燃氣加熱爐低氮燃燒器的應用實踐

華靜宇 張瑞黎 張玉慧

(1.中國石化中原油田分公司；2.北京化工大學)

0 引 言

近年來，隨著國家環保法律法規的密集出臺，環保標準愈加嚴格，對排放廢水、廢氣污染物的企業提出了越來越高的要求。尤其是納入“2+26”大氣污染傳輸通道城市的企業，面臨的形勢更加嚴峻。

1 油田現狀

1.1 執行標準情況

油田現有加熱爐均燃燒天然氣，2018年以前，加熱爐廢氣執行GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》表1標準。2018年環保部頒發了《關于京津冀大氣污染傳輸通道城市執行大氣污染物特別排放限值的公告》(2018年 第9號)，2018年10月1日起，按照GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》表3的特別排放限值執行。2018年底，生態環境部印發《京津冀及周邊地區2018—2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》，要求“加快推進燃氣鍋爐低氮改造，原則上改造后NOX排放濃度不高于50 mg/m3?！?/p>

表1 近年來執行標準情況 mg/m3

1.2 加熱爐情況

為確?！?+26”大氣污染傳輸通道區域加熱爐廢氣中NOX排放符合國家環保要求，油田選擇5臺加熱爐作為試點，安裝了低氮燃燒器。油田加熱爐大多是開發初期投用的加熱爐，部分加熱爐在后期經過工藝改造，但是改造主要集中于加熱狀況和使用的便利性，未改變加熱狀態，目前存在的問題主要是：

1)加熱爐采取人工點火方式，使用鋼板遮住風門，導致密閉性不好；燃燒狀態主要通過觀測孔觀察，進而手動調節進氣量和風量，進入的風量和氣量比例處于未知狀態。經監測，外排煙氣含氧量高，最高可達 18%左右，這也是NOX折算濃度較高的原因之一。

2)按照熱力型NOX的產生機理，一般火焰溫度在900～1 200℃時，NOX迅速生成，占主導地位。使用紅外測溫儀監測，加熱爐火焰溫度一般在640～700℃左右，雖然未達到快速生成階段，但是熱力型NOX仍會生成[1]。

3)快速型NOX主要是含氮燃料在低溫火焰中，由于含碳自由基的存在而產生的[2]，本項目加熱爐燃料為油田伴生天然氣，其N元素含量極低，具體成分見表2。

由表2可看出，油田使用的天然氣含N量極低，因此，排除燃燒過程中因燃料選擇而產生NOX排放濃度高。

綜上所述，加熱爐主要存在密封性不好、含氧量高、無計量等問題，這些因素對于加熱爐廢氣中NOX的監測結果影響很大，最主要的是影響廢氣中的氧含量，氧含量高是導致NOX折算濃度高的主要原因之一；其次是熱力型NOX，雖然未達到快速生成溫度階段，但是熱力型NOX仍占主導。

表2 油田伴生氣主要組成分析 %

2 低氮燃燒器

2.1 低氮燃燒器的種類

根據降低NOX的燃燒技術，低NOX燃燒器大致分為階段燃燒器、自身再循環燃燒器、濃淡型燃燒器、分割火焰型燃燒器、混合促進型燃燒器、低NOX預燃室燃燒器等[3-5]。

2.2 低氮燃燒器的選擇

油田加熱爐以伴生氣及凈化天然氣為燃料，燃氣中元素氮含量很少，因此，煙氣中基本上燃料型NOX較少，以熱力型NOX為主。減少煙氣中熱力型NOX排放的主要方法有：一是根據加熱爐膛形狀和尺寸選擇合適的燃燒器，使燃燒器火焰形狀、尺寸與爐膛匹配，既要避免爐膛溫度過高，也要保持爐膛有足夠的熱強度，以保證加熱爐出力達到設計能力。二是把燃燒器配風由單級變成分段多級配風，人為造成低氧/缺氧/過氧燃燒，燃氣的燃燒過程包含不充分燃燒、還原燃燒、充分燃燒三個過程，在保證燃氣完全燃燒的前提下，火焰中心溫度始終控制在合理范圍，避免出現火焰中心溫度過高造成NOX大量產生。三是在燃燒器配風中摻入部分煙氣降低助燃空氣中的氧含量，實現貧氧燃燒，同時也降低了爐膛溫度，達到降低煙氣中NOX含量的目的。四是增加煙氣外循環，即在配風中摻混一定比例的(一般小于20%)煙氣實現低氧燃燒，進一步降低火焰強度。由于煙氣外循環會降低燃燒器出力，因此低氮燃燒器功率需要比普通燃燒器功率大20%才能保證原有熱功率不變[6-7]。本次試點選擇的低氮燃燒器見圖1。

2.3 自動控制系統

自動控制系統由箱體、可編程控制器及各種傳感器、變送器等組成，除完成加熱爐點火、火焰檢測、風量調節及安全保護外，還可以對爐體壓力、溫度、液位監測，實現對爐體運行情況連續監測，發現爐體壓力、溫度、液位超差時報警，超過上限值時停爐。此外，控制系統還對盤管出口溫度進行檢測和控制，保證加熱原油溫度在滿足生產需要的同時，避免過度加熱而浪費能源?？刂葡到y還可以加裝煙氣氧量控制模塊對煙氣中氧含量進行連續檢測，根據煙氣中的氧含量控制燃燒器配風量，保證燃燒系統的過剩空氣系數維持在最佳范圍，全面提高加熱爐效率。

3 實施效果

項目實施后，對5臺加熱爐煙氣進行了采樣監測，監測結果見表3。

從表3可看出，通過對加熱爐安裝低氮燃燒器，NOX監測濃度大大降低，不僅可以滿足GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》表3特別排放限值150 mg/m3的要求，還可以滿足《京津冀及周邊地區2018—2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》提出的50 mg/m3的要求。

安裝低氮燃燒器前后氧含量、NOX濃度曲線分別見圖2、圖3。從圖2、3可看出，通過自動化技術對進燃料氣量、空氣量以及煙氣量等參數的調節，空氣過剩系數大幅降低。安裝低氮燃燒器前過量空氣系數較大，基本在10%～18.5%，NOX的排放濃度較高，一般為110～170 mg/m3；過剩空氣系數大幅降低，控制在6%～8.5%，NOX的排放濃度也大幅降低，基本控制在40～50 mg/m3，符合新標準的要求。

表3 5臺加熱爐安裝低氮燃燒器前后監測結果對比

圖2 安裝低氮燃燒器前后氧含量變化曲線

圖3 安裝低氮燃燒器前后NOX濃度變化曲線

4 結 論

1)針對油田以伴生天然氣為燃料的加熱爐，此低氮燃燒技術應用效果達到了基本要求，廢氣中NOX的排放滿足《京津冀及周邊地區2018—2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》中“加快推進燃氣鍋爐低氮改造，原則上改造后NOX排放濃度不高于50 mg/m3”的要求。

2)低氮燃燒技術與自動化技術結合，實現了對爐體運行情況連續監測，保證供熱量滿足生產需要的同時，避免過度加熱帶來的能源浪費。