二甲苯塔重沸爐煙氣再循環的改造應用

蘇健 李宗昌 王鋒 胡畔 丁龍（中國石油四川石化有限責任公司）

國內煉化企業廣泛采用燃料氣在加熱爐中進行擴散式燃燒、部分預混式燃燒、完全預混式燃燒等方式，獲取化工生產所需的熱能。為適應環保新國標要求，煉化企業近年來采取了各種措施降低加熱爐煙氣污染物排放量，其中煙氣再循環技術因其投資少、效率高而得到廣泛應用。煙氣再循環技術是將燃料氣在爐膛內燃燒所產生的部分煙氣，經煙氣再循環風機送入加熱爐風道，與新鮮空氣混合后重新回到加熱爐爐膛，實現排煙溫度降低、爐膛內O2濃度降低，加熱爐效率提高，煙氣中NOx 的排放濃度降低的多重效果[1-4]。

四川石化芳烴聯合裝置根據實際情況，與設計單位經過詳細研究與論證，最終確定了在空氣預熱器出口引出部分低溫煙氣再循環到入爐風道中的煙氣再循環改造方案。經過大檢修改造實施后，煙氣中主要污染物NOx 含量大幅下降，滿足了新國標要求。

1 裝置簡介

75×104t/a 對二甲苯芳烴聯合裝置是中國石油四川石化煉化一體化工程主裝置之一。該裝置以芳烴抽提的C6+芳烴和重整生成油以及云南石化外購混合二甲苯為原料，生產對二甲苯、鄰二甲苯、苯等化工中間產品以及汽油和柴油調和組分。

芳烴聯合裝置采用熱聯合形式，二甲苯塔頂和塔底物料分別為吸附分離三個精餾塔和一個解吸劑再生塔、歧化汽提塔、鄰二甲苯塔和重芳烴提供熱源，并對二甲苯白土塔和鄰二甲苯塔進料加熱以提高進料溫度，二甲苯塔重沸爐（F-8001A/B）為二甲苯塔提供再沸熱量，因此該爐是聯合裝置熱聯合的核心。F-8001A/B 的工藝計算及爐型設計均由UOP 提供。F-8001A/B 各配一套煙氣余熱回收系統，將燃燒后產生的熱煙氣與助燃冷空氣進行換熱后排入大氣。燃燒所需空氣由鼓風機加壓后經過中壓蒸汽/空氣預熱器、煙氣/空氣預熱器加熱后送入燃燒器，燃料均為燃料氣。F-8001A/B 是兩個結構形式完全相同的“雙胞胎”爐，均采用雙圓筒型輻射室共用一個對流室的結構形式，每個圓筒型輻射室底部均勻布置12 個燃燒器，單臺爐的熱負荷為79.37 MW，二甲苯塔重沸爐（F-8001A/B）主要參數見表1。

表1 二甲苯塔重沸爐（F-8001A/B）主要參數Tab.1 Main parameters of xylene tower reboiler furnace(F-8001A/B)

2 存在問題

四川石化芳烴聯合裝置二甲苯塔重沸爐采用燃料氣作為燃料，燃料氣主要來自煉油廠燃料氣管網，主要成份為脫硫后管網瓦斯，另外尚有液化石油氣、天然氣作為補充。其大氣排放污染物主要為NOx、SO2、煙氣黑度和顆粒物。隨著全球變暖和空氣污染形勢日趨嚴重以及中國經濟占世界經濟比重越來越高，中國在環境保護和改善方面的責任也越來越重。為此，國家采取了一些列措施，加大了對各種環境污染物排放的控制力度。因此環保部門根據現有石油煉制企業的污染物排放情況，頒布了更加嚴格的工業污染物排放標準— 《石油煉制工業污染物排放標準》（GB 31570—2015）[5]。由于四川石化的特殊地理位置，新標準頒布后，四川石化被歸為大氣污染物特別排放限制企業，其大氣污染物排放要求更高，加熱爐排放煙氣必須滿足NOx 小于或等于100 mg/Nm3的新標準。

四川石化芳烴聯合裝置二甲苯塔重沸爐原設計煙氣中NOx 排放標準小于或等于110 mg/m3。實際生產中，二甲苯塔底重沸爐煙氣中NOx 排放濃度為110～130 mg/Nm3，高于新標準限值，達不到環保要求。因此，亟須采取措施降低二甲苯塔重沸爐煙氣排放中的NOx 含量。

