新型低氮燃烧器的原理及应用

景晔

中国石油大连石化公司 辽宁 大连 116031

随着国家对生态环境越来越重视，对炼化企业污染物排放的管控力度也不断加大。其中，加热炉排放烟气中氮氧化物（NOx）含量就是一项重要的监管指标。NOx是大气的主要污染物之一，它不但能破坏臭氧层而且也是形成光化学烟雾的主要组分。2015年4月16日，中华人民共和国环境保护部发布了GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》，规定“新建企业工艺加热炉自2015年7月1日起执行该标准，特别限值地区执行100mg/m3的排放限值”[1]。炼化企业早期投产加热炉的烟气排放很难达到这一指标要求，因此，通过一定的技术手段来实现减排十分有必要。

1 汽油加氢装置加热炉介绍

大连石化公司225万t/年汽油加氢装置，2013年建成投产，共设置有2台加热炉，分别为分馏塔加热炉（位号H-9101）和加氢脱硫（HDS）反应加热炉（位号H-9102）。分馏塔加热炉位于分馏塔底循环管线上，用于给分馏塔底提供热源。HDS反应加热炉位于HDS第一反应器出口，物料经加热炉加热后至稳定塔底换热，再进入HDS第二反应器中反应。

2台加热炉均属于方箱式立管炉，分别设有辐射室和对流室。加热炉下方设有燃烧器，分别通入瓦斯和空气进行燃烧，产生的热量用于加热四周炉管中的物料。分馏塔加热炉（H-9101）内设16个燃烧器，中间用一个隔断隔开，两个腔室内各有8个燃烧器。HDS反应加热炉（H-9102）内设有12个燃烧器，分3排排列，每排有4个燃烧器，每2排燃烧器中间设有炉管。

2台加热炉共用1套水热媒空气预热系统。设置有1台鼓风机和1台引风机用于强制通风。2台加热炉燃烧所产生的烟气被引风机产生的抽力抽出，经空气预热器回收余热，流经烟道，最后统一通过分馏塔加热炉顶的烟囱进行排放。空气由引风机抽进风道中，与热媒水及烟气进行2次换热后送入燃烧器中与燃料气混合燃烧。

2台加热炉改造前排放烟气中氮氧化物NOx浓度在130 mg/m3左右，与国家要求的指标还存在一定的差距。因此，计划通过技术手段升级改造，使烟气排放NOx浓度达到国家标准。

2 改造方案选择

化石燃料在加热炉炉膛内燃烧，释放出化学能，在燃烧过程有NOx伴随烟气生成。NOx生成的机理有3种：一是空气中的2种主要成分O2和N2在高温条件下发生化合反应，生成NOx，通过这一途径生成的NOx通常被称为热力型NOx，也叫热转化型（T-NO）；二是燃料油或燃料气中含有的氮化物热分解，再接触氧发生化合反应，生成NOx，通过这一途径生成的NOx通常被称为燃料型NOx，也叫燃料转化型（F-NO）；三是燃料油或燃料气产生的 CH 原子团撞击助燃空气中的 N2，生成碳氮类化合物，该化合物再被氧化生成NOx，通过这一途径生成的NOx通常被称为快速型NOx，也叫直接转化型（P-NO）[2]。其中，热力型NOx的生成量最大，它与燃烧温度有很大关系。在温度足够高时，热力型NOx的生成量可达NOx总量的90%。经实验论证，随着反应温度T的升高，生成NOx的反应速率按指数规律增加。当T＜1300℃时，NOx的生成速率较低；而当T＞1300℃时，T每增加100℃，NOx反应速率增大6～7倍。由此可见，火焰高温区的温度是决定NOx生成量的重要因素，控制火焰高温区的温度就是控制NOx排放量的关键。

目前，减少烟气中NOx排放的方法主要有3种，一是降低燃料中的氮含量，二是采用低氮燃烧器来抑制燃烧过程中生成NOx，三是对烟气进行脱硫脱硝处理。首先，燃料转化生成的NOx占比较小，因此降低燃料中氮含量意义不大；其次，由于对烟气脱硫脱硝处理的成本较高，改造难度大，因此不适宜采用该方法；所以最为高效适用的方法就是使用低氮燃烧器。

低氮燃烧器通过改进燃烧器结构，利用一定的技术手段，降低火焰高温区温度，从而达到抑制NOx生成的目的。目前已有的技术手段有空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气循环等。空气分级燃烧是将燃烧所需要的空气分成2股；燃料分级燃烧是将燃料分成多股，使火焰负荷分散；烟气循环是将一部分燃烧后的烟气再返回燃烧区循环使用。

