煉油廠工藝加熱爐煙氣治理

李輝，蔡澤干(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

在A 煉油廠運行階段，硫化氫混合量高于50 mg/m3，致使煙氣存在排放污染問題，其中的二氧化硫混合量遠高于100 mg/m3規范。排出的煙氣內含有較高的氮氧化物，亟需對氮氧化物、二氧化硫進行清潔處理，有效治理加熱器排煙污染，達到環保要求。加熱爐是處理煙氣形成污染物的關鍵流程，對其加以有效研究，給出切實可行的煙氣凈化方案，順應煙氣環保排出的要求，具有一定研究價值。

1 工藝加熱爐煙氣排放過程

在工藝加熱爐煙氣排放過程中，為了實現對煙氣成分的管控，可以通過煙氣排放連續監測系統(CEMS)來進行煙氣動態監管，CEMS 系統可以針對氣態污染物與固態顆粒污染物的監管，將所有收集到的污染物信息實時傳輸至相關部門的檢測系統中。就目前而言，多數煉油廠所使用的連續監測系統都擁有相同的監測框架，利用不同的子系統，可以從多個角度實現對工藝加熱爐煙氣污染物的全方位分析。在氣態污染物監測子系統中，可以實現對SO2以及NO 的動態采集，子系統借助紫外煙氣分析儀來進行檢測，在紫外差分光譜法的支持下，結合入射光強度以及出射光強度，來計算出工藝加熱爐生產煙氣中氣體污染物的濃度情況。而固態顆粒污染物監測子系統則可以利用煙塵監測儀來實現對固態顆粒污染物的濃度分析。在激光背散射作用下，光源將會形成散射，散射光的強度與顆粒污染物的濃度情況有直接關系，只要能夠利用探測器實現對散射光的分析，就可以借助散射光來達到反推煙塵濃度的目的。

2 工藝加熱爐煙氣超標原因分析

2.1 SO2 超標原因

在工藝加熱爐的實際運行期間，因為反應速度與化學平衡所帶來的限制，所以煙氣中的SOx成分多數都屬于SO2，SO3的總量一般會占據SOx的0.5%～2.0%。從煙氣成分的角度出發，煙氣內的SO2其主要來源就是燃料氣中的硫化物，隨著硫化物的增多，煙氣中SO2的濃度將會得到顯著提高。所以為了控制煙氣污染，需要在工藝加熱爐運行期間更多選用低硫燃料氣，然后輔以完善的脫硫工藝，以此來最大限度降低SO2在煙氣中的濃度。需要注意的是，相較于煙氣脫硫等工藝，燃料氣脫硫工藝在實際應用期間更加具有經濟性，所以在考慮脫硫成本的情況下可以更多選用燃料氣脫硫。在工藝加熱爐運行期間，燃料氣的主要來源為外供天然氣以及設備自產干氣與氣柜回收干氣，因為相較于后兩種干氣，外供天然氣的硫含量相對較低，所以為了提高降硫效果，應更多針對脫硫工藝進行重點分析。在面對干氣脫硫時，可以將胺法脫硫視為核心脫硫工藝，脫硫期間可以利用35%濃度的MDEA 溶液來進行干氣成分控制。與此同時，由于氣柜干氣與設備排放的低壓瓦斯有直接關系，而且干氣還會受到焦化裝置的影響，在針對氣柜干氣進行管理時，應重點加強對各種影響因素的分析與控制，以此來讓干氣脫硫效果獲得應有的保障。

2.2 NOx 超標原因

在工藝加熱爐燃燒階段所產生的NOx，其成分主要為NO 以及NO2，其中NO 成分占據了90%。能夠生成NO 的因素有很多，所以針對NO 進行NOx控制的整體難度相對較高。在工藝加熱爐運行期間，能夠決定NOx生成量的核心要素為燃燒溫度、煙氣含氧量等，在氮燃燒的過程中將會自動產生快速型與熱力型NOx[1]。焦化裝置加熱爐在生產負荷影響的影響下將會導致煙氣排放量上升。在加工負荷調整的作用下，如果焦化裝置持續處于低負荷的運行狀態中，就會導致加熱爐運行負荷受到影響，如果一爐兩室的工藝加熱爐及其備用爐使用受限，將會導致爐膛氧含量超標，氧含量上升將會影響到煙氣氧含量。在焦化裝置并爐使用時，備用爐將會迅速降溫，而在引油之后則要快速點火升溫。在切爐期間，需要在短時間內迅速滅火降溫，并爐以及切爐階段將會導致工藝加熱爐的熱負荷出現顯著變化，嚴重時還將導致燃料氣與空氣之間的配比出現失衡，進而影響到燃燒效果。燃燒問題則可能導致局部區域問題異常上升，此時煙氣NOx排放量將會增多。

