普通燃烧器在线低氮改造技术研究及应用

李玖重

（中石化炼化工程（集团）股份有限公司洛阳技术研发中心，河南洛阳 471003）

加热炉燃烧产生的NOx是常见的大气污染物之一。《石油炼制工业污染物排放标准》GB31570－2015[1]规定，2017年7月1日起工艺加热炉NOx排放不大于150 mg/m3（炉膛温度≥850℃的工艺加热炉不大于180 mg/m3），特别地区排放值不大于100 mg/m3。

炼化企业加热炉常规燃烧器NOx排放大都在150 mg/m3以上，已不能满足日趋严格的排放标准[2]。在新的环保法规下，炼化企业相继进行加热炉的低氮改造。目前，加热炉低氮改造都是在停炉的情况下拆除原有燃烧器，更换低氮燃烧器。这种改造方式造成很大经济损失，一是加热炉停工造成的经济损失；二是燃烧器报废和购置所产生的花费。为了避免加热炉停工低氮改造带来的经济损失，针对中国石化某分公司圆筒型底烧燃烧器进行了在线低氮改造技术的研究，开发了一种充分利用原有燃烧器、在不停炉的情况下进行的低氮改造技术。

1 低氮燃烧机理

目前炼化企业加热炉燃料以气体燃料为主，其中氮含量很低，燃烧产生的NOx主要为热力型和快速型NOx，燃料型NOx含量极少[3]。

通常，快速型NOx生成量比热力型生成量小一个数量级。所以气体燃料燃烧生成的NOx绝大部分属于热力型。低氮燃烧器的开发主要从抑制热力型NOx的生成入手，采取一定的手段降低炉膛温度及氧含量，减少燃烧过程中NOx的产生[4]。

目前，国内外低氮燃烧技术大多采用分级扩散和烟气内循环相结合的燃烧方式，其燃烧机理如图1所示。低氮燃烧器的耐火砖上开设有烟气回流孔，耐火砖外围设有多支分级燃料喷枪，分级燃料喷枪喷头设有两级喷孔，一级燃料和卷吸的烟气沿一级喷孔喷入火盆砖内形成一级燃烧区，二级燃料和卷吸的烟气沿火盆砖上沿喷入形成二级燃烧区。燃烧空气一次通入燃烧器，一级燃烧区属于非化学当量燃烧，并卷吸部分烟气回流，二级燃烧区由多只分级喷枪形成一个扩大的火焰面，增大散热面积，同时卷吸大量烟气进入燃烧区，尽可能使燃烧温度降低，抑制NOx的产生[5]。

图1 低氮燃烧技术机理

2 在线低氮改造技术

低氮改造利用原有燃烧器的基础，保留燃烧器壳体和耐火砖，通过更换和改进燃料喷枪，达到降低NOx的目的。

2.1 燃烧器结构改造

中国石化某分公司原使用的燃烧器为圆筒型底烧燃烧器，助燃风分两级进入燃烧器。原有燃烧器低氮改造前后对比见图2，保留燃烧器壳体和耐火砖，在二次风道内增设4只分级燃料喷枪，分级燃料喷枪伸出火盆砖外，燃料高速喷出卷吸烟气回流，助燃风由一次风道全部通入燃烧器，一次风道内形成一个非当量比的燃烧，以降低火焰温度，减少NOx的产生。低氮改造技术的关键在于确定分级喷枪的型式、燃料占比、喷射角度及安装高度等参数[6]。

2.2 分级喷枪优化试验

为了确定燃料分级喷枪的结构型式，在炉体外形尺寸为4 m×6 m×6 m的大型燃烧试验炉上进行分级喷枪的优化试验。

2.2.1 喷枪喷头型式

试验设计了与原有燃烧器结构相同的燃烧器进行优化试验，通过在二次风道内更换不同型式的喷枪，探索喷头型式、喷射角度、燃料占比等参数对NOx生成的影响规律，从中优化出结构较佳的喷枪型式。对5大类喷枪喷头进行了燃烧试验，喷枪喷头型式如图3所示。

图2 低氮改造前后燃烧器对比

图3 分级喷枪喷头型式

2.2.2 喷枪优化试验分析

在5大类喷头型式下设计了十种不同结构的喷枪，在相同工况下对各种型式喷枪进行燃烧试验。图4为喷枪的型式与烟气中NOx含量的关系。

由图4可以看出，燃烧器喷枪型式由原型到E型，燃烧产生的NOx逐渐减少，最后降低至75 mg/m3。从原有燃烧器到增设A型燃料分级喷枪，分级喷枪燃料高速喷出，拉高、扩大了燃烧火焰面，并引射卷吸烟气回流，降低了燃烧温度，从而抑制了NOx的产生[7]。

