李玖重

（中石化煉化工程（集團(tuán)）股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南洛陽 471003）

加熱爐燃燒產(chǎn)生的NOx是常見的大氣污染物之一?！妒蜔捴乒I(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB31570－2015[1]規(guī)定，2017年7月1日起工藝加熱爐NOx排放不大于150 mg/m3（爐膛溫度≥850℃的工藝加熱爐不大于180 mg/m3），特別地區(qū)排放值不大于100 mg/m3。

煉化企業(yè)加熱爐常規(guī)燃燒器NOx排放大都在150 mg/m3以上，已不能滿足日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)[2]。在新的環(huán)保法規(guī)下，煉化企業(yè)相繼進(jìn)行加熱爐的低氮改造。目前，加熱爐低氮改造都是在停爐的情況下拆除原有燃燒器，更換低氮燃燒器。這種改造方式造成很大經(jīng)濟(jì)損失，一是加熱爐停工造成的經(jīng)濟(jì)損失；二是燃燒器報(bào)廢和購置所產(chǎn)生的花費(fèi)。為了避免加熱爐停工低氮改造帶來的經(jīng)濟(jì)損失，針對中國石化某分公司圓筒型底燒燃燒器進(jìn)行了在線低氮改造技術(shù)的研究，開發(fā)了一種充分利用原有燃燒器、在不停爐的情況下進(jìn)行的低氮改造技術(shù)。

1 低氮燃燒機(jī)理

目前煉化企業(yè)加熱爐燃料以氣體燃料為主，其中氮含量很低，燃燒產(chǎn)生的NOx主要為熱力型和快速型NOx，燃料型NOx含量極少[3]。

通常，快速型NOx生成量比熱力型生成量小一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以氣體燃料燃燒生成的NOx絕大部分屬于熱力型。低氮燃燒器的開發(fā)主要從抑制熱力型NOx的生成入手，采取一定的手段降低爐膛溫度及氧含量，減少燃燒過程中NOx的產(chǎn)生[4]。

目前，國內(nèi)外低氮燃燒技術(shù)大多采用分級(jí)擴(kuò)散和煙氣內(nèi)循環(huán)相結(jié)合的燃燒方式，其燃燒機(jī)理如圖1所示。低氮燃燒器的耐火磚上開設(shè)有煙氣回流孔，耐火磚外圍設(shè)有多支分級(jí)燃料噴槍，分級(jí)燃料噴槍噴頭設(shè)有兩級(jí)噴孔，一級(jí)燃料和卷吸的煙氣沿一級(jí)噴孔噴入火盆磚內(nèi)形成一級(jí)燃燒區(qū)，二級(jí)燃料和卷吸的煙氣沿火盆磚上沿噴入形成二級(jí)燃燒區(qū)。燃燒空氣一次通入燃燒器，一級(jí)燃燒區(qū)屬于非化學(xué)當(dāng)量燃燒，并卷吸部分煙氣回流，二級(jí)燃燒區(qū)由多只分級(jí)噴槍形成一個(gè)擴(kuò)大的火焰面，增大散熱面積，同時(shí)卷吸大量煙氣進(jìn)入燃燒區(qū)，盡可能使燃燒溫度降低，抑制NOx的產(chǎn)生[5]。

圖1 低氮燃燒技術(shù)機(jī)理

2 在線低氮改造技術(shù)

低氮改造利用原有燃燒器的基礎(chǔ)，保留燃燒器殼體和耐火磚，通過更換和改進(jìn)燃料噴槍，達(dá)到降低NOx的目的。

2.1 燃燒器結(jié)構(gòu)改造

中國石化某分公司原使用的燃燒器為圓筒型底燒燃燒器，助燃風(fēng)分兩級(jí)進(jìn)入燃燒器。原有燃燒器低氮改造前后對比見圖2，保留燃燒器殼體和耐火磚，在二次風(fēng)道內(nèi)增設(shè)4只分級(jí)燃料噴槍，分級(jí)燃料噴槍伸出火盆磚外，燃料高速噴出卷吸煙氣回流，助燃風(fēng)由一次風(fēng)道全部通入燃燒器，一次風(fēng)道內(nèi)形成一個(gè)非當(dāng)量比的燃燒，以降低火焰溫度，減少NOx的產(chǎn)生。低氮改造技術(shù)的關(guān)鍵在于確定分級(jí)噴槍的型式、燃料占比、噴射角度及安裝高度等參數(shù)[6]。