3 工藝加熱爐的煙氣治理對策分析

3.1 規范燃料氣系統運行

在工藝加熱爐煙氣治理期間，需要通過加強燃料氣系統管理的方式來確保溶劑再生裝置能夠穩定運行下去，而在干氣脫硫塔運行階段，有效控制干氣硫化氫的含量。通過嚴格控制氣柜氣體回收情況，可以防止大規模硫含量較高的氣體進入氣柜，一旦氣柜流量上升影響到脫硫塔負荷，將會導致煙氣硫含量大幅提高。未經過脫硫處理的含硫氣要在進入高壓瓦斯管網之前進行阻斷，不含硫氣相在進入高壓瓦斯管網之前則要通過提前申報的方式來控制進入量[2]。對工藝加熱爐而言，只要能夠最大限度降低燃料氣內的氫氣、氮氣含量，就能夠讓煙氣中的污染物含量控制效果得到顯著提高。

燃料氣系統運行規范如下：(1)確保溶劑再生系統處于有序運行狀態，使貧胺液質量達標。溶劑要求為：溶解硫化氫質量應不大于1.5 g/L，溶劑質量濃度應高于35%；(2)催化、焦化各環節的脫硫環節，均應保持平穩運行狀況，脫硫處理時，硫化氫混有量應不足20 mg/m3。

3.2 加強運行管理

在工藝加熱爐運行期間，需要針對加熱爐加強運行管理，通過調整低氮燃燒器的燃燒工況，能夠通過降低燃燒溫度、氧氣分壓等方式來優化煙氣的排放，例如按照內焰小、外焰大、縮短火苗高度的方式來調整焦化加熱爐，就可以讓低氮燃燒器的運行效果得到全面發揮。其中，風門打開角度初始值為67%，將其開合角度變更為50%，以增強低氮燃燒設備的運行能力。在治理煙氣期間，還可以在運行管理中加強爐膛氧含量控制，使其不超過3%,即通過壓縮爐膛負壓并適當封堵點火孔的方式來實現對加熱器的調整與管理。除此之外，為了降低燃料氣壓力，還需要對長明燈壓力與加熱爐主火嘴壓力進行控制，通過將兩種壓力分別控制在0.20 MPa 與0.21 MPa，能夠讓煙氣治理效果得到大幅提升。

第一，有效控制燃燒溫度。加熱爐從20 ℃加溫至180 ℃的過程中，會引起氮氧化物含量增至1.7 倍，高溫環境會促成氮氧化物的生成。為此，需加強溫度控制，以減少氮氧化物的形成量。采取余熱回收、調整空氣旁路閥角度等形式，可有效控制溫度。

第二，引入爐外循環工藝。此工藝利用排出煙氣，進行循環利用，可有效控制氮氧化物的轉化量。此項工藝引入后，僅需在原有余熱回收機制中，添加一組循環風機，收集部分煙氣，混合于爐內空氣，使其參與燃燒。煙氣內含氧量較低，使爐內含氧量減小，由此降低了氮氧化物轉化的可能性。此工藝引入后，可降低至少30%的氮氧化物轉化量，使煙氣排放達標。

第三，加強煙氣滯留管理。有效控制煙氣滯留時長，可明顯提高煙氣流動能力，使其在短時間內快速離開高溫段，有效控制氮氧化物轉化。實踐中，當燃燒溫度不足1 500 ℃時，可適當改變煙氣溫度，增強升溫能力，使煙氣流動速度加快。此方法使用時，需關注爐膛降溫處理，以獲取更優質的管理效果。使用負壓調整方法，能夠更好地增加煙氣流轉速度。負壓調整，可借助增設煙道擋板的形式，使負壓、煙氣流動速度在短時間內迅速增加。

第四，合理控制燃燒成分。為有效控制氮氧化物的轉化量，需加強燃料成分管理。當前，多數煉油廠選擇的燃料，具有一定環保性，具體組成如表1 所示。

表1 燃料氣成分

表1中燃料氣的其余成分均不足3%，無氮成分，由此從燃料角度，有效控制了氮氧化物的形成可能性。

3.3 調整系統參數

為了促使焦化、催化、溶脫裝置實現渣油平衡，就應該穩定焦化裝置的加工負荷，避免因為負荷穩定性不足而導致切爐、并爐操作增加，切爐與并爐頻率的上升將會導致煙氣超標風險變得更高。隨著煉油廠對現有生產裝置的負荷情況進行不斷調整，渣油加氫裝置在正式投產使用后，焦化與溶脫裝置承受的生產負荷將會大幅下降，生產負荷的大幅降低有可能對煙氣排放帶來無法預料的風險問題，所以在制定生產計劃的同時需要重點強調對生產負荷的關注。與此同時，如果渣油加氫裝置能夠定期進行催化劑更換，則焦化與溶脫裝置的生產負荷則會有所上升，生產負荷的不穩定變化都有可能對煙氣排放造成影響，所以必須在煙氣治理中提前考慮CEMS 排放問題[3]。

