熱氧化爐降氮優化改造經驗

丁俊濤，張昪臨

（揚子石化-巴斯夫有限責任公司，江蘇 南京 210047）

環境保護部2015 年4 月16 日發布了GB 31571-2015 《石油化學工業污染物排放標準》[1]，按照該標準，對于需要采取特別保護措施的區域，現有企業焚燒爐燃燒廢氣污染物NOx排放限值為100 mg/m3，于2017 年7 月1 日開始執行。新標準十分嚴格，大部分爐子的排放均不能達到標準規定，因此，必須對爐子進行改造以滿足國家標準。

目前化工裝置尾氣處理目前主流的做法為吸附、水洗或者焚燒。國內化工廠不同氣體焚燒爐的供應商多不相同，結構形式也差別較大。由于化工裝置尾氣組分復雜，工況波動較大，除了NOx不能達標外，組分復雜且工況波動較大，由于高熱值組分的波動，焚燒爐經常會碰到爐子超溫的問題。本文闡述通過對一臺焚燒爐改造過程的結構調整和優化，成功地解決了降氮和爐體超溫的問題，針對不同的爐體結構需進行針對性的改造才能得到比較理想的效果。

1 氣體焚燒爐降氮和結構優化

1.1 改造前問題概述

氣體焚燒爐根據總圖布置等原因一般為立式或者臥式設計。該焚燒爐為立式，主要用于處理化工廠不同儲罐的呼吸尾氣、吹掃和裝車尾氣。爐體具體外形結構如圖1 所示。主要組成部分為爐體、煙囪、燃燒器和火焰監測器。尾氣管線和燃料氣管線接入燃燒器。

圖1 TO 爐主要結構示意圖

由于尾氣組分和流量波動較大，且在后續生產過程中運行參數也有一些變化，在爐體原始設計時無法準確考慮并覆蓋全部工況。尾氣中高熱值的尾氣介質在運行過程中的一定階段占比較大時會造成爐體超溫嚴重，達到1 000 ℃以上。爐體超溫會對焚燒爐內壁和使用壽命以及爐體相關儀表附件造成不良的影響，且造成爐體外壁溫度升高引起人身安全風險。改造前氮氧化物排放濃度高于100 mg/m3，組分的復雜性使降氮增加了很多難度。

1.2 降氮和爐體超溫解決方案

1.2.1 降氮改造

NOx是所有氮氧化物的統稱。燃燒過程中生成的NOx主要是指 NO 和 NO2，其中 90%以上是 NO，其余是NO2。根據燃料和燃燒條件不同，在燃燒過程中生成的NOx主要可分為三種，即熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。

熱力型NOx又稱溫度型NOx，是由空氣中的N2和O2在高溫下氧化而生成的氮氧化物。

根據NOx的生成機理，大致可將氮氧化物的減排技術分為三類：燃燒前脫氮、燃燒中控制和燃燒后降低。

對于新建項目或在現場空間和資金允許的情況下，采用燃燒前脫氮和燃燒后控制可以直接達到預期效果。對于現有爐子改造，在場地和生產的影響下，一般采用燃燒中控制。該爐亦采用這種方式。

燃燒過程中，決定NO 生成量的主要因素是煙氣中的氧含量、 燃燒溫度及煙氣在高溫區的停留時間等，因此低NOx燃燒器的設計通常基于以上因素考慮，通過合理調整燃燒區域的各項參數，采用空氣分級、燃料分級、煙氣循環、注蒸汽等技術中的一種或者多種措施組合后破壞NOx有利生成的環境，最終達到降低污染物排放的目的。該爐考慮燃燒器注入蒸汽以達到國家規定的標準要求。

蒸汽注入降氮的原理：

（1）降低燃料氣體積熱值，從而使火焰區域內的峰值溫度降低，降低第二步N 原子生成的反應速率，從而減少熱力型NOx的生成。

（2）降低O2的分壓，使反應速率降低。高溫燃燒容易造成NOx的產生，因此通過注入稀釋劑，降低火焰區的溫度，可以有效降低熱力型NOx的產生。

經過注蒸汽試驗，在爐底增加一根蒸汽噴槍，調節蒸汽和燃料氣的比例，可以到達預期效果，滿足國家環保標準。不同負荷的爐子蒸汽注入比例不同，可以通過調節閥進行不同比例的嘗試，具體測試工況見表1，相關結果見圖2。

由于圖中手持式分析儀監測到的NOx濃度是干基濃度，且折算到3%干基O2濃度。正常操作時爐膛排放煙氣的干基流量約3 100 m3/h。

因此：

（1）蒸汽注入對NOx排放的濃度實際上不存在稀釋效果。

（2）由于計算基礎都是干基數值，NOx的排放總量降低值=（改造前 NOx濃度-改造后 NOx濃度）×煙氣干基流量。

（3）取樣數據期間的平均值=（73.66 mg/m3-39.33 mg/m3）×3 100 m3/h×（822 ℃+273.15 ℃）/273.15 ℃=426 685.52 mg/h=0.427 kg/h，蒸汽注入法實際降低了TO 爐的NOx排放量約0.427 kg/h，對比不注蒸汽的排放量0.916 kg/h，降低了約46.62%。

1.2.2 爐體超溫問題的解決方法

通過注入蒸汽可以達到降氮的目的。解決爐體超溫只能從兩方面著手：一個是源頭上解決，即控制高熱值尾氣的輸入；另一個是對爐體進行降溫冷卻。由于儲罐尾氣的量與環境溫度、裝車等因素有關系，這些因素并不為恒定值，毫無規律可言，因此源頭控制難度很大。對爐體進行降溫目前常用的方法為注水冷卻，但是注水是否會對爐體產生不好的影響，現在還無定論。經過嘗試，對蒸汽注入槍頭和由尾氣注入槍頭進行優化，可以很好地解決該問題。

表1 運行工況及測量數據

圖2 NOx 測量數據統計分布圖

一般TO 爐設計中尾氣，燃料氣和蒸汽進爐膛設計分為兩種：一種為這幾種氣體全部集成在燃燒器上進入爐膛；一種由于爐體尺寸限制，燃燒器只包含燃料氣和蒸汽，尾氣管線通過爐壁開孔進入爐膛燃燒。尾氣和蒸汽噴槍集中在燃燒器上，采用圖3 所示結構，蒸汽走外管，尾氣走中心槍，可以很好地解決該問題。蒸汽用來降氮，同時通過該結構將蒸汽作為降溫的媒介。高熱值的尾氣在燃燒過程釋放的熱量可以通過包裹在其周圍的蒸汽來稀釋降溫，可以達到降溫的效果，另外燃料氣噴槍由于也在蒸汽噴槍旁邊，蒸汽同時也可以起到降氮的作用。在運行過程中經過手持試測溫儀檢測，高熱值尾氣通過該中心槍進入，基本可以避免爐子高溫的出現，維持爐子的正常運行。

圖3 噴槍結構優化示意圖

2 總結

通過蒸汽注入和對相關尾氣注入口的一些改動，可以成功的實現降氮目的，同時也可起到防止爐膛超溫的目的。但是需要注意蒸汽的注入比例，對于不同負荷的爐子可以適當地進行調整，以達到最佳效果，因此對于已建或者新建爐子可根據實際運行情況參考以上經驗進行優化設計。