低氮火嘴在延遲焦化加熱爐的應用和對策

葉光勝

（中國石油化工股份有限公司武漢分公司聯合四車間，湖北武漢 430082）

低氮火嘴在延遲焦化加熱爐的應用和對策

葉光勝

（中國石油化工股份有限公司武漢分公司聯合四車間，湖北武漢 430082）

隨著人們對環境關注度和環保要求的日益提高，煉油工業的大氣污染物排放標準逐漸提高，自2017 年7 月1 日起，按照煉油工業《污染物排放標準》的規定，現有企業加熱爐排放的煙氣中NOx含量不超過100mg/m3。中國石化某公司延遲焦化加熱爐排法的煙氣中NOx含量在2014年至2105年檢測的結果表明，煙氣中NOx含量普遍高于150mg/m3。經分析，通過采用降低空氣過剩系數燃燒的方法和分級燃燒技術，有效降低了排放煙氣中NOx的排放量，滿足新排放標準要求。

延遲焦化；NOx；低NOx燃燒器；低碳燃燒器

1 引言

在煉化企業中，延遲焦化加熱爐是重要的能耗大戶，也是含氮氧化污染物排放的主體設備。隨著新出臺的環保法，企業再節能減排方面的壓力越來越大。因此，對于煉化廠來說，當務之急是提高燃料燃燒效率，降低排放煙氣中NOx的含量。

2 延遲焦化過程中產生氮氧化物的原因

氮氧化物通常包括 N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和 N2O5等。其中，能夠引起大氣污染的主要是NO 和NO2[1]，在燃燒過程中排放物主要有：CO、SO2、NO、灰渣、飛灰等，氣體燃料燃燒的排放物比煤和油的排放量小得多，只有氮氧化物的排放量在同一數量級上，燃燒器燃燒中NO的生產主要有三種途徑：

（1）溫度型NO，研究表明，在燃燒溫度超過1 500℃，溫度每增加100℃，N2和O2反應生成NO的速度增大6～7倍；

（2）快速型NO，是由空氣中的氮氣，和富碳富氫類燃料在高溫火焰內經高溫分解產生的碳氫自由基反應生成氰化氫和氮自由基，氮自由基以極快的速度氧化生成一氧化氮，反應時間極短，只需60ms。

（3）燃料型NO，燃料中的化合氮比空氣中的空氣更容易生成一氧化氮，故燃料型NO主要與燃料中的化合氮的比重有關，而與溫度關系不大。

而氣體燃料中氮化合物的比重小，所以燃燒器排放的氮氧化物主要是溫度型NO。

自2017年7月1日起，按照煉油工業《污染物排放標準》[2]的規定，現有企業加熱爐排放的煙氣中NOx含量不超過100×10-6；若為2015 年7 月1 日起新建的企業，燃燒爐煙氣排放物中氮氧化物每立方米不超過150mg；特別限值地區執行氮氧化物排放每立方米不超過100mg。

3 加熱爐煙氣中氮氧化合物的排放現狀

2014—2016 年，某石化公司延遲焦化裝置加熱爐排放煙氣中氮氧化物的含量見表1。

如表1所示，2015 年9 月之前，延遲焦化加熱爐所排放煙氣中氮氧化物的含量最高到達190×10-6，最低僅為117×10-6，平均為158×10-6，滿足煉化工業《污染物排放標準》中規定的。2017年7 月1 日之前企業排放煙氣中氮氧化物含量不大于200×10-6。而數據峰值谷值差距大的原因，主要有以下幾點：①延遲焦化裝置焦炭塔操作屬于周期性操作，②不同加熱爐的運行工況及焦炭塔的生產節點各不相同，③不同工況下的爐內燃燒情況不同。對不同工況的加熱爐排放的煙氣采樣分析，煙氣中的氮氧化物含量故而差別較大。

但從數據可知，加熱爐燃燒廢煙氣中氮氧化物的平均含量高于150×10-6，不滿足2017年7月1日起，執行的工業《污染物排放標準》。因此，迫切需要降低煙氣中氮氧化物的排放量。

表1 加熱爐煙氣中NOx的含量 ×10-6

4 降低加熱爐煙氣中NOx的措施及建議

溫度型氮氧化物的生成速度與燃燒溫度呈指數關系，高溫區內形成的氮氧化物會對爐內整個溫度型氮氧化物的生成起主要作用。根據加熱爐內氮氧化物的產生原因，結合延遲焦化裝置的實際生產情況，降低加熱爐排放煙氣中氮氧化物的產生可采取以下幾種措施。

4.1 采用新型燃燒器

某石化分公司延遲焦化裝置于2015 年大檢修期間對加熱爐進行了技術改造，如圖1所示，采用新型的多噴槍布置和高低燈頭燃燒器替代了原有的燃燒器。燃燒器采用特殊耐火磚結構，綜合垂直扁平焰燃燒器和貼墻燃燒器的結構優點，本燃燒器為外混式燃燒器，燃燒過程為擴散燃燒，燃燒強度比預混燃燒低得多，不回火，不易脫火，燃料氣壓力低時也能使用，通過分段供應燃氣，內側噴槍高度低于外側噴槍，降低各級火焰溫度，抑制NOx生成，也預熱空氣，強化燃氣和空氣的混合降低能耗.為減少燃燒器火焰間隙，改善爐墻局部高溫，降低爐墻溫度梯度，本燃燒器改善燃料氣和助燃空氣的混合型勢，通過增加火焰鋪展面，使外側噴槍間距大于內側噴槍間距，內側噴槍加裝球形調節閥，能夠調節燃燒器功率大小，采用多噴孔小孔徑噴頭將燃氣分散成多股細流以一定角度與空氣混合燃燒，縮短混合燃燒時間，使形成扇形擴張火焰，形成爐墻連續高溫區，火焰以較小的水平夾角附墻燃燒，同時降低了火焰高度，最后將上層耐火磚組成一個截面積突然擴大的喇叭旋口，傾斜角偏向爐墻使燃氣回旋二次充分燃燒，而下層耐火磚喉口能夠形成負壓使空氣以一定流速與燃氣混合。

