王猛

（中國石化揚子石油化工有限公司，南京 210048）

工業(yè)生產(chǎn)排放的大量污染物不僅給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟損失，而且對環(huán)境造成了損害，尤其是氮氧化物（NOx）排入大氣之后，將在大氣中產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，導(dǎo)致臭氧層被破壞，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，使農(nóng)作物減產(chǎn)，損壞人體及動物的呼吸道和神經(jīng)系統(tǒng)等。隨著我國對大氣環(huán)境質(zhì)量的重視，國家環(huán)保部門對石油化工企業(yè)污染物排放的限制也越加嚴格，《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31570－2015）對大氣污染物的控制要求中，加熱爐煙氣中NOx含量排放限值不超過150 mg/m3，部分地區(qū)執(zhí)行100 mg/m3的特別排放限值。因此，對于石化企業(yè)來說，降低加熱爐煙氣中的NOx含量，實現(xiàn)污染物減排是當(dāng)務(wù)之急。

揚子石油化工股份有限公司150 萬噸/年連續(xù)重整裝置（以下簡稱2#重整），采用中國石化具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代國產(chǎn)超低壓連續(xù)重整技術(shù)，于2014 年7月開車。2#重整反應(yīng)爐1#～4#（“二加二”箱式加熱爐）設(shè)計熱負荷為86.88MW，在加熱爐對流段分別設(shè)置一套蒸汽發(fā)生器回收熱量，設(shè)計爐效率為91%，煙氣中NOx平均濃度為209 mg/m3，在用的扁平預(yù)混式燃燒器已經(jīng)無法滿足新國標(biāo)對煙氣中NOx的排放限值要求。因此揚子石化2019年3月大修期間將2#重整反應(yīng)爐燃燒器全部更換為CUBLS—W型超藍低氮燃燒器。文章介紹了降低連續(xù)重整反應(yīng)加熱爐NOx排放的改造情況，為同類裝置的加熱爐脫硝改造提供借鑒。

1 改造前NOx 排放情況及生成機理

1.1 改造前情況

2#重整反應(yīng)加熱爐原設(shè)計的96 臺燃燒器為DaM8-RSQ-08型扁平預(yù)混式燒嘴，該型燃燒器燒嘴呈立式扇形，每臺燃燒器有2 支瓦斯噴槍，火焰上下分布均勻，以避免火焰舔爐管或爐墻。原燃燒器助燃空氣被分為一次風(fēng)和二次風(fēng)分別供給一次燃燒區(qū)和二次燃燒區(qū)，通風(fēng)方式為自然通風(fēng)。

由于原燃燒器火焰溫度較高，煙氣中的NOx含量持續(xù)處于較高水平，2017年2#重整反應(yīng)加熱爐運行負荷為94.69%，1#～4#反應(yīng)爐煙氣中的NOx平均含量分別為207.1 mg/m3、215.3 mg/m3、203 mg/m3、211.2 mg/m3。

1.2 NOx 生成機理

NOx是NO、NO2和N2O等多種氮氧化物的總稱，燃燒產(chǎn)生的NOx以NO 為主，約占90%；按照燃料組分和燃燒條件的不同，NOx的生成途徑主要有三種：①熱力型NOx，指空氣中的氮在高溫（1 500℃以上）條件下氧化而成；②快速型NOx，指燃燒空氣中的氮和燃料中的碳氫原子團（CH）等反應(yīng)生成。③燃料型NOx，指燃料中的含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解繼而進一步氧化而成。

2#重整反應(yīng)加熱爐主要以天然氣和變壓吸附分離尾氣為燃料，其組成見表1。從表1可以看出，燃料氣中基本不含氮化合物，故無燃料型NOx生成，又因快速型NOx比熱力型NOx小一個數(shù)量級[1]，一般不予以考慮，所以反應(yīng)爐燃燒過程中產(chǎn)生的主要為熱力型NOx。

表1 改造前2#重整反應(yīng)爐燃料氣組成

熱力型NOx的生成量主要取決于燃燒溫度、高溫?zé)煔庵醒鹾考盁煔庠诟邷貐^(qū)的停留時間[2]。因此，在燃燒過程中，采用分級燃燒、再燃燒、低氧燃燒、濃淡偏差燃燒、煙氣再循環(huán)等方法，控制爐內(nèi)局部過?？諝庀禂?shù)，減緩燃燒速率和燃燒強度，降低燃燒區(qū)的溫度，從而抑制熱力型NOx的生成。