3 問題分析

3.1 NOx 生成機理分析

NOx 在煙氣中主要存在形式為NO 和NO2，其中NO 占比90%～95%，NO2占比5%～10%；NO 極不穩定，一旦排放到大氣中，遇氧就會馬上反應生成NO2。因此煙氣中NOx 超標主要原因是燃燒產生的NO 過多，控制NOx 首先要從NO 的生成機理入手。NOx 的生成機理有燃料型、快速溫度型和溫度型三種類型。

燃料型：含氮化合物在溫度600～700 ℃時易與O2發生反應生成NO。因此相比于空氣中的惰性氮組分，燃料中的氮化物更容易被氧化。但經過多次化驗分析，四川石化芳烴聯合裝置所用燃料氣中氮化物含量極低，一般儀器都無法檢出，所以理論上生成的燃料型NOx 可以忽略不計。

快速溫度型：過剩空氣系數為0.7～0.8 時，燃料氣燃燒時火焰內部易產生NO，快速溫度型NOx的生成量受燃燒溫度影響較少。

溫度型：O2和N2在高溫狀況下生成NO，其生成量與輻射室氧含量、燃燒溫度、燃燒時間相關，成正比性增長趨勢。當燃燒溫度高于1 400 ℃，NOx的生成量將大幅提升。

綜上所述，煙氣中NOx 主要成分為NO，主要由溫度型高溫反應生成，加熱爐燃燒溫度、氧含量、燃燒時間是關鍵變量[6]。

3.2 技術方案對比分析

對比三種技術原理分析，降低煙氣中NOx 主要是降低溫度型NO 的生成。目前有兩種手段：一是降低燃燒溫度，二是降低助燃空氣中的N2或O2濃度。二者都是以降低NO 生成條件在抑制NO 的生成。

實際生產中，降低煙氣NOx 有兩種技術路線，一種是從NOx生成原理出發，降低溫度型（T-NO）NO的生成，通過優化燃燒狀態、降低燃燒溫度和采用低氮燃燒技術等手段來抑制NOx 的生成。目前常用的技術有組合燃燒法、空氣分級燃燒法、煙氣再循環燃燒器、燃料分級燃燒法、煙氣再循環技術。另一種是將燃燒后產生的NOx 通過化學轉化或物理吸收的方式去除，以達到排放標準。相關技術有：堿液吸收法、選擇性催化還原法、貴金屬催化脫硝法、選擇性非催化還原法等[7]。

結合四川石化芳烴聯合裝置二甲苯塔重沸爐現有運行情況，最終決定采用煙氣再循環技術來降低煙氣中NOx 含量，選擇理由如下：

1）二甲苯塔重沸爐（F-8001A/B）已采用了低氮燃燒器，根據監測數據，目前排放煙氣中的NOx為110～130 mg/Nm3，采用煙氣再循環技術后，能明顯降低煙氣中NOx 的排放量，使其滿足國家新標準小于100 mg/Nm3的要求。

2）目前國內采用燃料分級燃燒+煙氣再循環燃燒器技術方案取得的效果很好，可以將煙氣中的NOx 降到50 mg/m3以下。若更換此類低氮燃燒器，僅燃燒器設備預算就需857 萬元；而在不更換燃燒器的情況下，僅采用煙氣再循環技術，項目總預算只需451 萬元。

3）二甲苯塔重沸爐（F-8001A/B）的爐膛溫度約為700 ℃，無法滿足選擇性非催化還原法要求的850～1 100 ℃的溫度場的要求。

4）若采用選擇性催化還原法脫硝技術，需增設脫硝反應器，同時還需選擇性催化還原法滿足溫度場300～400 ℃的要求，需對對流段和空氣預熱器進行改造，增設還原劑（NH3）供給設施等，不僅增加了投資，還增加了生產操作管理的難度。

