超低氮燃燒器在重整四合一爐中的應用

曹文強 張江偉 趙湘慶

摘 要：隨著國家對煙氣中的氮氧化物（NOx）含量的排放指標要求逐步提高。通過對燃燒過程中NOx的生成機理進行了剖析，提出針對煉廠工藝加熱爐降低NOx排放的改造方案，加熱爐燃燒器改造后采用超低氮燃燒技術。改造后優化生產操作，加熱爐煙氣中NOx濃度低于100mg/m3，實現了《關中地區重點行業大氣污染物排放標準》達標排放。

關鍵詞：低氮燃燒器;四合一加熱爐;NOx;爐膛溫度

0 引言

大氣中N0x含量的增加，是形成PM2.5和霧霾的重要原因，N0。作為大氣的主要污染物之一，除一次污染物直接對環境、人體健康有害外，還會產生多種二次污染物。

依據《關中地區重點行業大氣污染物排放標準》中要求，陜西省現有企業自2018年6月1日起執行其標準排放限值，對現有和新建的石油化工過程中工藝加熱爐煙氣中NOx的排放濃度限值降為小于或等于100mg/m3。

針對長慶石化60萬t/a連續重整裝置四合一加熱爐煙氣中NOx排放擦邊的問題進行改造，了解燃燒過程中NOx的生成機理和低氮燃燒器的燃燒技術，最終選用了新型超低氮燃燒器進行應用，經過13個月的運行四合一加熱爐煙氣指標均符合標準。

1 燃燒過程中NOx生成機理

絕大部分燃燒方式產生的NOx，NO占90%以上，其余NO2。[1]理論上NOx的生成機理有三種：快速或直接轉化型、燃料轉化型、熱力型或熱轉化型[2]。

連續重整裝置四合一加熱爐燃料為公司的管網瓦斯，由于氮含量很少，因此煙氣中NOx大多數為熱力型N0x。熱力型或熱轉化型反應式：

熱力型NOx的生成量和燃燒溫度關系很大，在溫度足夠高時，熱力型NOx的生成量可占到N0x總量的90%，隨著反應溫度T的升高，其反應速率按指數規律增加。

當T<1300℃[3]時，N0x的生成量不大，而當T>1300℃時，T每增加100℃，NOx反應速率增大6～7倍。

2 舊型低氮燃燒器的運行情況

低氮燃燒器一般采用以下三種燃燒技術：

①空氣分級;

②燃料分級;

③煙氣回流技術。

空氣分級技術是低氮燃燒器前期技術，對煙氣NOx含量的控制只能維持在200mg/m3左右，不滿足現在煙氣排放標準，故最近幾年低氮燃燒器基本都采用后兩種技術。

2.1 舊型低氮燃燒器結構（GCFB-II（A型）燃燒器）

舊型低氮燃燒器型號為GCFB-II（A型）燃燒器，其火嘴結構為一個主火槍和4個邊槍組成。GCFB-II（A型）燃燒器采用的是瓦斯分級和煙氣回流結合技術，可以通過分級瓦斯，一級瓦斯首先和過量空氣初次燃燒，未然燃盡煙氣中的氧和二級瓦斯再次混合燃燒。由于二級瓦斯流速高周圍產生了負壓，爐膛中的煙氣產生了回流，冷卻了火焰溫度，降低了氧分壓，使煙氣中的NOx降低至100mg/Nm3左右。

2.2 舊型低氮燃燒器的運行情況

GCFB-II（A型）燃燒器上周期在連續重整裝置四合一加熱爐中運行基本滿足排放標準，但是煙氣中NOx含量時而出現擦邊情況。

舊型低氮燃燒器燃燒煙氣中NOx含量高的時間段在冬季，室外空氣溫度較低，由于四合一加熱爐燃燒器采用的是自然通風，冬季進入燃燒器的空氣溫度較低，對產生NOx有較大影響，煙氣中NOx含量已接近指標[4]。四合一爐的通風方式改造難度較大，故公司采取更換更先進的新型超低氮燃燒器來保證四合一加熱爐煙氣指標達標。

