部高温燃烧区域NOX的生成。装置加热炉更换低氮燃烧器以及优化加热炉操作后，加热炉烟气NOX排放浓度低于100 mg／m3，满足GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》规定的排放要求，达到了预期的目的，取得了良好的效果，对降NOX减排量具有重大意义。