常減壓裝置加熱爐氮氧化物排放的控制與研究

陳洪超

摘要：氮氧化物（NOx）是煉油企業加熱爐通過煙氣排放的主要污染物之一。本文介紹了氮氧化物對環境的危害。分析了氮氧化物的生成機理，提出了降低加熱爐氮氧化物排放量的方法。分析了低氮燃燒技術及應用與公司當前氮氧化物排放現狀，并提出了相應的優化改進措施和建議。通過逐步優化、改造和完善，不斷探索降低氮氧化物排放的措施，使常減壓裝置加熱爐系統運行更加穩定、節能、環保。

關鍵詞：加熱爐氮氧化物低氮燃燒技術

引言：

2016年新環保法的實施，對加熱爐煙氣排放要求更加嚴格，環保已經成為當今企業生存發展的一項重要指標。“寧要青山綠水，不要金山銀山”，為了適應新常態下的發展模式，國內煉油企業對加熱爐的煙氣排放的控制勢在必行。

1、加熱爐氮氧化物排放危害

氮氧化物對人類賴以生存的環境以及人類自身的危害卻極其嚴重：一方面，氮氧化物是形成酸雨的主要因素；另一方面NOx在一定條件下可以和碳氫化合物一起形成光化學煙霧破壞大氣環境，嚴重危害人類健康，惡化人類賴以生存的環境。對于煉油企業NOx主要來源于加熱爐燃燒產生的煙氣。國家標準GB 16297—1996規定氮氧化物的排放濃度最大為240mg/m3。而常規氣體燃燒器煙氣中的NOx濃度一般在240mg/m3以上。煙氣中的氮氧化物是最難處理的大氣污染物之一，隨著國家對環保要求的日益嚴格，有效控制氮氧化物造成的大氣污染已刻不容緩。

2、NOx生成機理及控制方法

經分析表明，燃燒器排放的NOx中90%以上是NO[1]，因此，研究NOx的生成機理及抑制方法主要是針對NO的。NO生成的途徑有三種：溫度型NO（Thermal-NO，簡稱T-NO）；快速型NO（PromptNO，簡稱P-NO）；燃料型NO（Fuel-NO，簡稱F-NO）。

燃料中的氮化物在燃燒時會生成NOx。這些燃料轉化型F-NOx在燃燒過程中是很難減少其生成量的，只能通過燃料脫氮才能有效減排。但空氣中的氮燃燒時生成的快速轉化型P-NOx和熱轉化型T-NOx可以通過控制燃燒過程來減少其生成量。

T-NO是由空氣中的N2和O2在高溫下通過下列反應生成的：N2 + O2 → 2NO；2NO +O2 → 2NO2。P-NOx生成量很少，一般比T-NOx小一個數量級。T-NOx的生成主要取決于溫度、停留時間及過剩氧：高溫有利于T-NOx生成反應；在高溫區的停留時間越長，生成的T-NOx也越多；隨著過剩氧的增加，NOx濃度在外混式氣體燃燒器中將增加，在預混式燃燒器中將減少。另外，爐膛溫度、燃燒空氣溫度和燃料中的氫含量都可能影響燃燒區的溫度，從而影響T-NOx的生成量[2]。

在燃燒過程中，主要是采用各種方法，減緩燃燒速率和燃燒強度，降低燃燒區的溫度，從而減少NOx的生成。這也是各種低NOx燃燒器設計的基本理念。煙氣脫硝的措施雖然理論上可行，但是實際實施上難度很大。目前采取加設低氮燃燒器的辦法對于加熱爐的NOx排放的控制是最有效、最快捷的方法。

3、低氮燃燒技術

燃燒過程中常用的低氮燃燒技術主要包括低氧燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環、低氮燃燒器和低氮爐膛設計等。低氮燃燒是比較經濟實用的氮氧化物減排途徑，減排放率一般可以達到在 30%～60%左右[3]。

當前較先進的氣/油混合式低氮燃燒器一般采用煙氣再循環的燃燒方式，即將煙氣從爐膛出口抽取出來再次送入燃燒器，也可以與一次風或二次風混合后送入爐內，介于兩層風之間的煙氣起到隔離層的作用，之后又與空氣混合，這樣不但可降低燃燒溫度，而且也降低了氧氣濃度，進而降低了NOx的產生濃度，如果再加上煙氣外循環（從爐后抽取煙氣并通過獨立風機送入燃燒器），則可進一步降低NOx的排放。將再循環的燃氣摻入供燃燒用的空氣里，對燃油/氣鍋爐等高溫燃燒設備是一項有成效的降低NOx的方法。

表3-1為金陵石化重整裝置采用某低氮燃燒器（主要利用燃料分級技術、煙氣循環技術等）后NOx排放量對比：

4、公司當前加熱爐NOx排放現狀及優化改進措施

公司為100萬噸/年常減壓蒸餾裝置，目前煙氣排放情況均滿足現行標準，但隨著新法律法規的出臺，遼寧省2017年對NOx排放要求更加嚴格，規定氮氧化物的排放濃度最大為150mg/m3，而近期測量NOx排放情況已接近新標準排放濃度。

目前公司常減壓裝置加熱爐采用的為RC4高效節能燃燒器，采用三級配風形式，屬于空氣分級低氮燃燒器。但相對于當前較先進的低氮燃燒技術有一定的差距。同時隨著加熱爐運行時間的增加，設備腐蝕、漏風情況也對NOx的產生量有一定的影響。而在實際運行過程中，加熱爐氧含量的控制也會對NOx的產生量有較大影響。

因此控制加熱爐NOx的產生量可以從以下幾點考慮：1）精心操作，確保爐膛溫度均勻，防止局部過熱和管內結垢，保證爐管正常傳熱能力。2）調好“三門一板”，在保證燃燒的前提下，盡量降低入爐空氣量。3）消除漏風點，將停用的火嘴和看火口、人孔、采樣口全部封堵，防止爐體不嚴、漏風量多。4）定時吹灰，停工檢修及時清掃爐管表面積垢，提高爐管傳熱能力。5）加強加熱爐的技術管理，提高員工操作水平，定期開展煙氣監測。6）選擇新型低氮燃燒器。

5、結論

隨著2016年新環保法的實施，對加熱爐氮氧化物排放的控制也是生產中必不可少的一部分。對氮氧化物排放也要通過逐步優化、改造和完善，不斷探索降低氮氧化物排放的措施。

參考文獻：

[1]錢家麟主編.管式加熱爐.北京：中國石化出版社，2003。

[2]唐孟海，胡兆靈編.常減壓蒸餾裝置技術問答.北京：中國石化出版社，2003。

[3]中國石油和石化工程研究會編著.煉油設備工程師手冊.北京：中國石化出版社.2009。