乙烯裂解低氮燃燒器研究及應用

宋德寬 毛衛崗

（1.中國原子能研究院；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

在我國諸多環境問題中，大氣污染是最突出的問題之一，而工業生產產生的廢氣是大氣污染物最主要的來源。 當前我國大氣環境局勢非常嚴峻，經濟發展與資源環境的矛盾日趨尖銳，大眾對環境凈化效果反響激烈［1］。 大氣污染直接影響到國家的可持續發展，危害著人民的身心健康。

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《石油化學工業污染物排放標準》（GB 31571—2015）， 標準規定新建企業自2015 年7 月1 日起， 現有企業自2017年7 月1 日起，水污染物和大氣污染物排放控制按本標準的規定執行，其中乙烯裂解爐屬于額定單臺功率不小于14MW 的工藝加熱爐，必須滿足的煙氣環保指標為NOx小于150mg/Nm3， 爐膛溫度大于850℃時加熱爐執行指標為NOx小于180mg/Nm3。 但是針對特別地區，煙氣指標中NOx小于100mg/Nm3， 上海地區執行指標為NOx小于100mg/Nm3。

上海石化公司2#烯烴裝置共有14 臺裂解爐［2］，其中新區4 臺原LUMMUS 與中石化合作的SL-2 型裂解爐 （BA-2101～2104），2012 年采用國產CBL 技術改造為CBL-Ⅲ型爐。 老區共有10 臺裂解爐，其中BA-101～108 原為美國LUMMUS 公司設計的SRT-Ⅲ型和SRT-Ⅰ型裂解爐（BA-108）；BA-110 為國內翻版的SRT-Ⅲ型爐；BA-111為GK-Ⅴ型爐［3］。 2002～2003 年采用TECHNIP 公司GK-Ⅵ型爐技術對BA-101 和BA-102 進行了擴能改造；2007 年又采用同樣技術對BA-105、BA-106 和BA-110 進行了擴能改造，改造后單爐能力由年產4.5 萬噸提高到年產6.2 萬噸，BA-103/104/107/108 也進行了改造，裂解爐生產能力保持不變。按照指標，上海石化乙烯裂解爐的NOx都屬于超標情況， 需要進行技術改造才能滿足NOx的排放要求。

1 NOx 減排的主要方式

根據NOx的生成機理，大致可將氮氧化物的減排技術分為3 類：燃燒前脫氮、燃燒中控制和燃燒后降低。

燃燒前脫氮可通過燃料脫氮和控制空氣預熱溫度實現。 由于化工系統工業爐所用燃料為經過分離工藝處理過的甲烷氫或補充的天然氣等氣體燃料，組成較為穩定，氮的化合物含量極低，因此燃料脫氮不予考慮；控制空氣預熱溫度是裂解爐底部燃燒器使用空氣預熱器對進入爐膛的空氣進行預熱，利用裝置富裕的熱量，減少燃料氣的消耗。 經實際驗證，預熱溫度過高會導致高溫煙氣中氮氧化物的排放增加；溫度過低則起不到節能的作用。

燃燒中控制NOx排放的方式 主要有［4］：改善燃燒狀態、供熱方式優化和蒸汽注入。 低氮燃燒器在設計時考慮煙氣中的氧含量、燃燒溫度及煙氣在高溫區的停留時間等參數，通過對燃燒區域參數的合理調整， 破壞NOx生成的有利環境，最終達到降低污染物排放的目的。 同時，由于底部燃燒器通常采用擴散式的燃燒方式，因此可以采用空氣分級、燃料分級及煙氣再循環等技術降低燃燒區火焰溫度， 達到降低NOx排放水平的目的。

NOx生成后的脫除技術主要是通過添加化學還原劑，使之與NOx發生化學反應，轉化為N2和H2O［5］，常見的氮氧化物脫除技術有低氮燃燒法、選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）和臭氧氧化吸收法［6］。

2 技術選擇

2.1 燃燒器技術比選

目前，已實施低NOx燃燒器改造的企業選用的技術供應商有7 家，國內有南京天華化學工程有限公司（南京天華）、北京航天十一所、中航世新燃氣輪機有限公司（中航世新）、北京北航先進技術研究院（北京北航）；國外有John Zink（約翰新科）、Callidus（凱勒特）和ZEECO，均為美國公司。

但從目前國內乙烯裂解爐的實際運行情況看，無論是國內還是國外的技術，均在不同程度上存在一定問題，在裂解爐正常運行期間，結合操作的調整，NOx排放基本能達到小于100mg/Nm3的標準，但抗干擾性較差，在負荷波動、燃料氣波動等擾動情況下容易超標。 為滿足NOx排放要求，基本上都需要對裂解爐操作作出調整，如調整爐膛氧含量、調整底部和側壁供熱比例、停用空氣預熱、 熄滅部分長明燈及降低燃料氣壓力等，然而這些措施難免會影響到裂解爐的熱效率甚至加工負荷。

