SZorb催化汽油吸附脫硫裝置反應加熱爐低氮燃燒器的改造與調試

周錦巧

摘 要 NOx是造成大氣污染的主要污染物之一，危害著人身健康和大氣環境，工業加熱爐煙氣排放量巨大，煙氣中NOx的排放指標達標是企業必須遵守的法律規范，是我們燃燒技術控制和鉆研的重點。通過NOx生成機理，采用先進、環保、節能的低氮燃燒器仍是我們降低煉廠加熱爐NOx排放的主要手段[1]。針對中韓石化S Zorb裝置加熱爐F101煙氣偶爾出現排放異常情況進行原因分析，并及時調整。本文通過S Zorb加熱爐燃燒器選型、改造及操作情況進行介紹、分析，找出煙氣NOx超標的原因并進行調整，確保加熱爐運行安全、環保、節能。

關鍵詞 S Zorb NOx 燃燒器 加熱爐 瓦斯

中圖分類號：X74 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）11-0004-03

1 S Zorb裝置加熱爐運行概況

中韓（武漢）石油化工有限公司（簡稱中韓石化）S Zorb催化汽油吸附脫硫裝置（簡稱S Zorb裝置）設計處理量150萬噸/年，采用康菲（ConocoPhillips）S Zorb脫硫專利技術包，于2016年建成投產。裝置主要有進料與脫硫反應、吸附劑再生、吸附劑循環和產品穩定四個生產單元，進料與脫硫反應單元設置進料反應加熱爐1座，工藝位號為F101，用于加熱混氫汽油后進入加氫反應器。

F101設計熱負荷7.9MW，爐型為對流+輻射立管立式圓筒爐，配套煙氣余熱回收系統，設置強制通風與自然通風。加熱爐設計8臺底燒圓火焰低氮氣體燃燒器，單臺功率2.0MW，燃料為煉油裝置系統瓦斯+穩定塔回流罐氣相部分，主要成分見表1。

F101設計爐膛溫度659℃，新建裝置設計時煙氣排放要求：NOx<100mg/Nm3，CO<40ppm。

加熱爐燃燒器選用某公司第二代低氮燃燒器，單臺功率2.0MW，采用分級燃燒+煙氣回流組合技術結構，一級氣槍與二級氣槍的燃料比例為20：80，不帶比例調節，主要通過一級中心槍富氧燃燒降低中心槍火焰溫度、二級外圍氣槍的貧氧燃燒和煙氣回流降低火焰溫度來控制NOx生成。正常運行NOx排放在65～90mg/Nm3，符合2015年7月國家頒布《石油煉制工業污染物排放標準》（GB31570-2015）的新環保要求。

隨著中石化持續深化NOx減排工作，煙氣NOx的排放指標近幾年逐步調整。2020年9月，中石化制定《臭氧污染防治專項行動方案》，對重點企業、重點區域NOx排放濃度制定了控制目標，中韓石化列為重點企業范圍，NOx排放濃度指標為60mg/Nm3。排放指標的調整給我們加熱爐及鍋爐的燃燒控制帶來更高的要求，推進燃燒器設計制造不斷更新換代。

2020年大修期間，由于S Zorb加熱爐F101排放NOx濃度不滿足新要求，我們針對8臺燃燒器進行了更新，選用某公司設計制造的低氮燃燒器，采用分級燃燒+濃淡燃燒技術組合結構，內外氣槍采用45：55的燃料比例，且帶比例調節閥組，設計指標為煙氣NOx排放指標≯60 mg/Nm3。

2 低氮燃燒器簡介

2.1 氮氧化物產生機理

此文章僅考慮燃燒產生的氮氧化物，燃燒過程中所產生的氮的氧化物主要為一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），一般把這兩種氮的氧化物稱為氮氧化物（NOx）。引用大量實驗結果，燃燒時產生的NOx主要為NO，平均約占95%，而NO2占5%左右。[2]

化學反應為：N2+O2→NO，NO+O2→NO2

燃燒時NOx的生成機理通常有三種：

1.瞬發型，指在低溫、富燃料條件下，燃料較短停留在火焰時，N2氧化成NO，化學反應為CH+N2→HCN+N，N+O→NO。

2.燃料轉化型，燃料中的含氮元素物質（NH3、HCN等）燃燒時氧化生成。

3.熱力型，指參與燃燒空氣中的N2在高溫下與O2反應生成NOx。熱力型NOx是煉廠加熱爐產生NOx主要機理。[3]

熱力型NOx的生成量和燃燒溫度高低有關，在溫度足夠高時，熱力型NOx的生成量可占到NOx總量的90%，隨著反應溫度的升高，其反應速率按指數規律增加。根據實驗數據，1500K（約1300℃）為熱力型NOx急劇增加的溫度起點，溫度每增加100℃，NOx反應速率增大10倍以上。

