USC-48U型裂解爐燃燒器改造

杜楠

（中國(guó)石油大慶石化分公司，黑龍江 大慶 163714）

在裂解爐中，燃燒器是十分重要的組成。燃燒器內(nèi)燃料的燃燒提供了裂解爐工作需要的熱量。裂解爐的性能會(huì)因不同配置、性能和形勢(shì)的燃燒器而有所不同。要想保證裂解爐長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，就必須保障燃燒器優(yōu)異性能。隨著環(huán)保意識(shí)的提升，在裂解爐逐步大型化的趨勢(shì)下，對(duì)燃燒器的NOx排放、火焰形狀、火焰長(zhǎng)度以及爐內(nèi)熱量分布等性能提出了更高要求。

中國(guó)石油大慶石化公司裂解一套乙烯裝置采用美國(guó)斯通-韋伯斯特公司專(zhuān)利技術(shù)USC-48U型裂解爐，由于該技術(shù)較早，為了節(jié)能降耗，2010年對(duì)裂解爐進(jìn)行對(duì)流段進(jìn)行了改造，原設(shè)計(jì)側(cè)壁火嘴占熱負(fù)荷70%，共計(jì)6排火嘴，底部燒嘴占熱負(fù)荷30%，改造后取消了側(cè)壁的第一排和第六排火嘴。煙氣指標(biāo)為100～120mg/Nm3，裂解爐升降溫、燒焦等工況時(shí)煙氣指標(biāo)會(huì)更高。2015年4月16日國(guó)家環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合頒布《石油化工工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB31571-2015），標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定現(xiàn)有企業(yè)自2017年7月1日起，其水污染物和大氣污染物排放控制按本標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行，其中對(duì)大于14MW的工藝加熱爐必須滿(mǎn)足煙氣中環(huán)保指標(biāo)中NOx數(shù)據(jù)為小于150mg/Nm3，爐膛溫度大于850℃的工藝加熱爐執(zhí)行NOx數(shù)據(jù)為小于180mg/m3。但是，針對(duì)特別重點(diǎn)地區(qū)，煙氣指標(biāo)中NOx數(shù)據(jù)為小于100mg/Nm3。對(duì)此，利用2018年裂解裝置大檢修機(jī)會(huì)，對(duì)其中一臺(tái)USC-48U型裂解爐進(jìn)行燃燒器改造，更換側(cè)壁及底部燃燒器及配套火嘴磚。

1 NOx生成與抑制機(jī)理

經(jīng)分析表明，燃燒器排放的NOx中90%以上是NO，研究NOx的生成機(jī)理及抑制方法主要是針對(duì)NO的。NO生成的途徑有三種：溫度型NO；快速型NO；燃料型NO；高溫區(qū)域內(nèi)煙氣停留時(shí)長(zhǎng)、燃燒溫度以及煙氣內(nèi)氧含量直接決定了NO生成量：相同溫度時(shí)間越短生成NO越多，相同時(shí)間溫度越高，生成NO越多，由于NO生成反應(yīng)所需要的活化能高于可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)，故NO生成速度不燃燒反應(yīng)慢，因此，在火焰面內(nèi)不會(huì)大量生成NO。NOx大量生成時(shí)在火焰下游側(cè)，特別是在火焰面下游側(cè)局部高溫。局部氧濃度大及煙氣停留時(shí)間長(zhǎng)的那些區(qū)域。這些區(qū)域?qū)刂芅O生成時(shí)至關(guān)重要的。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)采用多種低NOx燃燒器，其抑制原理都是采用促進(jìn)混合、分割火焰、煙氣循環(huán)、分段燃燒以及他們的組合形式。

