油气混烧降低辅锅NOx 的机理及控制措施

何北奇

（福建联合石油化工有限公司，福建泉州362800）

1 概述

某公司设置有两台225 t/h 的超高压辅助锅炉（简称辅锅），正常情况下辅锅燃烧乙烯焦油（简称PFO/PGO），在没有PFO/PGO时也可燃烧燃料油和燃料气，是该公司主要的蒸汽生产装置。辅锅设计时执行《火电厂大气污染物排放标准》GB 13223－2003，要求烟气中NOx浓度不大于于400 mg/m3。2009年3月2台辅锅投用后，烟气中NOx平均浓度在280 mg/m3以下，符合当时国标要求。

NOx是大气污染的主要原因之一，同时NOx形成的酸雨还会对森林资源以及土地资源造成破坏[1]。为了保护环境，国家提出了更加严格的要求，2014年7 月1 日起执行《火电厂大气污染物排放标准》GB 13223－2011[2]，要求现有燃油燃气锅炉烟气NOx浓度小于200 mg/m3。按此标准，辅锅负荷在小于100 t/h时烟气中NOx含量依然超标。

2 影响NOx 生成的主要因素及降低机理

2.1 燃烧温度对烟气NOx 生成量的影响

辅锅烟气中的NOx分为燃料型和热力型。燃料型NOx由燃料组分所决定，辅锅所用燃料的含氮量为74.8 mg/kg，工作条件下燃料中的氮只有20% ～30%转化为NOx，因此燃料型NOx量很小。辅锅烟气中的NOx主要是热力型。热力型NOx的生成速率随着温度的升高呈指数升高，当温度达到1 530℃，温度每升高100℃，热力型NOx的生成速率增大6 ～7 倍。根据大连理工大学在130 t/h 油气混烧锅炉上的试验[3]，当油气混烧时，火焰的最高温度虽然仅比单独烧燃料气或燃料油时温度降低约50℃，但NOx生成量却从16.3 g/s下降到10.8 g/s，下降了33.7%，这说明适当降低火焰温度，有助于降低热力型NOx的生成量。所以，降低辅锅烟气NOx排放的关键是尽量降低炉膛火焰中心的燃烧温度。

2.2 油气混烧降低辅锅NOx 的机理

锅炉在同样负荷时，燃烧燃料气的炉膛温度比燃烧燃料油时高。炉膛火焰的主要辐射来源是三原子气体（CO2和H2O）和炭黑粒子。燃料油的主要成分是烃类，燃烧过程中会有大量的炭黑粒子出现。燃烧燃料气时，气相碳氢化合物产生的炭黑粒子浓度较燃油时低得多，火焰的辐射能力减弱。在锅炉同样负荷时烧燃料油，炉膛吸收的辐射热多，炉膛温度低；烧燃料气时炉膛吸收的辐射热减少，炉膛温度高，因此炉膛出口温度升高，尾部烟道相应的受热面烟气温度也升高，空气预热器吸热量增多，热风温度升高，燃烧生成的NOx相应增多。

辅锅油气混烧能够降低NOx的生成是由辅锅燃烧器的以下2个特点决定：

1）在同一个燃烧器中，燃料油是主燃料，燃料气占25%左右，燃料气燃烧后生成的烟气加强了烟气的回流作用，使火焰中心温度降低，从而减少了NOx的生成。

2）辅锅燃烧器的结构使燃料气可以部分喷射到雾化了的燃料油中，使油气有一定的预混效果，而预混燃烧可以使燃烧火焰温度降低，从而减少NOx的生成。

所以，可以采取油气混烧的方法降低辅锅烟气中的NOx。

3 降低辅锅NOx 的措施

3.1 在燃烧器上部增加“扫把风”

在辅锅燃烧器上部增加“扫把风”可以降低NOx的生成。原因是主燃烧器部分的配风占70%，进行缺氧燃烧，降低NOx的生成，上部的“扫把风”占30%，可以把主燃烧器中没有完全燃烧的燃料完全燃烬，NOx可以进一步降低。由于需要在燃烧器上部开孔改造，增设控制系统分配主风和扫把风，且无法保证负荷波动时NOx合格，暂时无法实施。

