摘 要 NOx是造成大气污染的主要污染物之一,危害着人身健康和大气环境,工业加热炉烟气排放量巨大,烟气中NOx的排放指标达标是企业必须遵守的法律规范,是我们燃烧技术控制和钻研的重点。通过NOx生成机理,采用先进、环保、节能的低氮燃烧器仍是我们降低炼厂加热炉NOx排放的主要手段[1]。针对中韩石化S Zorb装置加热炉F101烟气偶尔出现排放异常情况进行原因分析,并及时调整。本文通过S Zorb加热炉燃烧器选型、改造及操作情况进行介绍、分析,找出烟气NOx超标的原因并进行调整,确保加热炉运行安全、环保、节能。
关键词 S Zorb NOx 燃烧器 加热炉 瓦斯
中图分类号:X74 文献标识码:A 文章编号:1007-0745(2021)11-0004-03
1 S Zorb装置加热炉运行概况
中韩(武汉)石油化工有限公司(简称中韩石化)S Zorb催化汽油吸附脱硫装置(简称S Zorb装置)设计处理量150万吨/年,采用康菲(ConocoPhillips)S Zorb脱硫专利技术包,于2016年建成投产。装置主要有进料与脱硫反应、吸附剂再生、吸附剂循环和产品稳定四个生产单元,进料与脱硫反应单元设置进料反应加热炉1座,工艺位号为F101,用于加热混氢汽油后进入加氢反应器。
F101设计热负荷7.9MW,炉型为对流+辐射立管立式圆筒炉,配套烟气余热回收系统,设置强制通风与自然通风。加热炉设计8台底烧圆火焰低氮气体燃烧器,单台功率2.0MW,燃料为炼油装置系统瓦斯+稳定塔回流罐气相部分,主要成分见表1。
F101设计炉膛温度659℃,新建装置设计时烟气排放要求:NOx<100mg/Nm3,CO<40ppm。
加热炉燃烧器选用某公司第二代低氮燃烧器,单台功率2.0MW,采用分级燃烧+烟气回流组合技术结构,一级气枪与二级气枪的燃料比例为20:80,不带比例调节,主要通过一级中心枪富氧燃烧降低中心枪火焰温度、二级外围气枪的贫氧燃烧和烟气回流降低火焰温度来控制NOx生成。正常运行NOx排放在65~90mg/Nm3,符合2015年7月国家颁布《石油炼制工业污染物排放标准》(GB31570-2015)的新环保要求。
随着中石化持续深化NOx减排工作,烟气NOx的排放指标近几年逐步调整。2020年9月,中石化制定《臭氧污染防治专项行动方案》,对重点企业、重点区域NOx排放浓度制定了控制目标,中韩石化列为重点企业范围,NOx排放浓度指标为60mg/Nm3。排放指标的调整给我们加热炉及锅炉的燃烧控制带来更高的要求,推进燃烧器设计制造不断更新换代。
2020年大修期间,由于S Zorb加热炉F101排放NOx浓度不满足新要求,我们针对8台燃烧器进行了更新,选用某公司设计制造的低氮燃烧器,采用分级燃烧+浓淡燃烧技术组合结构,内外气枪采用45:55的燃料比例,且带比例调节阀组,设计指标为烟气NOx排放指标≯60 mg/Nm3。
2 低氮燃烧器简介
2.1 氮氧化物产生机理
此文章仅考虑燃烧产生的氮氧化物,燃烧过程中所产生的氮的氧化物主要为一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2),一般把这两种氮的氧化物称为氮氧化物(NOx)。引用大量实验结果,燃烧时产生的NOx主要为NO,平均约占95%,而NO2占5%左右。[2]
化学反应为:N2+O2→NO,NO+O2→NO2
燃烧时NOx的生成机理通常有三种:
1.瞬发型,指在低温、富燃料条件下,燃料较短停留在火焰时,N2氧化成NO,化学反应为CH+N2→HCN+N,N+O→NO。
2.燃料转化型,燃料中的含氮元素物质(NH3、HCN等)燃烧时氧化生成。
3.热力型,指参与燃烧空气中的N2在高温下与O2反应生成NOx。热力型NOx是炼厂加热炉产生NOx主要机理。[3]
热力型NOx的生成量和燃烧温度高低有关,在温度足够高时,热力型NOx的生成量可占到NOx总量的90%,随着反应温度的升高,其反应速率按指数规律增加。根据实验数据,1500K(约1300℃)为热力型NOx急剧增加的温度起点,温度每增加100℃,NOx反应速率增大10倍以上。
工业上通过改进燃烧技术,通常采用的方法为分级燃烧、贫氧燃烧、浓淡燃烧和烟气循环等。通过降低氧含量、加大烟气回流,降低火焰温度来减少NOx的形成和排放,以上方法均基于热力型NOx机理。
炼化企业所用加热炉或者锅炉,均由风机将大气空气送入炉膛进行燃烧,燃气型燃烧器燃料多采用炼厂自产干气,主要以含H2、C1~C5烃类为主,所以,控制氮氧化物的生成,主要还是从燃烧器入手,通过控制火焰燃烧的温度,使其在较低温度下进行燃烧,减少氮氧化物的产生。
2.2 中韩石化低氮燃烧器使用情况
按照《石油炼制工业污染物排放标准》(GB31570-2015)的要求,中韩石化对全厂加热炉进行了低氮燃烧器的改造。共计更换瓦斯枪200套、更换燃烧器124台。
改造后,2017年下半年全厂加热炉SO2均值为7mg/Nm3,NOx均值为67mg/Nm3,烟尘均值为6.8mg/l,部分加氢装置加热炉烟气CO超过100ppm,经过运行發现,改低氮后火嘴堵塞和CO的排放超标是比较突出的问题。
3 F101运行问题及原因分析
3.1 第一个运行周期
新装置于2016年建成投产,F101运行正常,但外排烟气NOx处于65~90mg/Nm3波动,存在部分时段数据超标的情况。通过现场仔细观察发现,现场燃烧器共计点火4个燃烧器,燃烧器的火焰发散,外围二级瓦斯气枪基本处于未点燃状态,与设计有差别,中心一级气枪无法点燃二级枪。