图4 喷枪型式与NOx含量的关系

从A型到E型分级喷枪的改进优化过程中，烟气中NOx含量由210 mg/m3降低至75 mg/m3，喷头的主火孔喷射角度由内倾改为外倾，数量由1个改为2个，引燃孔内倾角度减小，喷头不再开设稳焰孔。分级喷枪位于火盆砖内，内倾喷孔喷射的燃料易受到助燃风的影响，使卷吸作用减弱，喷射角度由内倾改为外倾可以减弱助燃风的影响，使火焰面分散开来，增大散热面积，同时增强喷射的卷吸作用。引燃孔内倾角度减小可以大幅减少火盆砖中心区域的燃料量，减弱火焰向中心的团聚效果，从而降低中心区的火焰温度。分级喷枪主火孔由1个改为2个，既能增强燃料喷射的卷吸能力，又能扩大火焰面，不开设水平稳焰孔减少了进入中心火焰区的燃料量，进一步降低了火焰燃烧温度。因此，A到E型分级喷枪的改进从火焰燃烧面、烟气卷吸强度等方面降低了火焰燃烧温度，从而抑制了NOx的产生。

2.3 低氮改造燃烧器热态试验

为验证E型喷枪燃烧器的燃烧效果，在大型燃烧试验炉上模拟现场实际工况，设计了2.0 MW的低NOx燃烧器进行燃烧试验。根据现场所用燃料进行成分配比，模拟实际燃料状况，试验燃料组分见表1。在最大及正常负荷的燃烧状况下，考察低氮改造后的燃烧器燃烧性能，燃烧试验测试数据见表2。

表1 燃烧器燃料成分

表2 燃烧器测试数据

由表2测试数据可知，原有燃烧器二次风道内增设E型分级喷枪可有效降低NOx的生成。低氮改造后烟气中NOx含量降低至66 mg/m3，远优于国家特别地区排放限值100 mg/m3。低氮改造后燃烧火焰如图5所示，变负荷的过程中，燃烧器燃烧依旧十分稳定，火焰刚度和内聚性都较好。

图5 低氮改造后燃烧器燃烧火焰

2.4 低氮改造工业试验

低氮改造技术在重整抽提装置上进行工业试验，不停炉的情况下，逐一单台熄灭燃烧器，在燃烧器底部依次开孔增设分级喷枪。工业试验中对2台加热炉共20台燃烧器进行了改造，改造完毕装置稳定运行后，中国石化加热炉检测评定中心洛阳中心站对工业应用效果进行了标定测试，测试数据见表3。

表3 工业试验前后测试数据

由表3可知，普通燃烧器在线低氮改造效果良好，改造后加热炉产生的NOx大幅下降，排烟中的NOx含量由170 mg/m3降低至60 mg/m3，远低于国家目前最严排放标准。同时，低氮改造后，加热炉加热工艺未发生变化，工艺热负荷及燃料消耗量几乎没有变化，综合热效率维持在91.1%左右，说明在线低氮改造过程不影响加热炉的整体运行。

在线改造技术成本低廉，仅需增加燃料分级喷枪的费用，不用报废和购置燃烧器，更没有停工改造产生的经济损失。适用于无停工计划、火盆砖内具有增设分级喷枪所需空间的特定结构的燃烧器。

3 结论

采用分级扩散和烟气内循环相结合的燃烧方式，通过优化试验、热态试验及工业试验对中国石化某分公司圆筒型燃烧器进行了在线低氮改造的研究及应用，得出以下结论：

1）根据原有燃烧器结构特征，通过在燃烧器二次风道内增设分级燃料喷枪的方式，达到了燃料分级和烟气内循环的效果。2）通过优化燃烧试验确定了燃料喷枪的结构型式，优化出了燃烧特性优良的E型分级喷枪。3）热态试验表明，增设E型分级喷枪的燃烧器，燃烧火焰稳定，燃烧效果良好，使NOx含量由改造前的210 mg/m3降低至66 mg/m3。4）工业试验表明，在线低氮改造技术效果良好，大幅降低了NOx含量，适用于火盆砖内具有增设分级喷枪所需空间的特定结构的燃烧器，技术改造成本低廉，应用前景广阔。