5）臭氧氧化技術產生的污染物需在脫硫塔中進行吸收處理，本項目不具備條件，沒有脫硫塔。

4 改造實施及效果檢驗

4.1 煙氣再循環方案的技術改造

煙氣再循環是在煙氣進空氣預熱器前，抽取部分煙氣與入爐熱空氣混合后進入燃燒器，利用燃燒后產生的惰性氣體的吸熱和低氧含量，使燃燒區域的溫度降低，同時燃燒區域的氧含量降低，以達到減少溫度型NO 產生。根據二甲苯塔重沸爐具體情況分析認為，采用低溫煙氣再循環技術能有效降低NOx 的生成。具體做法是將煙氣抽取部位由熱煙道改至冷煙道即由空氣預熱器之前改至引風機之后，這樣做法的好處是經過換熱之后的冷煙氣能降低爐膛溫度，同時也降低入爐空氣氧含量，降低了燃燒強度，抑制了NOx 生成。二甲苯塔重沸爐煙氣再循環改造前、后對比見圖1。

圖1 二甲苯塔重沸爐煙氣再循環改造前、后對比Fig.1 Comparison of flue gas recirculation of xylene tower reboiler furnace before and after transformation

煙氣再循環技術特點在于效率高，據測算，煙氣每返回20%，NOx 生成量可減少25%，并且通過調節煙氣循環風機入口閥門開度調節循環煙氣量，可根據實際需要調整煙氣NOx 含量，裝置靈活性加強。其弊在于需要增設循環風機及為新風機提供額外的場地，但相較而言，比其他降低NOx 排放的技術改造來說難度低得多[8]。

在四川石化檢修窗口期，二甲苯重沸爐的低溫煙氣再循環項目按照上述示意圖完成了改造，檢修完成之后投入使用。通過改造將現有燃燒器全部利舊，增設一臺煙氣再循環引風機將低溫煙氣從引風機后引入空氣預熱器后的風道中，二甲苯塔重沸爐煙氣再循環改造現場見圖2。

圖2 二甲苯塔重沸爐煙氣再循環改造現場Fig.2 Transformation site of flue gas recirculation of xylene tower reboiler furnace

4.2 效果檢驗

二甲苯塔底重沸爐（F-8001A/B）排放的部分煙氣，經新增的煙氣循環風機（160-K-851/852）壓后，送入煙氣/空氣預熱器熱風出口內，與熱風充分混合后進入到二甲苯塔底重沸爐（F-8001A/B）的低氮燃燒器中，降低氧含量和平均火焰溫度，使爐膛內溫度均勻，無明顯高溫區，有效抑制了NOx的生成[9-13]。

四川石化二甲苯塔重沸爐（F-8001A/B）在煙氣再循環項目改造前，煙氣中的NOx 排放經常高于100 mg/Nm3，煙氣再循環改造完成后，NOx 排放低于90 mg/Nm3，穩定在70～80 mg/Nm3，低于國標限值，總投資451 萬元。無異常情況下，加熱爐不調整即能保證達標排放。當燃料氣管網波動時，亦可通過煙氣循環量的調節來保證NOx 在達標范圍內。四川石化二甲苯塔重沸爐煙氣改造前后A、B 爐煙氣監測數據見表2。

表2 改造前后A、B 爐煙氣監測數據Tab.2 Monitoring data of flue gas of furnaces A and B before and after transformation

5 結論

1）通過低溫煙氣再循環的技術改造，二甲苯塔重沸爐氧含量、火焰溫度明顯降低，爐膛內溫度均勻，無明顯高溫區，NOx 生成量減少，煙氣中NOx 排放量排放滿足新國標的要求。經過測算F-8001A煙氣NOx折算值降低了49.24%，F-8001B 煙氣NOx 折算值降低了52.03%；

2）項目新增風機2 臺，能夠配合入口閥門調節實現不同煙氣循環率，滿足不同負荷、不同季節要求下裝置的在線調節。新增風機運行穩定，正常情況下，加熱爐無需調節即可保證NOx 排放達標，降低了人工成本，有利于裝置長周期平穩生產。

3）煙氣再循環技術在四川石化公司成功應用，以較少投資，較高NOx 降低率，使二甲苯塔重沸爐煙氣排放達到新標準要求，對石化企業工藝加熱爐污染減排目標實現意義重大。該項目實施過程中總結形成的思路方法及成功經驗，對其他企業同類型加熱爐煙氣提標項目改造具有較好的指導借鑒意義。