工業上通過改進燃燒技術，通常采用的方法為分級燃燒、貧氧燃燒、濃淡燃燒和煙氣循環等。通過降低氧含量、加大煙氣回流，降低火焰溫度來減少NOx的形成和排放，以上方法均基于熱力型NOx機理。

煉化企業所用加熱爐或者鍋爐，均由風機將大氣空氣送入爐膛進行燃燒，燃氣型燃燒器燃料多采用煉廠自產干氣，主要以含H2、C1～C5烴類為主，所以，控制氮氧化物的生成，主要還是從燃燒器入手，通過控制火焰燃燒的溫度，使其在較低溫度下進行燃燒，減少氮氧化物的產生。

2.2 中韓石化低氮燃燒器使用情況

按照《石油煉制工業污染物排放標準》（GB31570-2015）的要求，中韓石化對全廠加熱爐進行了低氮燃燒器的改造。共計更換瓦斯槍200套、更換燃燒器124臺。

改造后，2017年下半年全廠加熱爐SO2均值為7mg/Nm3，NOx均值為67mg/Nm3，煙塵均值為6.8mg/l，部分加氫裝置加熱爐煙氣CO超過100ppm，經過運行發現，改低氮后火嘴堵塞和CO的排放超標是比較突出的問題。

3 F101運行問題及原因分析

3.1 第一個運行周期

新裝置于2016年建成投產，F101運行正常，但外排煙氣NOx處于65～90mg/Nm3波動，存在部分時段數據超標的情況。通過現場仔細觀察發現，現場燃燒器共計點火4個燃燒器，燃燒器的火焰發散，外圍二級瓦斯氣槍基本處于未點燃狀態，與設計有差別，中心一級氣槍無法點燃二級槍。

根據NOx產生機理來逐項分析，主要從熱力型和燃料型兩個方面分析，根據現場觀察情況，分析NOx較高的主要原因為：

1.燃燒器火盆磚安裝不合理，不符合設計要求，二級槍未點燃，加熱爐熱量靠瓦斯中心槍提供，中心槍瓦斯負荷較大，又處于富氧燃燒環境，使火焰溫度較高，產生了NOx。

2.燃燒器選型不符合工況要求，根據裝置運行負荷特點， S Zorb加熱爐F101燃氣流量400m3/h，約4MW左右熱負荷，加熱爐長期只點了4個燃燒器，工作的燃燒器單個負荷較大，導致單個燃燒器火焰溫度高，加劇NOx生成。

針對以上問題，在2018年S Zorb短暫搶修期間，對F101燃燒器的火盆進行了更換，后面監測NOx濃度為65～85mg/Nm3，滿足指標要求。但是燃燒器選型偏大的問題沒有得到解決，在清理火嘴、切換燃燒器時對加熱爐平穩運行和指標控制影響較大，造成爐溫波動，NOx排放濃度卡邊，仍存在超標風險。

3.2 第二個運行周期

由于中石化對NOx排放濃度進一步控制，在2020年12月，中韓石化利用全廠停工大檢修機會，對S Zorb加熱爐F101更新8臺燃燒器，重新設計選型時，考慮到第一個周期的運行參數和工況，選用了1.5MW單臺的燃燒器。

另外，參考上一個周期運行數據，發現F101平均爐膛溫度僅為605℃，較設計溫度偏低。此時，F101處于低爐膛溫度的工況，又必須考慮低氮燃燒器現階段一氧化碳排放超標的問題。

針對上述條件，此次更新低氮燃燒器采用某廠設計制造的分級燃燒+濃淡燃燒技術組合結構，內外氣槍采用45：55的燃料比例，且帶比例調節閥組，目的是為了平衡CO和NOx排放問題。

開工運行后，在爐膛氧含量1.0%左右時，煙氣NOx一直處于70～90mg/Nm3波動，頻繁出現超標報警，帶來巨大環保壓力。且氧含量無法再調高，波動到1.4%時NOx濃度快速上升100mg/Nm3以上，致使加熱爐操作彈性降低。

面對超標情況，我們立即展開技術攻關，收集現場燃燒器操作情況、加熱爐運行參數、燃料瓦斯成分等數據，總結如下：

1.現場一級、二級燃料比例調節閥組上壓力表均顯示0.18MPa，表示內外槍的燃料還未嘗試調節。

2.8臺燃燒器只點了5臺，不利于爐膛溫度均衡運行。燃燒器火焰剛直有力，火焰速度較快，說明瓦斯壓力偏高，5臺燃燒器工作負荷較大。

3.進爐瓦斯流量處于360～400m3/h，瓦斯來源為系統管網瓦斯，但是在進爐前，穩定塔塔頂氣跨入主瓦斯管線進爐。穩定塔頂氣流量1250m3/h，而加熱爐瓦斯耗量為380m3/h，加熱爐F101的燃氣全部為穩定塔頂自產干氣，而非系統管網瓦斯。