比如，當空氣系數初始值為1.2 時，氮氧化物的形成量約為141 mg/L。如果將空氣系數調整至1.05，此時煙氣內混有的氮氧化物會減小25 mg/L。空氣系數調整后，配合降溫措施，以有效控制氮氧化物形成。一般情況下，爐膛內的含氧量為2%時，符合生產要求；如果含氧量超過3%，會增加氮氧化物的轉化機會；當爐膛內含氧量不足2%時，氮氧化物轉化速度放緩，出現燃料燃燒不徹底現象，生成一氧化碳，出現新的污染問題。為此，含氧量的適宜參數范圍為2%～3%。

3.4 設置超標預警方案

在工藝加熱爐煙氣治理期間，需要針對工藝加熱爐煙氣排放值設置預警響應參數，通過制定環保應急預案，可以在出現異常參數時避免出現瞬時、小時均值超標的情況。當工藝加熱爐的煙氣指標達到預警值之后，應該在預警響應之后及時進入現場檢查CEMS儀表的運行情況。如果工藝加熱爐煙氣中的SO2出現預警，就需要及時調整干氣脫硫塔的胺液量，控制胺液量可以實現對干氣硫化氫含量的控制。在此期間，還應該檢查分析吸收塔的柴油吸收劑流量是否產生了變化。在NOx出現煙氣超標問題時，應該針對氧含量參數進行控制，通過關閉主火嘴以及長明燈風門，可以在調整火焰的同時避免出現燃燒不完全的情況發生。在面對固態顆粒物超標時，應觀察是否出現了吹灰的操作，在檢查凈化風系統時，如果凈化風帶水就需要針對煙塵檢測儀進行養護，通過清潔光學窗口鏡片，可以大幅降低固態顆粒物污染[4]。比如，吸收塔位置設計預警值時，以柴油吸收量q為主體，預警方案為：q≥25 t/h，當q＜25 t/h 時，發出警報。“凈化露點”溫度Tj的參數控制方案為：Tj≤-20 ℃，當Tj＞20 ℃時，給出聲光警示。

3.5 加熱爐養護

在工藝加熱爐煙氣治理期間，應該重點加強CEMS 系統的日常養護，以此來確保CEMS 系統能夠始終處于穩定運行狀態。在系統養護階段，應定期針對系統進行清理與校準，系統過濾器與管路則要定期進行清洗，保養階段如果發現異常問題，如流量計讀數不準、探頭處出現腐蝕問題，及時進行計量糾偏，清除探頭腐蝕物。如果流量計探頭存在嚴重受損問題，要進行更換處理。在養護期間，重點檢查火孔、防爆門各位置的密封質量，嚴防出現孔門嚴謹性不足、防爆門下墜等現象，使其擁有優質的氣密性，降低熱損失，保證加熱爐的運行能力。配合相應的清灰、吹灰等工作，防止灰塵沉積，維持加熱爐運轉性能。

3.6 A 煉油廠煙氣治理實踐分析

3.6.1 SO2 煙氣治理分析

(1)SO2治理方案

在煉油廠的運行工況中，為了規避燃料氣硫含量過高所造成的負面影響，A 煉油廠準備在燃料氣系統中采用如下優化方案：第一，中止瓦斯站氣柜，通過氣柜系統運行控制，能避免未開展脫硫處理的低壓瓦斯直接進入高壓管網；第二，常減壓裝置的初、常、減三種瓦斯不再進入低壓管網，通過額外增添一臺循環式壓縮機，并在三種瓦斯匯合升壓之后送往焦化裝置中，三種瓦斯還需要并入焦化脫硫設備[5]。

從脫硫裝置優化的視角出發，隨著原油劣化、煙氣硫含量的增加，瓦斯內部的硫含量將會有所提升。在脫硫設備分別與高、低壓脫硫塔并聯的情況下，脫硫瓦斯中的硫含量將會出現超標的情況，而且通過脫硫塔壓力調節等方式無法獲得明顯的效果。因此為了解決脫硫問題，應該針對高、低壓脫硫塔開展改造處理。通過串塔改造可以讓通過催化干氣、碳三裝置增壓的低壓瓦斯直接進入高壓脫硫塔，高壓脫硫后的瓦斯則能與焦化瓦斯融合并進入低壓脫硫塔，二次脫硫將會讓脫硫效果得到大幅提升。據分析，串塔將會讓脫硫瓦斯中的氫含量均值從260 mg/m3降低至40 mg/m3。