3 低氮燃烧器原理

汽油加氢装置加热炉改造中选用洛阳瑞昌公司的新型低氮燃烧器，它采用燃料分级和烟气回流相结合的技术来抑制热力型NOx的生成。如图1所示，为实现燃料分级，每个燃烧器设置了若干辅喷枪，它们安装在耐火砖周围，瓦斯由喷枪喷孔以一定的角度喷向燃烧区域，从而达到分割火焰的目的。分层的火焰与助燃空气混合燃烧，扩大火焰集中区，降低局部火焰温度，抑制NOx的产生。同时，枪头喷出的火焰依靠耐火砖的结构，在燃料分级处形成负压，进而使烟气在负压区进行回流、重新混合，形成烟气回流，进一步降低高温区域温度，抑制NOx的产生。另外，燃烧器高速喷射的瓦斯射流带动燃烧区域附近烟气回流，加强炉膛局部对流换热，提高炉效率的同时延长炉管的使用寿命。

图1 低氮燃烧器结构原理图

新型燃烧器根据适用范围和结构的差异，又可分为不同的类型。本次改造中，分馏塔加热炉（H-9101）采用GCFB-V形式燃烧器，HDS反应加热炉（H-9102）采用GRFB-Ⅲ形式燃烧器。新型加热炉燃烧器发热量见表1。

表1 加热炉燃烧器发热量

GCFB-V形式燃烧器结构如图2所示，由筒体、风道、风道挡板、主瓦斯枪，副瓦斯枪、长明灯、耐火砖构成。筒体为圆柱形。主瓦斯枪布置在筒体的中心处，长明灯布置在主瓦斯枪的侧边。风道位于筒体侧边，风道挡板可调节进入空气量的大小。耐火砖为环形，安装在燃烧器内部上侧，与筒体同心。副瓦斯枪分散布置在耐火砖的外侧，与炉膛连通。

图2 GCFB-V形式燃烧器结构

GRFB-Ⅲ形式燃烧器结构如图3所示，同样由筒体、风道、风道挡板、主瓦斯枪，副瓦斯枪、长明灯、耐火砖构成。筒体为长方体。主瓦斯枪有4根，布置在长方体的中心位置，长明灯在4个主瓦斯枪的中心。风道位于筒体侧边，风道挡板可调节进入空气量的大小。耐火砖为长方体，安装在燃烧器内部上侧。副瓦斯枪布置在耐火砖长方体的左右两侧，与炉膛连通。

图3 GRFB-Ⅲ形式燃烧器结构

4 低氮燃烧器改造实施

4.1 改造施工

2020年装置大检修期间对2台加热炉的全部燃烧器（共计28个）进行了更换。施工过程中，先将原有燃烧器拆除，然后在炉底板上预埋螺栓，再将燃烧器筒体用预埋螺栓固定在炉底板上，最后修补耐火砖及安装瓦斯软管。

低氮燃烧器在安装过程中保证安装质量十分重要，它将直接影响到燃烧器的性能。尤其是枪头尺寸、方位和高度都应与安装图纸一致，否则将改变燃料喷出的角度，从而影响烟气回流与火焰的燃烧。施工过程中还应注意检查，燃料气枪喷口清洁无杂物，风门能够灵活操作。在所有燃烧器的燃料气管线在投用前还要进行气密试验以确保不发生泄漏。

新型燃烧器在2020年大检修后随装置开工投入使用，运行稳定，效果良好。

4.2 生产使用过程中的注意事项

4.2.1 防止喷孔堵塞

低氮燃烧器的枪头喷孔较小，容易堵塞。当观察到燃烧器火焰形状与其他燃烧器不同，或枪头出现焦化、熏黑现象时，说明燃烧器出现枪头堵塞。这时需要熄火，对燃烧器的枪头进行清洗。

4.2.2 巡检时观察火焰变化

低氮燃烧器具有比常规燃烧器更长和更粗的火焰。日常要通过火焰监视器或现场看火窗来观察火焰的燃烧情况，如出现火焰舔炉管、火焰外形变化、冒黑烟等情况，说明燃烧出现问题，需要及时调整。

4.2.3 控制烟气中的氧含量

如果烟气中氧含量过高，说明空气过剩较多，会使NOx生成量相应增多。所以，需要将烟气中氧含量保持在合理的区间，在保证正常燃烧的条件下，控制过剩空气量，进一步降低NOx的生成与排放。

5 使用效果分析

新型低氮燃烧器投用后，效果显著，烟气中NOx含量下降十分明显。加热炉运行时烟气中NOx含量从改造前2019年的130 mg/m3左右，降低到改造后2021年的50 mg/m3左右，具体数据见图4。改造后NOx远低于国家要求的排放指标，实现了预期目标。燃烧器的运行也十分平稳，未出现过较大故障。

图4 改造前后氮氧化物浓度

6 结束语

汽油加氢装置加热炉新型低氮燃烧器的改造非常成功，使加热炉烟气排放满足国家的指标要求，用较小的改造成本实现了预期目标。新型低氮燃烧器的使用对企业的健康发展与国家的环保治理都具有十分显著的意义。