2.2 分級(jí)噴槍優(yōu)化試驗(yàn)

為了確定燃料分級(jí)噴槍的結(jié)構(gòu)型式，在爐體外形尺寸為4 m×6 m×6 m的大型燃燒試驗(yàn)爐上進(jìn)行分級(jí)噴槍的優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2.1 噴槍噴頭型式

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了與原有燃燒器結(jié)構(gòu)相同的燃燒器進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，通過在二次風(fēng)道內(nèi)更換不同型式的噴槍，探索噴頭型式、噴射角度、燃料占比等參數(shù)對NOx生成的影響規(guī)律，從中優(yōu)化出結(jié)構(gòu)較佳的噴槍型式。對5大類噴槍噴頭進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)，噴槍噴頭型式如圖3所示。

圖2 低氮改造前后燃燒器對比

圖3 分級(jí)噴槍噴頭型式

2.2.2 噴槍優(yōu)化試驗(yàn)分析

在5大類噴頭型式下設(shè)計(jì)了十種不同結(jié)構(gòu)的噴槍，在相同工況下對各種型式噴槍進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。圖4為噴槍的型式與煙氣中NOx含量的關(guān)系。

由圖4可以看出，燃燒器噴槍型式由原型到E型，燃燒產(chǎn)生的NOx逐漸減少，最后降低至75 mg/m3。從原有燃燒器到增設(shè)A型燃料分級(jí)噴槍，分級(jí)噴槍燃料高速噴出，拉高、擴(kuò)大了燃燒火焰面，并引射卷吸煙氣回流，降低了燃燒溫度，從而抑制了NOx的產(chǎn)生[7]。

圖4 噴槍型式與NOx含量的關(guān)系

從A型到E型分級(jí)噴槍的改進(jìn)優(yōu)化過程中，煙氣中NOx含量由210 mg/m3降低至75 mg/m3，噴頭的主火孔噴射角度由內(nèi)傾改為外傾，數(shù)量由1個(gè)改為2個(gè)，引燃孔內(nèi)傾角度減小，噴頭不再開設(shè)穩(wěn)焰孔。分級(jí)噴槍位于火盆磚內(nèi)，內(nèi)傾噴孔噴射的燃料易受到助燃風(fēng)的影響，使卷吸作用減弱，噴射角度由內(nèi)傾改為外傾可以減弱助燃風(fēng)的影響，使火焰面分散開來，增大散熱面積，同時(shí)增強(qiáng)噴射的卷吸作用。引燃孔內(nèi)傾角度減小可以大幅減少火盆磚中心區(qū)域的燃料量，減弱火焰向中心的團(tuán)聚效果，從而降低中心區(qū)的火焰溫度。分級(jí)噴槍主火孔由1個(gè)改為2個(gè)，既能增強(qiáng)燃料噴射的卷吸能力，又能擴(kuò)大火焰面，不開設(shè)水平穩(wěn)焰孔減少了進(jìn)入中心火焰區(qū)的燃料量，進(jìn)一步降低了火焰燃燒溫度。因此，A到E型分級(jí)噴槍的改進(jìn)從火焰燃燒面、煙氣卷吸強(qiáng)度等方面降低了火焰燃燒溫度，從而抑制了NOx的產(chǎn)生。

2.3 低氮改造燃燒器熱態(tài)試驗(yàn)