2 新型燃燒器技術(shù)改造結(jié)構(gòu)及原理

新型底部燃燒器（如圖1）的燃燒方式為擴(kuò)散型，應(yīng)用了底部區(qū)域氣動(dòng)駐渦燃燒技術(shù)、煙氣爐內(nèi)回流循環(huán)技術(shù)以及尾緣燃?xì)夥旨?jí)等技術(shù)。通過(guò)燃燒器高溫?zé)煔馍淞鳉鈩?dòng)卷吸爐膛煙氣。此外，燃燒器尾部火焰與燒嘴磚相遇會(huì)出現(xiàn)鈍體負(fù)壓區(qū)，在負(fù)壓作用下，吸入爐膛煙氣，在噴嘴燃料氣引射摻混作用下，使燃料氣分級(jí)燃燒效果得到提升，使熱力NOx的生成大幅降低。在助燃風(fēng)、煙氣以及燃料的相互摻混下，實(shí)際燃燒的火焰溫度比理論值更低，也減緩了燃燒速度，加長(zhǎng)了燃燒過(guò)程，同時(shí)，爐膛輻射換熱也會(huì)是火焰溫度更低。以此降低火焰峰值溫度，從而使產(chǎn)生的NOx減少。此外，在貧氧情況時(shí)，甲烷燃燒過(guò)程中生成的中間產(chǎn)物包括碳?xì)淞Ｗ拥龋瑹煔鈨?nèi)的NOx在這種還原氣氛中會(huì)被還原，生成O2和N2，以此減少了NOx排放。從裂解爐的實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)尾緣燃燒射流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，新型尾部結(jié)構(gòu)能與爐膛壁面產(chǎn)生壁面效應(yīng)，使?fàn)t膛煙氣內(nèi)循環(huán)加強(qiáng)，形成裂解爐爐膛底部區(qū)域的駐渦燃燒。與老式火嘴比較，增加了燒嘴個(gè)數(shù)，相當(dāng)于強(qiáng)化了分割火焰，與煙氣循環(huán)。老式側(cè)壁燃燒器如圖2。

圖1 新式底部燃燒器

圖2 老式側(cè)壁燃燒器

圖3 新式側(cè)壁燃燒器

新型側(cè)壁燃燒器（如圖3）的燃燒方式為擴(kuò)散型，通過(guò)超多層助燃風(fēng)分級(jí)精確控制設(shè)計(jì)對(duì)燃燒進(jìn)度進(jìn)行有效控制，使燃燒速度降低，火焰燃燒過(guò)程延長(zhǎng)，在輻射換熱作用下降低火焰峰值溫度，使燃燒過(guò)程中出現(xiàn)的NOx明顯減少。部分燃料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取先還原后燃燒的方式，借助于燃料中的甲烷，煙氣可在還原氣氛中實(shí)現(xiàn)NOx的部分還原，生成O2和N2，以此減少了NOx排放，徹底改變了老式側(cè)壁火嘴的預(yù)混燃燒形式，同時(shí)，高速射流的燃?xì)夂桶腩A(yù)混火焰可以卷吸爐膛內(nèi)大量煙氣，形成煙氣回流，進(jìn)一步降低NOx生成。老式側(cè)壁燃燒器如圖4。

3 實(shí)際應(yīng)用及測(cè)試情況

更換完低氮燃燒器后，進(jìn)行投料運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定。將投料量提至滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排放檢測(cè)，NOx排放值降低到85mg/Nm3以下，燃燒狀態(tài)良好，爐內(nèi)熱場(chǎng)分布均勻，運(yùn)行工藝參數(shù)和未改造前基本一致，氧量4%，NOx39ppm，NOx排放折算值84.6mg/Nm3，基本達(dá)到預(yù)期，真實(shí)地反映出新型燃燒器的技術(shù)水平。使用新型燃燒器底部燃燒器的熱負(fù)荷占全爐的60%，比老式燃燒器有所提高。燃燒器的所有部件均無(wú)損壞，更換便利，同時(shí)，燃燒器燒嘴使用壽命增加至3年，降低了更換頻率，降低維護(hù)費(fèi)用。

圖4 老式側(cè)壁燃燒器

4 結(jié)語(yǔ)

本次USC-48U型裂解爐燃燒器改造達(dá)到降低NOx排放預(yù)期目的，為裂解爐的優(yōu)化前進(jìn)一步，但是，裂解爐的優(yōu)化是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程，隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)會(huì)運(yùn)用到裂解爐的優(yōu)化改造中，但是，“綠色”優(yōu)化除了切實(shí)有效的設(shè)備改造之外，更重要的是根據(jù)實(shí)際情況真對(duì)裂解爐的不同工況優(yōu)化操作、精細(xì)管理，才能達(dá)到節(jié)能降耗，提高裂解爐的熱效率，才能給企業(yè)帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。