USC-48U型裂解爐燃燒器改造

杜楠

（中國石油大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163714）

在裂解爐中，燃燒器是十分重要的組成。燃燒器內燃料的燃燒提供了裂解爐工作需要的熱量。裂解爐的性能會因不同配置、性能和形勢的燃燒器而有所不同。要想保證裂解爐長期安全穩定運行，就必須保障燃燒器優異性能。隨著環保意識的提升，在裂解爐逐步大型化的趨勢下，對燃燒器的NOx排放、火焰形狀、火焰長度以及爐內熱量分布等性能提出了更高要求。

中國石油大慶石化公司裂解一套乙烯裝置采用美國斯通-韋伯斯特公司專利技術USC-48U型裂解爐，由于該技術較早，為了節能降耗，2010年對裂解爐進行對流段進行了改造，原設計側壁火嘴占熱負荷70%，共計6排火嘴，底部燒嘴占熱負荷30%，改造后取消了側壁的第一排和第六排火嘴。煙氣指標為100～120mg/Nm3，裂解爐升降溫、燒焦等工況時煙氣指標會更高。2015年4月16日國家環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局聯合頒布《石油化工工業污染物排放標準》（GB31571-2015），標準規定現有企業自2017年7月1日起，其水污染物和大氣污染物排放控制按本標準的規定執行，其中對大于14MW的工藝加熱爐必須滿足煙氣中環保指標中NOx數據為小于150mg/Nm3，爐膛溫度大于850℃的工藝加熱爐執行NOx數據為小于180mg/m3。但是，針對特別重點地區，煙氣指標中NOx數據為小于100mg/Nm3。對此，利用2018年裂解裝置大檢修機會，對其中一臺USC-48U型裂解爐進行燃燒器改造，更換側壁及底部燃燒器及配套火嘴磚。

1 NOx生成與抑制機理

經分析表明，燃燒器排放的NOx中90%以上是NO，研究NOx的生成機理及抑制方法主要是針對NO的。NO生成的途徑有三種：溫度型NO；快速型NO；燃料型NO；高溫區域內煙氣停留時長、燃燒溫度以及煙氣內氧含量直接決定了NO生成量：相同溫度時間越短生成NO越多，相同時間溫度越高，生成NO越多，由于NO生成反應所需要的活化能高于可燃氣體燃燒反應，故NO生成速度不燃燒反應慢，因此，在火焰面內不會大量生成NO。NOx大量生成時在火焰下游側，特別是在火焰面下游側局部高溫。局部氧濃度大及煙氣停留時間長的那些區域。這些區域對控制NO生成時至關重要的。目前國內外已經采用多種低NOx燃燒器，其抑制原理都是采用促進混合、分割火焰、煙氣循環、分段燃燒以及他們的組合形式。

2 新型燃燒器技術改造結構及原理

新型底部燃燒器（如圖1）的燃燒方式為擴散型，應用了底部區域氣動駐渦燃燒技術、煙氣爐內回流循環技術以及尾緣燃氣分級等技術。通過燃燒器高溫煙氣射流氣動卷吸爐膛煙氣。此外，燃燒器尾部火焰與燒嘴磚相遇會出現鈍體負壓區，在負壓作用下，吸入爐膛煙氣，在噴嘴燃料氣引射摻混作用下，使燃料氣分級燃燒效果得到提升，使熱力NOx的生成大幅降低。在助燃風、煙氣以及燃料的相互摻混下，實際燃燒的火焰溫度比理論值更低，也減緩了燃燒速度，加長了燃燒過程，同時，爐膛輻射換熱也會是火焰溫度更低。以此降低火焰峰值溫度，從而使產生的NOx減少。此外，在貧氧情況時，甲烷燃燒過程中生成的中間產物包括碳氫粒子等，煙氣內的NOx在這種還原氣氛中會被還原，生成O2和N2，以此減少了NOx排放。從裂解爐的實際情況出發，對尾緣燃燒射流結構進行優化設計，新型尾部結構能與爐膛壁面產生壁面效應，使爐膛煙氣內循環加強，形成裂解爐爐膛底部區域的駐渦燃燒。與老式火嘴比較，增加了燒嘴個數，相當于強化了分割火焰，與煙氣循環。老式側壁燃燒器如圖2。

圖1 新式底部燃燒器

圖2 老式側壁燃燒器

圖3 新式側壁燃燒器

新型側壁燃燒器（如圖3）的燃燒方式為擴散型，通過超多層助燃風分級精確控制設計對燃燒進度進行有效控制，使燃燒速度降低，火焰燃燒過程延長，在輻射換熱作用下降低火焰峰值溫度，使燃燒過程中出現的NOx明顯減少。部分燃料的結構設計采取先還原后燃燒的方式，借助于燃料中的甲烷，煙氣可在還原氣氛中實現NOx的部分還原，生成O2和N2，以此減少了NOx排放，徹底改變了老式側壁火嘴的預混燃燒形式，同時，高速射流的燃氣和半預混火焰可以卷吸爐膛內大量煙氣，形成煙氣回流，進一步降低NOx生成。老式側壁燃燒器如圖4。

3 實際應用及測試情況

更換完低氮燃燒器后，進行投料運行，運行穩定。將投料量提至滿負荷運行，實現了穩定運行，同時，進行現場排放檢測，NOx排放值降低到85mg/Nm3以下，燃燒狀態良好，爐內熱場分布均勻，運行工藝參數和未改造前基本一致，氧量4%，NOx39ppm，NOx排放折算值84.6mg/Nm3，基本達到預期，真實地反映出新型燃燒器的技術水平。使用新型燃燒器底部燃燒器的熱負荷占全爐的60%，比老式燃燒器有所提高。燃燒器的所有部件均無損壞，更換便利，同時，燃燒器燒嘴使用壽命增加至3年，降低了更換頻率，降低維護費用。

圖4 老式側壁燃燒器

4 結語

本次USC-48U型裂解爐燃燒器改造達到降低NOx排放預期目的，為裂解爐的優化前進一步，但是，裂解爐的優化是一個綜合的系統工程，隨著科技的發展，越來越多的新技術會運用到裂解爐的優化改造中，但是，“綠色”優化除了切實有效的設備改造之外，更重要的是根據實際情況真對裂解爐的不同工況優化操作、精細管理，才能達到節能降耗，提高裂解爐的熱效率，才能給企業帶來更好的經濟效益與環境效益。