3.2 改造燃烧器及增加烟气再循环系统

辅锅的燃烧器厂家是英国HAMWORTHY燃烧工程公司，根据与该公司燃烧器调试工程师技术交流，其提出可以将燃烧器改为低氮燃烧器，增加烟气再循环系统，降低烟气中NOx的生成[4]。在燃料气工况下NOx可以低于100 mg/m3，在燃油工况下NOx可以低于150 mg/m3。但是需要全部更换为新的燃烧器及相应的控制系统，增加5万m3/h的烟气循环风机，两台辅锅的改造投资超过2 000万元，且无法保证只烧燃料油时NOx的排放合格，暂时无法实施。

3.3 油气混烧降低辅锅烟气中NOx

3.3.1 油气混烧调整准备

根据NOx生成机理，结合辅锅燃烧器的结构特点，对降低辅锅烟气的NOx排放进行了测试和调整。在测试前做了以下准备工作：

1）雾化蒸汽压力符合要求。检查2台炉每个油枪的雾化蒸汽管道畅通，确保每个油枪雾化蒸汽压力大于0.83 MPa。

2）油枪要保证完好。检查每一支在用的油枪，保证油枪畅通，防止因结焦引起油枪堵塞导致雾化不均匀，产生局部高温。

3）正确安装雾化片。雾化片安装要严密，防止漏油，导致雾化恶化，局部温度升高。

4）定期清洗及更换雾化片。每一个装到油枪的雾化片都必须清洁，防止雾化不均匀，防止火焰局部高温。周一清理1#油枪，周二清理2#油枪，依次类推，每6 天把雾化片循环清理一遍，保证雾化均匀，防止局部高温，抑制NOx的生成。

3.3.2 油气混烧调整过程

1）初步NOx调整合格。调整雾化蒸汽压力、油压，在辅锅负荷小于70 t/h 时，辅锅NOx逐步从220 mg/m3降低到180 mg/m3，之后又不合格，没有找到降低烟气中NOx的规律。

2）蒸汽吹灰，降低热风温度。根据燃烧工程公司的建议，对2#辅锅进行蒸汽吹灰，热风温度从270℃降低210℃，当时负荷为160 t/h，NOx浓度从360 mg/m3降到320 mg/m3，下降了40 mg/m3。然后对1#辅锅进行蒸汽吹灰，热风温度从244℃降到215℃，两台炉的NOx从185 ～195 mg/m3降到165 ～170 mg/m3，并保持稳定。因为降低热风温度，可以降低火焰中心温度，从而减少了NOx的生成。所以需要定期对锅炉进行蒸汽吹灰，降低热风温度。

3）多投火嘴，分散燃烧，降低炉膛温度。重新分析了操作调整过程及NOx的变化规律，判断之前NOx合格的原因是多投火嘴，分散燃烧，降低了炉膛温度，从而减少了NOx的生成。

4）在同一个火嘴中油气混烧，NOx大幅度下降。当2#辅锅负荷约180 t/h时，尝试在同一个火嘴中进行油气混烧，即分别在1 ～3个火嘴中进行油气混烧，NOx下降非常明显，从280 mg/m3逐步下降到175 mg/m3，期间负荷升高到197 t/h，NOx始终小于200 mg/m3，符合国家排放标准。用同样的方法对1#辅锅进行调整，NOx也小于200 mg/m3，证明油气混烧可以降低辅锅烟气中的NOx。

调整试验成功后，对油气混烧降低烟气中NOx浓度的方法进行了分析总结，编写了降低辅锅烟气中NOx的操作法，并根据实际运行情况进行补充完善，辅锅烟气NOx排放始终合格。采取控制措施前后辅锅NOx的排放情况见图1。