上海石化通過與南京天華、北京航天十一所及外方的John Zink、Callidus 等交流可以看出，燒嘴技術商在對裂解爐燒嘴的研發方面，都能夠滿足裂解爐正常運行期間的NOx達標排放， 其中John Zink 公司在世界范圍內成功改造的乙烯裂解爐總共有100 多臺，這些爐子涵蓋了在中國應用廣泛的LUMMUS 的SRT-Ⅰ型、SRT-Ⅲ型、SRT-Ⅳ型、SRT-Ⅵ型 爐 和 KBR、SW、KTI、LINDE、TECHNIP 等專利商的其他爐型。 Callidus 也有較多業績可以借鑒。 燒嘴技術商沒有提供在擴能裂解爐上的改造應用， 但通過初步核算均認為可行。確定在上海石化公司2#氫烴裝置老區裂解爐BA-110 分別采用北京航天十一所的低氮燃燒器技術進行工業選擇性試驗， 新區裂解爐BA-2104上則采用南京天華的低氮燃燒器技術。

2.2 裂解爐低氮燃燒器工業選擇性試驗

圖1 新老區裂解爐示意圖

上海石化公司新老區裂解爐示意圖如圖1所示。 老區裂解爐BA-110（圖1a）于1990 年建成投用， 原為LUMMUS 公司的SRT-Ⅲ型爐。 2007年采用TECHNIP 公司專利技術進行了擴能改造，改為GK-Ⅵ型爐，改造后單爐產能由年產4.5萬噸提高到年產6.2 萬噸。經過擴能之后，整個輻射室爐膛尺寸保持不變， 但爐膛熱負荷提高了44%，對應容積熱負荷也提高了4%，造成NOx排放量明顯上升。 經過監測，BA-110 的NOx排放量為180mg/Nm3。 新區裂解爐BA-2104 （圖1b）于2002 年建設投用， 原先為SL-Ⅵ裂解爐， 負荷為10 萬噸，2012 年采用CBL 技術改造為CBL-Ⅲ裂解爐，負荷保持不變，熱效率得到有效提升。

如圖2 所示是4 月22 日NOx等信息的CEMS 采集數據趨勢，從改造效果來看，當裂解爐處于正常運行狀態時，航天十一所的低氮燃燒器可以使裂解爐煙氣排放穩定達標。 老區裂解爐的建設時間均比較長，爐型較老，航天十一所的低氮燃燒器能夠根據不同的裂解爐進行模擬測算和調整。 因此經過討論決定老區11 臺裂解爐上采用航天十一所的低氮燃燒器。 從新區BA-2104裂解爐的試驗情況來看， 在裂解爐正常運行期間，NOx都能達標排放。

圖2 CEMS 采集數據趨勢

2.3 燒焦工況下NOx 排放監測

按照上海市的要求，裂解爐在完整工況都要達標排放，為此在本次試驗期間對低氮燒嘴在裂解爐燒焦期間的NOx數據同步進行了監測。 同時，由于CEMS 計算NOx的公式需要將實際氧含量折算為3%，折算公式為：NOx（計算）=（21－3）/（21－實際氧含量）×NOx（實測），所以當氧含量超過3%時，折算后的NOx數據會變高。

4 月29 日，BA-110 下料燒焦， 運行周期45天，具體數據如圖3 所示。

從圖3 所示數據趨勢來看，在裂解爐開始退料時，NOx開始增長， 實測的NOx大約為120～150mg/Nm3，此時氧含量大約為6%，折算為3%氧含量大約為170～190mg/Nm3，當開始燒焦時，由于氧含量達到了12%～13%， 實測的NOx大約為160～200mg/Nm3， 折算為3%氧含量后，NOx為260～320mg/Nm3。

圖3 BA-110CEMS 趨勢（燒焦）

在BA-2104 試驗期間， 發現了同樣的問題，并且在BA-2104 燒焦期間，嘗試對裂解爐氧含量進行調整以達到降低氧含量的目的，但是效果依舊不是很理想，甚至影響到了裂解爐的正常燒焦程序。 氧含量調整前后工藝數據如圖4 所示。

圖4 BA-2104CEMS 趨勢（燒焦）

從圖4 所示數據趨勢可以看出，折算前燒嘴燃燒的NOx已經超過了100mg/Nm3， 經過3%的氧含量折算后，NOx普遍超過了300mg/Nm3，無法達到環保標準。 而且，在降低氧含量的操作過程中， 裂解爐的超高壓蒸汽溫度從515℃下降至480℃，橫跨段溫度從640℃降低到580℃，無法進行有效的燒焦作業。 為了滿足上海市全工況下NOx都必須達標排放的環保要求， 需要借助其他的脫硝手段。

3 結束語

綜上所述，從工業試驗和脫硝模塊的技術論證來看，低氮燃燒已經能夠使裂解爐在正常運行工況下保證NOx達標排放，但是通過燃燒技術的控制是無法滿足過?？諝庀禂颠^高情況下的NOx達標排放， 考慮到低NOx燒嘴無法滿足所有工況，而環保要求為必須保證全過程達標排放，SCR技術使用了催化劑，可以有效脫除NOx，達到要求的排放值。 為了保證接下來裂解爐的煙氣能夠滿足環保要求，必須對裂解爐進行“SCR+低氮燒嘴”的結合，屆時能夠使裂解爐的煙氣達標排放。