普通燃燒器在線低氮改造技術研究及應用

李玖重

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

加熱爐燃燒產生的NOx是常見的大氣污染物之一。《石油煉制工業污染物排放標準》GB31570－2015[1]規定，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），特別地區排放值不大于100 mg/m3。

煉化企業加熱爐常規燃燒器NOx排放大都在150 mg/m3以上，已不能滿足日趨嚴格的排放標準[2]。在新的環保法規下，煉化企業相繼進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濟損失，一是加熱爐停工造成的經濟損失；二是燃燒器報廢和購置所產生的花費。為了避免加熱爐停工低氮改造帶來的經濟損失，針對中國石化某分公司圓筒型底燒燃燒器進行了在線低氮改造技術的研究，開發了一種充分利用原有燃燒器、在不停爐的情況下進行的低氮改造技術。

1 低氮燃燒機理

目前煉化企業加熱爐燃料以氣體燃料為主，其中氮含量很低，燃燒產生的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數量級。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的產生[4]。

目前，國內外低氮燃燒技術大多采用分級擴散和煙氣內循環相結合的燃燒方式，其燃燒機理如圖1所示。低氮燃燒器的耐火磚上開設有煙氣回流孔，耐火磚外圍設有多支分級燃料噴槍，分級燃料噴槍噴頭設有兩級噴孔，一級燃料和卷吸的煙氣沿一級噴孔噴入火盆磚內形成一級燃燒區，二級燃料和卷吸的煙氣沿火盆磚上沿噴入形成二級燃燒區。燃燒空氣一次通入燃燒器，一級燃燒區屬于非化學當量燃燒，并卷吸部分煙氣回流，二級燃燒區由多只分級噴槍形成一個擴大的火焰面，增大散熱面積，同時卷吸大量煙氣進入燃燒區，盡可能使燃燒溫度降低，抑制NOx的產生[5]。

圖1 低氮燃燒技術機理

2 在線低氮改造技術

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

2.1 燃燒器結構改造

中國石化某分公司原使用的燃燒器為圓筒型底燒燃燒器，助燃風分兩級進入燃燒器。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，在二次風道內增設4只分級燃料噴槍，分級燃料噴槍伸出火盆磚外，燃料高速噴出卷吸煙氣回流，助燃風由一次風道全部通入燃燒器，一次風道內形成一個非當量比的燃燒，以降低火焰溫度，減少NOx的產生。低氮改造技術的關鍵在于確定分級噴槍的型式、燃料占比、噴射角度及安裝高度等參數[6]。

2.2 分級噴槍優化試驗

為了確定燃料分級噴槍的結構型式，在爐體外形尺寸為4 m×6 m×6 m的大型燃燒試驗爐上進行分級噴槍的優化試驗。

2.2.1 噴槍噴頭型式

試驗設計了與原有燃燒器結構相同的燃燒器進行優化試驗，通過在二次風道內更換不同型式的噴槍，探索噴頭型式、噴射角度、燃料占比等參數對NOx生成的影響規律，從中優化出結構較佳的噴槍型式。對5大類噴槍噴頭進行了燃燒試驗，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 分級噴槍噴頭型式

2.2.2 噴槍優化試驗分析

在5大類噴頭型式下設計了十種不同結構的噴槍，在相同工況下對各種型式噴槍進行燃燒試驗。圖4為噴槍的型式與煙氣中NOx含量的關系。

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

圖4 噴槍型式與NOx含量的關系

從A型到E型分級噴槍的改進優化過程中，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傾改為外傾，數量由1個改為2個，引燃孔內傾角度減小，噴頭不再開設穩焰孔。分級噴槍位于火盆磚內，內傾噴孔噴射的燃料易受到助燃風的影響，使卷吸作用減弱，噴射角度由內傾改為外傾可以減弱助燃風的影響，使火焰面分散開來，增大散熱面積，同時增強噴射的卷吸作用。引燃孔內傾角度減小可以大幅減少火盆磚中心區域的燃料量，減弱火焰向中心的團聚效果，從而降低中心區的火焰溫度。分級噴槍主火孔由1個改為2個，既能增強燃料噴射的卷吸能力，又能擴大火焰面，不開設水平穩焰孔減少了進入中心火焰區的燃料量，進一步降低了火焰燃燒溫度。因此，A到E型分級噴槍的改進從火焰燃燒面、煙氣卷吸強度等方面降低了火焰燃燒溫度，從而抑制了NOx的產生。

2.3 低氮改造燃燒器熱態試驗

為驗證E型噴槍燃燒器的燃燒效果，在大型燃燒試驗爐上模擬現場實際工況，設計了2.0 MW的低NOx燃燒器進行燃燒試驗。根據現場所用燃料進行成分配比，模擬實際燃料狀況，試驗燃料組分見表1。在最大及正常負荷的燃燒狀況下，考察低氮改造后的燃燒器燃燒性能，燃燒試驗測試數據見表2。

表1 燃燒器燃料成分

表2 燃燒器測試數據

由表2測試數據可知，原有燃燒器二次風道內增設E型分級噴槍可有效降低NOx的生成。低氮改造后煙氣中NOx含量降低至66 mg/m3，遠優于國家特別地區排放限值100 mg/m3。低氮改造后燃燒火焰如圖5所示，變負荷的過程中，燃燒器燃燒依舊十分穩定，火焰剛度和內聚性都較好。

圖5 低氮改造后燃燒器燃燒火焰

2.4 低氮改造工業試驗

低氮改造技術在重整抽提裝置上進行工業試驗，不停爐的情況下，逐一單臺熄滅燃燒器，在燃燒器底部依次開孔增設分級噴槍。工業試驗中對2臺加熱爐共20臺燃燒器進行了改造，改造完畢裝置穩定運行后，中國石化加熱爐檢測評定中心洛陽中心站對工業應用效果進行了標定測試，測試數據見表3。

表3 工業試驗前后測試數據

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，遠低于國家目前最嚴排放標準。同時，低氮改造后，加熱爐加熱工藝未發生變化，工藝熱負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行。

在線改造技術成本低廉，僅需增加燃料分級噴槍的費用，不用報廢和購置燃燒器，更沒有停工改造產生的經濟損失。適用于無停工計劃、火盆磚內具有增設分級噴槍所需空間的特定結構的燃燒器。

3 結論

采用分級擴散和煙氣內循環相結合的燃燒方式，通過優化試驗、熱態試驗及工業試驗對中國石化某分公司圓筒型燃燒器進行了在線低氮改造的研究及應用，得出以下結論：

1）根據原有燃燒器結構特征，通過在燃燒器二次風道內增設分級燃料噴槍的方式，達到了燃料分級和煙氣內循環的效果。2）通過優化燃燒試驗確定了燃料噴槍的結構型式，優化出了燃燒特性優良的E型分級噴槍。3）熱態試驗表明，增設E型分級噴槍的燃燒器，燃燒火焰穩定，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）工業試驗表明，在線低氮改造技術效果良好，大幅降低了NOx含量，適用于火盆磚內具有增設分級噴槍所需空間的特定結構的燃燒器，技術改造成本低廉，應用前景廣闊。