為驗(yàn)證E型噴槍燃燒器的燃燒效果，在大型燃燒試驗(yàn)爐上模擬現(xiàn)場實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了2.0 MW的低NOx燃燒器進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場所用燃料進(jìn)行成分配比，模擬實(shí)際燃料狀況，試驗(yàn)燃料組分見表1。在最大及正常負(fù)荷的燃燒狀況下，考察低氮改造后的燃燒器燃燒性能，燃燒試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)見表2。

表1 燃燒器燃料成分

表2 燃燒器測試數(shù)據(jù)

由表2測試數(shù)據(jù)可知，原有燃燒器二次風(fēng)道內(nèi)增設(shè)E型分級(jí)噴槍可有效降低NOx的生成。低氮改造后煙氣中NOx含量降低至66 mg/m3，遠(yuǎn)優(yōu)于國家特別地區(qū)排放限值100 mg/m3。低氮改造后燃燒火焰如圖5所示，變負(fù)荷的過程中，燃燒器燃燒依舊十分穩(wěn)定，火焰剛度和內(nèi)聚性都較好。

圖5 低氮改造后燃燒器燃燒火焰

2.4 低氮改造工業(yè)試驗(yàn)

低氮改造技術(shù)在重整抽提裝置上進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，不停爐的情況下，逐一單臺(tái)熄滅燃燒器，在燃燒器底部依次開孔增設(shè)分級(jí)噴槍。工業(yè)試驗(yàn)中對2臺(tái)加熱爐共20臺(tái)燃燒器進(jìn)行了改造，改造完畢裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，中國石化加熱爐檢測評(píng)定中心洛陽中心站對工業(yè)應(yīng)用效果進(jìn)行了標(biāo)定測試，測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 工業(yè)試驗(yàn)前后測試數(shù)據(jù)

由表3可知，普通燃燒器在線低氮改造效果良好，改造后加熱爐產(chǎn)生的NOx大幅下降，排煙中的NOx含量由170 mg/m3降低至60 mg/m3，遠(yuǎn)低于國家目前最嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，低氮改造后，加熱爐加熱工藝未發(fā)生變化，工藝熱負(fù)荷及燃料消耗量幾乎沒有變化，綜合熱效率維持在91.1%左右，說明在線低氮改造過程不影響加熱爐的整體運(yùn)行。

在線改造技術(shù)成本低廉，僅需增加燃料分級(jí)噴槍的費(fèi)用，不用報(bào)廢和購置燃燒器，更沒有停工改造產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。適用于無停工計(jì)劃、火盆磚內(nèi)具有增設(shè)分級(jí)噴槍所需空間的特定結(jié)構(gòu)的燃燒器。

3 結(jié)論

采用分級(jí)擴(kuò)散和煙氣內(nèi)循環(huán)相結(jié)合的燃燒方式，通過優(yōu)化試驗(yàn)、熱態(tài)試驗(yàn)及工業(yè)試驗(yàn)對中國石化某分公司圓筒型燃燒器進(jìn)行了在線低氮改造的研究及應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)原有燃燒器結(jié)構(gòu)特征，通過在燃燒器二次風(fēng)道內(nèi)增設(shè)分級(jí)燃料噴槍的方式，達(dá)到了燃料分級(jí)和煙氣內(nèi)循環(huán)的效果。2）通過優(yōu)化燃燒試驗(yàn)確定了燃料噴槍的結(jié)構(gòu)型式，優(yōu)化出了燃燒特性優(yōu)良的E型分級(jí)噴槍。3）熱態(tài)試驗(yàn)表明，增設(shè)E型分級(jí)噴槍的燃燒器，燃燒火焰穩(wěn)定，燃燒效果良好，使NOx含量由改造前的210 mg/m3降低至66 mg/m3。4）工業(yè)試驗(yàn)表明，在線低氮改造技術(shù)效果良好，大幅降低了NOx含量，適用于火盆磚內(nèi)具有增設(shè)分級(jí)噴槍所需空間的特定結(jié)構(gòu)的燃燒器，技術(shù)改造成本低廉，應(yīng)用前景廣闊。