图1 采取控制措施前后辅锅NOx的排放情况

3.4 油气混烧对锅炉性能的影响

辅助锅炉设计燃料为PFO/PGO 及燃料气，PFO/PGO 为锅炉的主燃料（75%），辅助以燃料气（25%）稳燃。在锅炉全烧PFO/PGO 工况及全烧燃料气工况时，辅锅的负荷均可达到满负荷225 t/h。PFO/PGO火嘴位于燃烧器的中心，燃烧器外侧环形布置42个燃料气火嘴，一般情况下，同一个火嘴只投PFO/PGO或燃料气。

3.4.1 油气混烧对辅锅出力的影响

油气混烧对锅炉出力有一定程度的影响。经测试，油气混烧时辅助锅炉的最大负荷为200 t/h，当负荷超过200 t/h，烟气中NOx浓度大于200 mg/m3。因为油气混烧属于贫氧燃烧，目的是降低火焰中心温度，进而减少NOx生成。如果锅炉负荷超过200 t/h，需要2 个以上燃烧器退出混烧，单独烧PFO/PGO或燃料气，而单独烧PFO/PGO 或燃料气时，火焰中心温度升高，NOx生成量大，以致超标。由于炼油厂正常运行时，为了确保全厂蒸汽的稳定，2 台辅锅同时运行，冬季时每台辅锅的负荷为100 t/h左右，夏季时80 t/h左右，应急时负荷不超过200 t/h，所以，辅锅最大负荷的下降对全厂蒸汽的平衡没有影响。

3.4.2 油气混烧对辅锅热效率的影响

辅锅设计烟气中的O2含量为1.9%，由于实行油气混烧，燃料处于贫氧燃烧状态，燃烧所需要的O2量减少，辅锅烟气实际的O2含量为1.5%，经过测试，辅锅的热效率从设计的92.28%上升到实际的92.85%。油气混烧后，辅锅的热效率略有升高。

3.4.3 油气混烧对燃料成本的影响

辅助锅炉设计的燃料为75%PFO/PGO和25%的燃料气，为了降低辅锅烟气中NOx的生成，辅锅实行在同一个火嘴中油气混烧，其中燃料气的比例可以达到75%以上，燃料气的消耗量增加，而燃料气是炼油厂石油炼制过程中的副产品，根据测算，辅锅实行油气混烧后，在负荷100 t/h的情况下，辅锅产汽的燃料成本由63.03元/吨（蒸汽）降低至59.21元/吨（蒸汽），燃料成本下降6%。

4 结论

在采取控制措施前，当辅锅负荷低于100 t/h时，烟气中NOx浓度大于200 mg/m3。采取控制措施后，辅锅不需要进行任何改造，在负荷不大于200 t/h时，烟气中的NOx浓度小于200 mg/m3；在辅锅负荷波动的情况下，当不大于160 t/h时，烟气中的NOx浓度也稳定小于200 mg/m3，符合《火电厂大气污染物排放标准》GB 13223－2011的要求。使投资额为4 743万元的辅锅SCR脱硝项目推迟了3年投资，减少了公司的利息支出。

采用油气混烧不仅可以降低烟气中的NOx，而且可以提高锅炉的热效率，燃料成本降低6%，但是辅助锅炉的最大负荷只能达到200 t/h，锅炉的能力没有得到充分利用。由于辅助锅炉正常负荷为100 t/h左右，辅助锅炉负荷的限制没有影响全厂蒸汽的平衡。

由于辅锅承担着全厂蒸汽供应的任务，炼油化工装置的任何波动，最后都会导致辅锅负荷的变化，在辅锅负荷快速增加时会导致短时间烟气中的NOx超标。所以，为了保证辅锅烟气中NOx排放始终合格，增设了辅锅烟气SCR 脱硝设备，2019 年12 月投用后，在辅锅负荷为225 t/h时，也可以将烟气的NOx降低到100 mg/m3以下，达到国家排放标准的要求，从根本上解除NOx排放对辅锅负荷的限制。