3 新型超低氮燃燒器在重整四合一爐中的運用

3.1 新型超低氮燃燒器結構

圖1為新型超低氮燃燒器GCFB-IV結構圖，其火嘴由6個邊槍組成，3個可調邊槍，每個邊槍由兩個小火嘴組成，無主火嘴。GCFB-IV燃燒器采用的是瓦斯分級和煙氣回流結合技術

3.2 新型超低氮燃燒器運行情況

自2019年8月檢修完成后，安裝新型超低氮燃燒器的重整四合一加熱爐投入運行，至2020年9月已運行13個月，現對該燃燒器運行情況進行分析。

從表1數據可知，新型超低氮燃燒器運行各項指標穩定，煙氣中NOx含量基本穩定，低于100mg/m3，距離指標上限較遠，較上周期同期（2018年）下降30mg/m3，符合預期效果。但運行過程中會偶爾出現爐膛溫度超限情況，制約加熱爐出口溫度。

3.3 影響新型超低氮燃燒器正常運行因素

自新型超低氮燃燒器運行以來，出現過火嘴邊槍堵塞頻繁、爐膛溫度過高等問題，影響該燃燒器運行的主要因素有煙氣氧含量、空氣溫度、燃料氣組分等。

3.3.1 煙氣氧含量

當氧含量增大時，對煙氣NOx排放的影響呈增大的趨勢。在加熱爐運行過程中，隨著煙氣氧含量的減少，可以有效抑制NOx的生成。通過調節加熱爐煙道擋板和供風擋板開度，在爐膛一定負壓的情況下，控制加熱爐氧含量在較低的范圍內。

另外爐內的氧含量過低時，會增加化學不完全燃燒的損失，使加熱爐的熱效率下降。因此對每臺加熱爐的風門進行調節，使其在處于最佳的燃燒狀態[5]。

3.3.2 燃料氣組分

燃料氣中的氫氣含量越高，煙氣中NOx的生成速率呈增大趨勢。適當降低燃料氣中的氫氣含量可有效減少NOx的排放，連續重整四合一加熱爐燃料氣由兩路組成，一路為燃料氣管網供給，氫氣含量約為64%，一路為重整液化氣汽化器供給，氫氣含量為0，故適當增大液化氣供給，可降低四合一爐煙氣中NOx濃度。

4 總結

綜上所述，長慶石化60萬t/a連續重整裝置四合一加熱爐在更換為新型超低氮燃燒器（GCFB-IV）后，經過13個月的運行，將影響加熱爐的各項因素（煙氣氧含量、空氣溫度、燃料氣組分）進行調整后，新型超低氮燃燒器（GCFB-IV）燃燒達到最好效果，主要大氣污染物NOx從平均80mg/m3降至50mg/m3，完全低于《關中地區重點行業大氣污染物排放標準》大氣污染物NOx排放標準100mg/m3，達到預期效果，加熱爐運行平穩，煙氣排放各項指標均符合標準。

參考文獻：

[1]張建，徐紅兵，等.低NOx燃燒器研究開發[J].乙烯工業，2006，18（1）：22-25.

[2]卜銀坤.關于鍋爐NOx生成機理及科學超低排放的理論研究口[J].工業鍋爐，2016（4）：8-16.

[3]沈永慶.低NOx燃燒技術的研究[J].云南電力技術，2006，34（3）：30-32.

[4]王恩祿，張海燕，羅永浩，等.低NOx燃燒技術及其在我國燃煤電站鍋爐的應用[J].動力工程，2004，24（1）：23-28.

[5]蘇毅，揭濤，沈玲玲，等.低氮燃氣燃燒技術及燃燒器設計進展[J].工業鍋爐，2016（4）：17-25.