低氮燃燒器在芳烴裝置上的應用

朱子和

（中國石化天津分公司化工部，天津 300271）

中國石化天津分公司（簡稱天津石化）大芳烴裝置始建于1998年，2000年5月建成投產。該裝置共有7臺加熱爐，分別是預加氫加熱爐（F101）、預加氫汽提塔重沸爐（F102）、四合一重整加熱爐（F201～204）、脫戊烷塔重沸爐（F205）、二甲苯塔重沸爐（F401）、歧化反應加熱爐（F501）、異構化反應加熱爐（F701）。四合一加熱爐所用燃燒器為氣體燃燒器，其他加熱爐均為ⅦB型油氣混合燃燒器。2008年大修期間對F401、F501、F701燃燒器進行了改造，仍為油氣混燒燃燒器。2012年5月加熱爐全部改成燒氣，所用燃燒器都不是低氮燃燒器，煙氣中的NOx含量均不符合國家排放標準。為了適應國家環保要求，天津石化決定2016年8月大修期間將大芳烴裝置加熱爐燃燒器全部更換為低氮燃燒器。

1 低氧燃燒技術

國外早在20世紀50年代就開始重視燃燒生成的NOx的危害，并且開展了NOx生成機理和抑制方法的研究。到70年代末80年代初開發出了低氮燃燒器。低氮燃燒器發展主要經歷了3個階段：第一代為分級配風燃燒器，煙氣中NOx可降至140 mg/m3（標準狀態，下同）左右，一般采用旋流配風，現仍在使用。第二代為分級配燃料燃燒器，煙氣中NOx可降至80 mg/m3左右。第三代為煙氣內循環燃燒器，煙氣中NOx可降至50 mg/m3左右，即采用低氧燃燒技術，在保證燃燒充分的情況下盡可能使空氣過剩系數很低，一般為1.05～1.10。最新推出的強化煙氣內循環低NOx氣體燃燒器可以使煙氣中NOx降至35 mg/m3左右。

我國低氮燃燒器開發應用較晚，但發展較快，現已經達到或超過國際水平，在中國石化系統內應用取得了較好的效果。

2 低氮燃燒器設計要求

GB 31570—2015《石油煉制工業污染物排放標準》和GB31571—2015《石油化學工業污染物排放標準》對工藝加熱爐大氣污染物控制要求中規定，2015年7月1日開始新建企業、2017年7月1日開始現有企業將執行新的排放限值標準（見表1）。對于大氣環境容量較小的地區應執行表1中特別排放限值標準。SO2、NOx等排放限值是在干煙氣下3%氧含量下制定的[1-2]。大芳烴裝置的加熱爐在100%負荷下爐膛溫度均小于850℃，一般在520～755℃。

表1 工藝加熱爐大氣污染物排放限值 mg/m3

裝置所用的氣體燃料組合中不含氮，所以沒有燃料型NOx的形成，NOx的形成主要是溫度型NOx，即設計低氮燃燒器時主要考慮溫度型NOx。

為滿足國家規定的大氣污染排放要求，2016年6月天津石化委托中國石油化工工程建設公司（SEI）為大芳烴裝置設計低氮燃燒器，設計指標見表2。國家大氣污染物排放標準中沒有CO和林格曼黑度的要求，在這次設計中進行了補充。CO在中國石化加熱爐管理制度中有要求，主要出于加熱爐熱效率方面的考慮，該制度規定CO≤125 mg/m3。從表2看出，其指標優于或達到特別排放限值的要求。

表2 低氮燃燒器設計指標 mg/m3

3 大芳烴裝置低氮燃燒器改造

3.1 低氮燃燒器改造

低氮燃燒器采用燃料分級和煙氣再循環相結合的技術。F101、F102、F205、F401、F501、F701加熱爐燃燒器燃料分布一部分在火盆磚內，一部分在火盆磚外。火盆磚內的燃料氣燃燒主要是靠新鮮空氣，火盆磚外的燃料氣通過火盆上的開孔流過少量“新鮮”空氣和爐膛內的煙氣混合參與燃料燃燒，中間安裝穩焰器。

F201～204加熱爐燃燒器所需燃料通過4支氣槍注入爐膛，4支氣槍完全分布在火盆磚外，即燃料分級，燃料氣燃燒所需的空氣也是一部分通過火盆磚上的孔流過少量“新鮮”空氣，另一部分空氣直接進入爐膛和煙氣混合，這兩部分空氣參與燃料燃燒，即煙氣循環[4]。該燃燒器沒有中間穩焰器。

F101、F102、F205為立式圓筒爐，F101加熱爐燃燒器均勻布置圖見圖1。F401、F501、F701為方箱爐，燃燒器布置均為底燒。F201～204為方箱爐，該爐燃燒器為側面雙面對稱布置，如圖2所示。其他加熱爐燃燒器布置亦為均勻布置。

圖1 F101燃燒器布置圖

圖2 F201～204燃燒器布置圖

3.2 低氮燃燒器改造數量和投資

大芳烴車間7臺加熱爐共有燃燒器105臺，即F101有3臺，每臺燃燒器熱負荷為2.0 MW；F102有4臺，每臺燃燒器熱負荷為3.0 MW；F201～204有42臺，其中F201、203、204每臺燃燒器熱負荷為1.9 MW，F202每臺燃燒器熱負荷為1.96 MW；F205有4臺，每臺燃燒器熱負荷為2.5 MW；F401有36臺，每臺燃燒器熱負荷為3.5 MW；F501有6臺，每臺燃燒器熱負荷為2.0 MW；F701有10臺，每臺燃燒器熱負荷為2.0 MW。全部改造為低氮燃燒器，總投資579萬元左右，其中設備費為282.5萬元（含有3臺試燒燃燒器費用30萬元），其他為安裝費、材料費、人工費等。

4 改造前后加熱爐的污染物排放情況

2016年7月大芳烴裝置改造前檢測煙氣中NOx等含量見表3。從表3看出，NOx含量大部分達不到一般排放限值要求，SO2達到排放標準，主要是燃料中無硫化物或硫化物微量，CO符合要求。

2016年8月，大芳烴裝置開始更換低氮燃燒器，9月全部完工，并投入使用。2017年2月，委托天津市環科檢測技術有限公司對低氮燃燒器運行情況進行了標定（見表4），從表4可知，所有指標均達到設計要求，改造取得成功。

表3 改造前實測加熱爐污染物排放 mg/m3

表4 改造后實測加熱爐污染物含量 mg/m3

改造前后煙氣量對比見表5。改造前后兩個月產量不同，所用燃氣組成略有不同，單位時間內消耗的燃料量及產生的煙氣量也不同。改造后NOx平均減排量為2.532 kg/h，每年平均減排 22.178 t。

表5 改造前后煙氣量對比

5 結論

大芳烴裝置通過更換低氮燃燒器后，煙氣中NOx排放達到國家標準（≤150 mg/m3），改造前所有加熱爐煙氣中NOx排放平均值在165.4 mg/m3左右，改造后為41.2 mg/m3左右，優于國家標準最嚴排放限值，每年平均減排NOx為22.178 t，燃燒器改造取得成功。