450 kt/a合成氨装置一段炉烟气NOx减排措施

王爱民

(中国石油独山子石化塔里木石化分公司，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

石油、化工、热电等行业中，加热炉和锅炉等运行中会产生氮氧化物(NOx)排放，NOx是造成大气污染的主要物质之一。对于气头合成氨装置而言，一段转化炉(简称一段炉)是其关键设备之一，也是不断挖潜降耗的核心设备之一，一段炉排放烟气中的NOx会对环境造成破坏，NOx与空气中的水结合后会形成硝酸盐和硝酸，硝酸是形成酸雨的主要物质之一，而硝酸盐与其他物质在一定条件下反应会产生光化学污染等。

中国石油独山子石化塔里木石化分公司(简称塔石化)450 kt/a合成氨装置采用丹麦托普索传统蒸汽转化工艺(由中国成达工程有限公司据托普索工艺包完成初步设计和详细设计)。2010年3月24日，一段炉首次点火，同年5月5日合成氨装置成功打通全流程产出液氨，试车投产一次成功。2020年，中石油集团炼化板块对塔石化下达全年NOx排放量≤183 t的指标要求，并要求NOx排放量不断向设计值或理论值靠近，而按照以往一段炉烟气NOx排放量(均值)进行测算，远远不能达到此要求；且在2020年合成氨装置大修过程中塔石化搭建了烟气NOx实时数据监测与传输系统，新疆维吾尔自治区环保部门能实时监测塔石化的NOx排放情况。为此，据塔石化的实际生产情况，须进行一系列优化改进，以实现一段炉烟气NOx减排目标。以下对有关情况作一介绍。

1 一段炉烟气NOx排放概况

塔石化一段炉为托普索侧烧式转化炉，采用HCL Radol MkⅡ型烧嘴，低NOx排放设计--烟气中NOx≤150 mg/m3。从以往合成氨装置全年生产300 d一段炉烟气NOx排放量约250 t来看，排放总量超过限定值183 t。塔石化一段炉烟气NOx主要来源于燃料气(天然气等)的燃烧，而一段炉的燃烧包括燃料气的投入、弛放气的投入、助燃空气的投入，故可从这三个方面入手分析与探讨一段炉烟气NOx减排措施。

2 一段炉烟气NOx减排措施

结合塔石化的实际生产情况，经分析与梳理，可采取降低一段炉烟气过剩空气系数(即烟气氧含量)、降低弛放气氨含量、降低一段炉出口转化气温度，并制定燃料气中氮气含量变化时的应对措施，以实现NOx减排。

2.1 降低一段炉烟气过剩空气系数

2.1.1 一段炉烟气过剩空气系数高的原因

塔石化一段炉采用门型侧烧炉，转化炉烧嘴分布于转化管两侧，烧嘴火焰不直接接触转化管，而是通过炉壁辐射加热转化管；一段炉分东西两侧炉膛，每侧炉膛有120根转化管，共240根转化管，分A、B、C、D四排烧嘴，共有360个烧嘴。

以往塔石化一段炉烟气过剩氧含量均值为2.83%，氧含量偏高，过剩空气系数偏高(过剩空气系数一般用烟气氧含量来表征)，烟气流量偏大，造成一段炉烟气NOx折算值偏高，NOx排放量偏多，同时造成热量损失偏多，一段炉热效率下降。究其原因，由于一段炉烧嘴风门、助燃空气总管风门开关位置不同或全开等，生产中会根据空气压力、一段炉烧嘴排数及位置进行助燃空气流量的调整，各处助燃空气流量会有所不同，致使助燃空气与燃料气混合不均匀而造成烧嘴燃烧不好，火焰发散，为保证烧嘴的燃烧效果，只能添加过量的空气，由此造成烟道气中过剩氧含量较高，系统燃烧效率下降。另外，一段炉燃料气流量时高时低，易造成火焰“舔管”、燃烧不均等现象，会缩短炉管的使用寿命。

2.1.2 降低一段炉烟气过剩空气系数

降低一段炉助燃空气量，燃料气流量会相应降低。现场调整一段炉烧嘴及风门开度，调整一段炉热量分配，保证一段炉出口温度稳定，出口转化气甲烷含量合格，同时兼顾一段炉烟气温度及高压蒸汽温度的稳定。通过不断摸索，形成了成熟的调整方案--将一段炉烟气氧含量稳定在1.90%左右，实际操作中需随着气温变化(一段炉调整过程中受气温影响较大)据一段炉工艺指标不定期进行调整，确保各工艺指标稳定。

通过适当调节一段炉烧嘴和风门，据燃料气压力及鼓风压力调整烧嘴或风门开度来实现一段炉的热量调整，一段炉烟气氧含量稳定在1.90%左右，可极大地减少NOx的产生，降低燃料气消耗，提高一段炉热效率。

2.2 降低弛放气氨含量

为保证氨合成塔正常运行，需排出系统内的惰性气(弛放气)，弛放气主要成分为氢气、氮气、甲烷以及少量的氨，其可作为一段炉的燃料气。弛放气氨回收系统的作用是回收氨合成回路弛放气及各种低压排放气(主要是氨储罐闪蒸气)中的氨，回收得到99%的液氨，并将提氨后的弛放气作为燃料气送入一段炉辅助燃烧。