4.查詢穩定塔頂自產干氣lims分析數據，見表2。對比表1和表2的瓦斯組分，H2和C3以上的烴類比例差別很大，計算單位體積瓦斯低位熱值，通過圖1趨勢可以看出，當瓦斯重組分烴類（C3+）含量越高時，瓦斯低位熱值越高，燃燒越劇烈，NOx生成量越多。

4 F101煙氣NOx調整措施

在今年5月份，F101外排NOx多次報警，極不穩定，根據以上分析的情況，我們作出相關調整：

1.充分利用一級、二級瓦斯氣槍的調節比例閥組，將內槍瓦斯閥門逐漸關小至0.05MPa，外槍壓力有上升，達0.25MPa，內外槍瓦斯比例約15：85，將燃燒器數量增點至6個，將6個燃燒器瓦斯量調下來，瓦斯壓力降至0.2MPa以內。經過調整后，6～8月的實時監測數據顯示NOx排放濃度已處于55～65mg/Nm3范圍，未發生超標。

2.利用S Zorb加熱爐F101對流室CO在線分析儀表，盡量在保證CO不超標的情況下，降低一級槍的比例，降低爐膛氧含量，但是前提是要確保火嘴火型良好，防止脫火、熄火發生。

3.燃料組分與設計偏差較大，H2含量較高，C3+以上組分偏高，輕重組分都偏高，燃燒器火焰傳播速度快，火焰溫度較高，利于NOx生成。經過了解，兄弟煉化企業S Zorb裝置加熱爐煙氣NOx排放均較難控制，與燃料采用自產干氣有較大關系，由于自產干氣的流量和組分隨生產也有波動，對加熱爐平穩運行存在一定安全風險，建議工藝上對自產干氣進行相關流程改造處理后再進爐燃燒。

4.由于分級燃燒造成瓦斯槍噴孔均較小，對于瓦斯系統的定期清理是非常有必要的預防性措施。

5 結論

經過近幾年低氮燃燒器的運行情況及S Zorb加熱爐F101兩次燃燒器調整經驗總結如下：

1.煉廠低氮燃燒器絕大部分設計制造依據降低火焰溫度、抑制熱力型NOx生成的機理，通過降低一級瓦斯槍比例、減小噴孔面積增加噴槍數量、降低氧含量來實現NOx排放降低。

2.2016～2017年的低氮燃燒器均處于第一代到第二代低氮燃燒器水平，即NOx控制指標在80mg/Nm3以下，且對于加氫裝置等一些低爐膛溫度的加熱爐，貧氧燃燒造成的CO排放偏高問題凸顯，且未考慮分級燃料比例調節功能，大部分加熱爐未設置CO在線分析儀表，給加熱爐安全運行、熱效率均帶來影響。

近兩年由于排放指標壓縮，許多制造廠家設計時進一步降低中心槍的燃料比例，通過結構調整，強化煙氣回流，可將NOx降至60mg/Nm3以下，部分加熱爐可降至40mg/Nm3以下，和CO排放彈性調節也可以實現。我們可以在后期改造中逐步淘汰第一批安裝的低氮燃燒器，確保更環保、高效。

3.煉廠在選用燃燒器時，對于現場的工藝參數一定要選用合理，偏差過大會造成燃燒器達不到預期性能。因燃燒不好造成的脫火、回火及排放不達標，均屬于安全、環保隱患。

4.S Zorb裝置普遍存在NOx排放濃度偏高的問題，可做進一步技術攻關，有必要通過優化燃料來源及組分來提供安全環保指標達標率。

5.在燃燒器初次安裝驗收時，一定要根據設計圖紙配對好火盆磚和槍頭。在日常加熱爐運行管理時，由于低氮燃燒器噴孔變小，堵塞的風險增大，需加強阻火器、火嘴清理等預防性工作的落實和質量驗收，防止清理不及時，回裝時方向安裝錯誤等問題。

6.低氮燃燒器的進一步升級改造，遠遠不止停留在燃料分級方面，燃燒器風道的設計、噴孔的角度、火盆磚的結構均能影響燃燒器的使用性能。如何進一步抑制NOx產生，同時使CO生成少，且保持火焰的剛性，安全、環保、節能仍是燃燒器今后研究方向。[4]

參考文獻：

[1] 代有凡.石油化工廠設備檢修手冊——加熱爐[S].中國石化出版社，2013.

[2] 周松，許鐵夫，王晨.基于量子化學理論的發動機NO生成模型[A].南寧：第十六屆全國大功率柴油機學術年會論文集，2011-03-28：196-198.

[3] 錢家麟.管式加熱爐（第二版）[M].北京：中國石化出版社，2003： 26-37.

[4] 岑可法.高等燃燒學（第一版）[M].杭州：浙江大學出版社，2002： 485-610.