2 低NOx 燃燒器技術(shù)進展

國際上早在20 世紀50 年代就開始重視燃燒生成的NOx的危害，并開展了抑制NOx生成技術(shù)的相關(guān)研究，70 年代末80 年代初就開發(fā)出了低氮燃燒技術(shù)。其中低NOx燃燒器的發(fā)展主要經(jīng)歷了3 個階段[3-4]：第一階段為分級配風(fēng)燃燒器，一般采用旋流配風(fēng)，煙氣中NOx可降到140 mg/m3左右；第二階段為分級配燃料燃燒器，NOx可降到80 mg/m3左右；第三階段為煙氣內(nèi)循環(huán)燃燒器，即采用低氧燃燒技術(shù)，在保證燃燒充分的情況下盡可能降低空氣過剩系數(shù)，NOx可降到50 mg/m3左右。最新推出的強化煙氣內(nèi)循環(huán)低NOx氣體燃燒器，是多種低氮燃燒技術(shù)的結(jié)合，采用分級配燃料，并分級吸入爐膛煙氣，分別形成兩個都卷吸有煙氣的燃燒區(qū)，可以將NOx降至35 mg/m3左右。

采用低NOx燃燒器能夠有效降低加熱爐煙氣NOx的排放量，并且與選擇性催化還原脫硝（SCR）、選擇性非催化還原脫硝（SNCR）等末端治理方案相比，具有改造內(nèi)容少、改造周期短、便于實施、一次性投資較低等優(yōu)勢。為此，低NOx燃燒器改造更易被國內(nèi)眾多石化企業(yè)所采納。目前低NOx燃燒器種類有：

1）階段燃燒器。根據(jù)分級燃燒原理，使燃料與空氣分段混合燃燒，由于燃燒偏離理論當(dāng)量比，故可降低NOx的生成。

2）自身再循環(huán)燃燒器。一種利用助燃空氣的壓頭，把部分燃燒煙氣吸回至燃燒器，與空氣混合的燃燒。由于煙氣再循環(huán)，燃燒煙氣的熱容量大，燃燒溫度降低，NOx減少。另一種自身再循環(huán)燃燒器是把部分煙氣直接在燃燒器內(nèi)進入再循環(huán)，并加入燃燒過程，此種燃燒器兼顧抑制NOx和節(jié)能雙重效果。

3）濃淡型燃燒器。又稱為偏離燃燒或非化學(xué)當(dāng)量燃燒，是使一部分燃料過濃燃燒，另一部分燃料過淡燃燒，但整體上空氣量保持不變，由于兩部分都在偏離化學(xué)當(dāng)量比下燃燒，故可降低NOx的生成。

4）分割火焰型燃燒器。即把一個火焰分成數(shù)個小火焰，由于小火焰散熱面積大，火焰溫度較低，使熱力型NOx有所下降。此外，火焰小縮短了氧、氮等氣體在火焰中的停留時間，對熱力型NOx和燃料型NOx都有明顯的抑制作用。

5）混合促進型燃燒器。改善燃料與空氣的混合，使火焰面的厚度減薄，在燃燒負荷不變的情況下，煙氣在火焰面即高溫區(qū)內(nèi)停留時間縮短，因而使NOx的生成量降低。

6）低NOx預(yù)燃室燃燒器。預(yù)燃室一般由一次風(fēng)（或二次風(fēng)）和燃料噴射系統(tǒng)等組成，燃料和一次風(fēng)快速混合，在預(yù)燃室內(nèi)一次燃燒區(qū)形成富燃料混合物，由于缺氧，只是部分燃料進行燃燒，燃料在貧氧和火焰溫度較低的一次火焰區(qū)內(nèi)析出揮發(fā)分，因此減少了NOx的生成。

3 低NOx 燃燒器的設(shè)計要求及反應(yīng)爐脫硝改造

3.1 低NOx 燃燒器的設(shè)計要求

燃燒器是反應(yīng)爐的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣決定了反應(yīng)爐熱效率高低，并影響反應(yīng)爐的安全運行。在滿足反應(yīng)爐熱負荷工況下，保證反應(yīng)爐安全平穩(wěn)運行、熱效率不降低、燃料量不增加的前提下，采用新型低NOx燃燒器，達到脫硝目的，相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 低NOx 燃燒器的設(shè)計參數(shù)

改造更換的新型低NOx燃燒器要采用先進燃燒技術(shù)，改善燃燒條件抑制NOx生成，從而降低NOx的排放。新型低NOx燃燒器與原燃燒器有本質(zhì)區(qū)別，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有很大變化，尤其是火盆磚的形狀和進風(fēng)口形式以及層次數(shù)等完全不同。