煉油廠焦化裝置在正式開工后，焦化干氣在經過一次脫硫后便可以直接送入燃料氣管網，這會導致脫硫瓦斯在波動過程中出現超標排放的問題。為了解決硫含量波動帶來的影響，工藝加熱爐可以通過高低壓脫硫塔的二次脫硫，以此來降低硫含量波動造成的煙氣問題。

(2)SO2治理成效

A 煉油廠在對瓦斯脫硫工藝優化時，經過脫硫的瓦斯中的硫化氫含量降低到了20 mg/m3以內，而且燃料氣整體質量獲得了顯著提高。通過優化燃料氣系統，還解決了低壓管網內的高硫瓦斯對高壓管網低硫瓦斯造成污染的問題。燃料氣在硫含量降低后，煉油廠的工藝加熱爐中的煙氣SO2成功達標，因此A 煉油廠的工藝加熱爐煙氣治理方式能夠滿足煙氣治理的實際要求[5]。

3.6.2 NOx 煙氣治理分析

(1)NOx超標表現

A 煉油廠中的工藝加熱爐所使用的是常規NOx排放燃燒器，工藝加熱爐在2020 年的廢氣濃度監測中發現，氮氧化物的平均監測濃度達到了172 mg/Nm3，該濃度結果超出了規定標準濃度值。為了解決煙氣排放問題，A 煉油廠在2021 年初進行了燃燒器改造，通過將常規燃燒器優化調整為低氮燃燒器。

(2)NOx治理方案

改造前后的兩種燃燒器在結構層面的主要區別大致如下：第一，老舊燃燒器并沒有設置火焰分區，所以在正常生產期間，燃燒器的主火焰噴槍將會與附近分散分布的4 個副火焰噴槍在相同區域內一同以豎直狀態向上進行火焰噴射。而在新燃燒器改造之后，低氮燃燒器的燃燒室將會利用環形多孔型火道磚將4 個主、副，共8 個火焰噴槍劃分在不同的區域，所有的主火焰噴槍都會在頂端區域開設兩個燃料氣噴射孔洞，而副火焰噴槍則會在頂端區域開設4 個燃料氣噴射孔洞。在燃燒器的正常運行過程中，主、副火焰噴槍可以在分區燃燒中形成主、副火焰分區。第二，低氮燃燒器在4 個主火焰噴槍的中間接近頂部的區域加設了圓形擋板，利用圓形擋板可以通過邊緣的分散孔洞來加強燃燒效果。而老舊燃燒器則并不具備圓形擋板以及相似構造，所以老舊燃燒器的燃燒質量難以控制。第三，新燃燒器的環形火道磚由開口弧形磚拼接而成，弧形磚的開口具有多角度分布特征。第四，低氮燃燒器對風道進行了優化調整，老舊燃燒器的風道結構可以通過燃燒器側滑位移實現對風量的調節。這種傳統調節方法容易出現調節結果偏大、過小的情況發生。而低氮燃燒器則在圓周側面弧形區域設置了方形進風口，進風口與風道擋板的結合可以讓風量調節變得更加精細化。與此同時，由于在風道中加入了隔板，所有的工藝加熱爐的運行過程中以煙囪效應原理為核心生成了微負壓，隔板可以通過降低空氣流速的方式避免燃燒效果過于強烈的情況發生。

(3)NOx治理成效

A 煉油廠在2021 年初安裝了全新的燃燒器之后，重新針對工藝加熱爐的出口煙氣開展了成分監測，技術改造前后的氮氧化物質量情況，如表2 所示。

表2 技術改造前后的氮氧化物質量情況

如表2數據可知，此技術方案有效降低40 mg/Nm3氮氧化物濃度，煙氣凈化效果顯著，技術改造完成的氮氧化物濃度符合國家100 mg/Nm3以內的規范要求。因為改造后的工藝加熱爐煙氣污染成功滿足了環保生產的污染排放標準，因此可以認定A 煉油廠改造成功。

4 結語

總而言之，在煉油廠的運營發展階段，工藝加熱爐的重要性毋庸置疑，通過加強工藝加熱爐煙氣治理能力，能夠讓煙氣排放成功達標，避免因為煙氣排放問題而影響到煉油廠的正常經營管理。煉油廠在煙氣凈化實踐中，需參照各地區給出煙氣排放的具體要求，結合往期生產存在的排污問題，從系統規范管理、加熱爐有效運行、預警監管等方面，進行全面生產管理，給出針對性的凈化方案，切實控制煙氣排出的超標問題，發展環保型煉油生產企業，助力煉油廠有序發展。