圖1 耐火磚、內側噴管、燃燒器示意圖

4.2 采用CO控制燃燒優化技術

研究表明，加熱爐在燃燒過程中，如圖2所示，煙氣中O2與CO含量有一定關系，當加熱爐中氧含量在1%以上時，隨著氧含量增加，CO被氧化，含量趨于零。此時過剩空氣帶走的熱量損失會大大增加。當氧含量在0.5%以下時，隨著氧含量減少，CO含量快速增加，如果氧含量在0.5%～1%時，CO含量在50×10-6～150×10-6，能很好地平衡空氣過剩引起的排煙熱損失和CO引起的不完全燃燒損失，使得加熱爐的燃燒接近理論燃燒。

圖2 煙氣中CO/O2/NOx的關系

同時，由于O2的輕微缺乏，可以抑制NOx的生成[3]。這是一種最簡單的降低NOx排放方法。一般可降低NOx排放15%～20%。但如果加熱爐內氧濃度過低，會造成燃料濃度急劇增加，增加化學不完全燃燒熱損失，引起飛灰使含碳量增加，燃燒效率下降，并使火嘴結焦，火焰偏斜舔爐管。

使用O2含量來控制加熱爐燃燒，常常因為氧化鋯僅能在輻射室頂部定點測量煙氣的幾個點，測量值不準確，且加熱爐漏風，氧化鋯電化學反應滯后，都會對測量結果影響較大，實際中都會留有一定安全余量，使氧含量偏高，而基于CO控制燃燒優化技術具有以下有點：漏風對CO測量的影響小，CO測量采用量子串級激光技術反應迅速不滯后，且激光束橫跨整個對流段煙道數據采集均勻。

4.3 新燃燒器技術要求

燃氣槍在操作工況條件下，強制通風或自然通風時，其燃燒火焰呈淡黃偏蘭色，火焰穩定，且剛直有力，不舔爐管，不發飄，在操作過程中能夠安全穩定的運行。燃氣槍能在所有工況下安全操作，在備用狀態下也能夠承受加熱爐正常的操作溫度。燃氣槍可以在線安裝，應保證安裝正確，拆卸方便。

4.4 燃氣槍安裝設計要求

燃燒器燃料氣槍在設計燃料和操作負荷范圍內不出現結焦現象。燃料氣槍和長明燈在備用狀態下能承受加熱爐正常操作溫度，噴頭材質采用06Cr25Ni20，槍管材質采用0Cr18Ni9。燃料氣槍和長明燈在加熱爐操作時能易于拆卸和清洗更換。長明燈燃料氣入口應設置金屬軟管，并應配帶與外部管線連接的管接頭。燃燒器內所有連接管（包括金屬軟管）均是氣密性連接。每套燃燒器槍，確保通過長明燈能人工點燃。金屬軟管采用不銹鋼網體金屬軟管，材質0Cr18Ni9，實際安裝時保證能夠與現有管道連接。

5 實際應用

延遲焦化加熱爐F102為階梯式雙面輻射爐，在應用基于CO控制的燃燒優化技術后，在加熱爐負荷為100t/h，CO含量控制在（0～100）×10-6的前提下，氧含量下降約1.5%；加熱熱效率提高0.7%，煙氣中的NOx含量減少約10.4mg/m3。見表2，從而達到新的排放要求。

表2 改造后加熱爐主要控制指標變化情況

6 結論

降低加熱爐排放煙氣中NOx的含量，已成為重要的環保任務。通過優化加熱爐的燃燒控制技術、采用CO燃燒控制優化技術燃燒和新型燃燒器，能夠有效降低延遲焦化裝置加熱爐煙氣中NOx排放濃度，達到環保要求。同時，通過對現有加熱爐燃燒器進行適應性改造，就不需要對現有燃燒器進行更換，能夠降低裝置的運行成本。

[1] 張青杰.低NOx燃燒技術淺析[J].河北冶金，2008，（5）：58-59.

[2] GB31570—2015，石油煉制工業污染物排放標準[S].

[3] 徐彬，張麥貴.管式加熱爐安全運行與管理[M].北京：中國石化出版社，2005.

Application and Countermeasures of Low Nitrogen Burner in Delayed Coking Furnace

Ye Guang-sheng

Along with the people to the environmental concern and the increasing requirements of environmental protection，the atmospheric pollutant emission standard of oil refining industry gradually increased，and since July 1，2017，according to the oil refining industry “pollutant discharge standard” provisions of the existing heating furnace flue gas emission in the enterprise NOx content of not more than 100mg/m3.Sinopec is a company，delayed coking furnace flue gas NOx content method in 2014 to 2105 is generally higher than that of 150mg/m3test results show that the content of NOx in flue gas.By analyzing the method of reducing the excess air coefficient combustion and the staged combustion technology，the emission of NOx in the flue gas can be effectively reduced to meet the new emission standard requirements.

delayed coking；NOx；low NOxburner；low carbon burner

TQ520.5

B

1003-6490（2017）12-0198-02

2017-10-05

葉光勝（1966—），男，湖北武漢人，工程師，主要從事延遲焦化工藝生產管理工作。