改造設(shè)計不僅僅是更換燃燒器，而是要全面考慮爐內(nèi)的燃燒狀況，燃燒器設(shè)計應(yīng)使?fàn)t內(nèi)煙氣流場分布均勻，以達到最佳燃燒效果。燃燒器火焰的長短需根據(jù)反應(yīng)爐爐管的有效長度和燃燒器單臺的熱負荷能力以及輻射室的形狀和安裝方式等因素確定。

新型低NOx燃燒器，需考慮燃燒器的火焰直徑和火焰長度（燃燒器到爐管的距離，燃燒器之間的距離），使燃燒時火焰相互不影響，保證最佳的燃燒效果。防止火焰過高，發(fā)飄等造成火焰舔蝕爐管，形成局部過熱使?fàn)t管氧化脫碳或油品超溫結(jié)焦。

運用流體動力學(xué)計算軟件（CFD），模擬加熱爐的形狀，分析加熱爐的操作狀況。在最終設(shè)計方案確定之前，預(yù)先演示使用低NOx燃燒器改造的加熱爐運行狀況。

新型低NOx燃燒器，需滿足燃燒器在強制通風(fēng)和自然通風(fēng)工況下均能提供100%的正常放熱量，保證反應(yīng)爐能滿負荷運行。

自然通風(fēng)的低NOx燃燒器應(yīng)設(shè)置隔聲箱，除抑制噪聲傳播外，還要有效消除風(fēng)造成的過剩空氣波動。一般情況下，6.7 m/s的風(fēng)速可能在燃燒器處造成抽力±29.4 Pa的變化，對于按抽力98 Pa設(shè)計的燃燒器，將造成±15%的過?？諝庾兓?/p>

由于低NOx燃燒器的燃燒強度低，燃燒速率緩慢，很容易產(chǎn)生不完全燃燒，造成煙氣中CO 含量超標(biāo)。因此需增設(shè)CO 在線分析儀，便于操作人員調(diào)整加熱爐操作。

3.2 反應(yīng)爐脫硝改造

根據(jù)2#重整反應(yīng)爐實際運行情況，結(jié)合揚子石化139 萬噸/年連續(xù)重整裝置反應(yīng)加熱爐2017 年脫硝改造效果，選擇CUBLS—W型超藍低氮燃燒器，采用燃料分級和煙氣內(nèi)循環(huán)相結(jié)合的技術(shù)，通過降低燃燒器的火焰峰值溫度，降低燃燒過程中所產(chǎn)生的NOx，燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在耐火磚周圍設(shè)置噴嘴，燃料由外部噴嘴通過耐火磚上的預(yù)留孔進入耐火磚內(nèi)部實現(xiàn)分級燃燒；利用分級噴嘴將燃料噴射到爐膛，燃料分級噴嘴的噴射動力又將惰性煙氣帶入并摻和到燃燒區(qū)域，以降低燃燒氧化反應(yīng)溫度，減少NOx的生成量，設(shè)計可將NOx含量降低至50 mg/m3以下。另外，耐火磚的新型設(shè)計提高了燃料空氣混合物在耐火磚出口的流速，進一步促進了燃料/循環(huán)煙氣/空氣之間的相互混合，與其他低NOx燃燒器相比，火焰更為緊湊，更加剛直穩(wěn)定。

圖1 CUBLS—W型超藍低氮燃燒器結(jié)構(gòu)

CUBLS—W型燃燒器設(shè)置6組噴嘴，每2個一組，燃料氣分六個支路供入，燃料氣接管使用法蘭與金屬軟管連接，將燃料氣引入各噴嘴及長明燈?？紤]2#重整反應(yīng)加熱爐各爐所需負荷不同、同一臺加熱“U”形爐管兩側(cè)空間大小不同等因素，2#重整反應(yīng)爐共設(shè)計2 種負荷的燃燒器（燃料氣噴嘴的開孔大小不同、壓降板的大小不同），其中2#爐單臺燃燒器使用5W型，其余反應(yīng)爐采用6W型。雖然同一臺反應(yīng)爐采用的燃燒器負荷相同，但由于爐膛內(nèi)是負壓狀態(tài)，且隨著高度增加（向?qū)α鞫慰拷┴搲捍笮〔煌?，因此不同層的燃燒器?nèi)的壓降板大小不一樣，即負壓越低，壓降板越大。