2.2.1 弛放气氨回收系统流程简介

来自弛放气分离器(B514)的高压弛放气进入氨回收系统高压洗氨塔(F551)中被洗涤水吸收，洗涤后F551的气相进入低压洗氨塔(F552)。在F551中，洗涤水流量(FI-5041)由控制阀(HIC-5041/5042)调节高压氨水泵(P551A/B)电机变频运行实现控制；F551压力由控制阀(PIC-5042)控制去放空总管的弛放气量来进行调节；F551液位由液位控制阀(LIC-5041)控制去氨蒸馏塔(F553)的氨水流量予以稳定，一旦F551液位太低，高压洗氨塔联锁控制系统(I-551)会联锁切断从F551流出的氨水(富液)。

在低压洗氨塔(F552)中，来自氨排放槽(B502)的闪蒸气以及来自不凝气分离器(B505)的不凝气中的氨被洗涤水吸收下来。在F552中，洗涤水流量由控制阀(FIC-5042)控制；F552液位通过液位控制阀(LIC-5044)控制去氨蒸馏塔(F553)的氨水量予以稳定，F552塔釜氨水由低压氨水泵(P522A/B)送往蒸馏塔，一旦F552液位太低，低压洗氨塔液位联锁控制系统(I-552)会联锁停运P522A/B。F552压力与放空总管压力相同，去一段炉燃烧的弛放气压力(PIC-5043)，通过分层控制去一段炉燃料气总管的低压弛放气量以及去氨放空总管的放空气量予以调节。

2.2.2 弛放气中氨含量偏高的原因

弛放气作为一段炉的辅助燃料气，这本身是一项节能措施，但弛放气一定要经过提氨后才能送入一段炉作为燃料。以往正常生产中，塔石化投入到一段炉的弛放气中氨含量是在正常指标范围之内的(氨含量≤50×10-6)，但为实现一段炉烟气NOx的减排，就必须对氨回收系统进行优化，即进一步降低弛放气中的氨含量，以减少一段炉烟气NOx含量。

2.2.3 降低弛放气中氨含量的措施

据弛放气氨回收的工艺原理，其氨蒸馏塔中塔温度(TI5089)控制范围应为210～215 ℃，以往塔石化将TI5089控制在下限210 ℃左右。理论上，适当提高TI5089，氨蒸馏效果会更好，送一段炉弛放气中的氨含量会降低，相应的一段炉烟气NOx含量会下降。为此，在保证系统稳定运行的前提下，决定通过调整(适当增大)氨蒸馏塔加热蒸汽量缓慢上调TI5089，以降低一段炉烟气NOx含量。

实际操作调整过程显示，随着氨蒸馏塔中塔温度(TI5089)的提高，弛放气氨含量及一段炉烟气NOx含量均有显著下降，最后趋于平稳，表明此举行之有效；最终，TI5089提至214 ℃时，氨蒸馏效果达到极限，弛放气氨含量及一段炉烟气NOx含量趋于稳定。经反复验证与调整，TI5089控制在214 ℃时各项参数最优，故将TI5089工艺控制指标由210 ℃变更为214 ℃，这也是塔石化合成氨装置自进行操作心得评比活动以来取得最好效果的实际应用举措。目前，一段炉前弛放气氨含量几乎检测不到。

2.3 降低一段炉出口转化气温度

一段炉烟气中NOx的生成量(主要是热力型NOx)与火焰温度呈指数变化关系，火焰温度越高，生成的NOx量呈指数增加。当燃料气燃烧温度降低时，其热力型NOx生成量会减少，为此，在保证一段炉出口转化气甲烷含量合格的前提下，适当降低一段炉出口转化气温度(大致由813 ℃降至810 ℃)，以降低一段炉烟气NOx含量。

2.4 制定燃料气中氮气含量变化时的应对措施

燃料气组分中氮气含量增多(主要是上游天然气净化厂大修时管线置换所致)会造成燃料气(天然气)组分发生很大变化，这种情况一旦出现，即燃料气中有氮气存在，易导致一段炉炉膛温度波动大，系统负荷波动大，继而出现烟气NOx含量超标现象。据以往的生产经验，需提早做好调整，将燃料气中氮气含量增多的影响降至最低，确保任何情况下不出现一段炉烟气NOx超标排放事件。

3 结束语

近年来环保要求不断提高，中石油集团炼化板块对塔石化下达的NOx排放指标越来越严苛，这对合成氨装置转化系统的优化操作等又一次提出新的考验。为此，塔石化不断进行摸索与探究，全面分析合成氨装置一段炉烟气中NOx的来源及其危害，通过适当降低一段炉烟气过剩空气系数(一段炉烟气氧含量大致由2.83%降至1.90%)、优化弛放气氨回收系统运行工况(降低入一段炉弛放气氨含量)，并适当降低一段炉炉膛燃烧温度以降低一段炉出口转化气温度，同时制定燃料气中氮气含量变化时的应对措施，有效减少了一段炉烟气NOx的产生量，完成了全年NOx减排目标，保护了环境，并降低了系统能耗。此种工艺操作优化，是目前最经济、最直接的一段炉烟气NOx减排手段，可为业内提供一些参考与借鉴。