改造采用燃燒器整體更換方案，燃燒器在爐墻的開孔形狀（圓形）不變，因此，大檢修期間，僅需拆除2#重整裝置反應(yīng)爐現(xiàn)有96 臺燃燒器，更換為低NOx燃燒器。其中重整進料加熱爐（1#爐）南北對稱布置24臺燃燒器，第一中間加熱爐（2#爐）南北對稱布置32 臺燃燒器，第二中間加熱爐（3#爐）南北對稱布置24 臺燃燒器，第四中間加熱爐（4#爐）南北對稱布置16臺燃燒器。低NOx燃燒器安裝情況如圖2所示。

圖2 低NOx燃燒器安裝情況

在1#～4#爐各自煙道上增加1 臺CO 在線分析儀，監(jiān)測爐膛燃燒情況，及時調(diào)整加熱爐操作，保證燃料氣完全燃燒。

為了便于在正常生產(chǎn)期間實施反應(yīng)爐增設(shè)余熱回收系統(tǒng)項目，利用改造機會，在反應(yīng)爐頂部水平聯(lián)合煙道上預(yù)留與余熱回收系統(tǒng)接口（集合煙道增設(shè)DN4000擋板和DN2400、DN2200余熱回收甩頭擋板），使煙氣引入余熱回收系統(tǒng)預(yù)熱空氣，并在爐前布置熱風(fēng)道（預(yù)留50 個快開風(fēng)門孔），為燃燒器在強制通風(fēng)工況下送風(fēng)。

4 改造效果

2#重整裝置2019年度大檢修于4月底結(jié)束，大修期間完成重整反應(yīng)爐燃燒器更新改造，因增設(shè)余熱回收項目暫未實施，采用自然通風(fēng)模式，改造后的燃燒器與2#重整裝置同步開車投用。在燃燒器正常投用約3 個月后裝置進行改造性能測試，確定脫硝改造效果。

性能測試期間，2#重整反應(yīng)加熱爐所用燃料氣組成見表3，與改造前燃料組成相比，標(biāo)定期間燃料中氮氣含量偏高、氫氣含量高、甲烷含量低、乙烷含量低，主要因為燃料組分中減少了天然氣占比，增加了變壓吸附分離尾氣占比，但燃料本身不含氮化合物，因此，可以排除燃料型NOx對測試結(jié)果的影響。

表3 2019 年標(biāo)定期間燃料氣組成

2#重整各反應(yīng)加熱爐的煙氣測點均設(shè)在各爐對流段出口的垂直煙道上，且滿足裝置及被測加熱爐正常、平穩(wěn)運行的要求，在反應(yīng)爐聯(lián)合煙道上設(shè)有煙氣連續(xù)在線監(jiān)測（CEMS）裝置。性能測試期間，2#重整反應(yīng)爐平均熱效率為91.69%，與改造前的平均熱效率91.72%基本持平；燃燒器火焰剛度較好，加熱爐燃燒狀況顯著改善，如圖3所示；CO在線分析儀顯示，煙氣中CO含量穩(wěn)定在10 μg/g以下；委托上海統(tǒng)誼石化設(shè)備檢測有限公司對各反應(yīng)加熱爐煙氣進行檢測，結(jié)果顯示各反應(yīng)爐煙氣中NOx平均含量為32 mg/m3；根據(jù)煙氣在線分析儀實時監(jiān)測結(jié)果來看，反應(yīng)爐煙氣中NOx平均含量為40 mg/m3，滿足設(shè)計（≤50 mg/m3）及環(huán)保（≤100 mg/m3）要求。

圖3 低NOx燃燒器火焰情況

以改造后2#重整反應(yīng)爐煙氣中NOx含量為40 mg/m3，裝置年運行8 400 h計算，重整裝置每年可以減少NOx排放375.72 t，環(huán)境效益顯著。重整裝置反應(yīng)爐改造前后NOx排放對比見表4。

表4 重整裝置反應(yīng)爐改造前后NOx 排放對比

5 結(jié)論

根據(jù)NOx生成原理，2#重整反應(yīng)加熱爐煙氣中NOx主要來源為熱力型NOx。燃燒方法和燃燒條件對熱力型NOx的生成影響較大，可通過燃燒器改型，減緩燃燒速率和燃燒強度、降低燃燒區(qū)的溫度、縮短燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時間，來實現(xiàn)降低煙氣中NOx生成量的目標(biāo)。2#重整反應(yīng)加熱爐側(cè)燒式燃燒器改型后，煙氣中的NOx濃度大幅降低，煙氣中的NOx含量由209 mg/m3降低至40 mg/m3，而且燃料燃燒完全（對流出口煙氣中的CO 含量穩(wěn)定在10 μg/g以下），達到了設(shè)計要求，優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)最嚴排放限值，每年平均減排NOx達375.72 t。