裂解爐中低氮燃燒器運(yùn)行情況及NOx排放分析

朱志成

(沈陽(yáng)石蠟化工有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110141)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí)自然環(huán)境也受到了工業(yè)污染的影響，因此保護(hù)環(huán)境迫在眉睫。此種情況下，生產(chǎn)裝置內(nèi)產(chǎn)生的污染物，需合理排放，以避免對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。乙烯裝置內(nèi)的裂解爐，NOx排放無(wú)法滿足要求，故需對(duì)其進(jìn)行改造。裂解爐低氮燃燒器改造，需要工藝和設(shè)備人員的精心操控，才能使得日常的NOx維持穩(wěn)定運(yùn)行和達(dá)標(biāo)排放[1]。

1 NOx產(chǎn)生機(jī)理以及裂解爐反應(yīng)情況

乙烯裂解爐,作為一個(gè)高溫裂解反應(yīng)爐，工作時(shí)間為50～100 d[1]。在末期階段，由于裂解原料進(jìn)行熱聚集或縮聚，在爐管中產(chǎn)生結(jié)焦問(wèn)題，此時(shí)爐管表面溫度或高于 1200 ℃，需要進(jìn)行退料或燒焦作業(yè)，再用水煤氣反應(yīng)消除爐管內(nèi)部的焦。根據(jù)爐型，每年燒焦5～9次。日常燃料組分中缺乏氮物質(zhì)，因此形成大量燃料類NOx的可能性很小。快速型NOx大多形成在火焰氣體表層，而一般的燃油氣大多為碳?xì)漕惾細(xì)猓呀鉅t氧氣體積分?jǐn)?shù)約為3%。若過(guò)剩空氣系數(shù)為1，就會(huì)形成足夠的快速型NOx。在燃燒器的燃燒過(guò)程中，內(nèi)焰高溫在 1200 ℃ 以上，熱力類NOx就會(huì)快速生成，這是裂解爐NOx快速形成的主要因素。

2 裂解爐中低氮燃燒器現(xiàn)狀

揚(yáng)子石化乙烯裝置的裂解爐在通常工作時(shí)間內(nèi)，按照裂解原材料的差異，工作循環(huán)一般在50～150 d。工作循環(huán)內(nèi)一般運(yùn)行有：發(fā)動(dòng)機(jī)加溫、投料操作、日常穩(wěn)定操作、退料燒焦和減溫停爐等多個(gè)流程[2]。在裂解爐的蓄熱燃燒器改裝后的投用過(guò)程中，出現(xiàn)了如下問(wèn)題：

首先，在裂解爐的點(diǎn)火加溫流程中，裂解爐輻射段輸出環(huán)境溫度在400～760 ℃ 熱備情況下，經(jīng)跟蹤檢測(cè)，斷裂爐煙道產(chǎn)出的NOx，排放不合格。在裂解爐燒焦階段中，經(jīng)跟蹤檢測(cè)，裂解爐煙道產(chǎn)出的NOx，排放不合格。

其次，在裂解爐的減溫停爐過(guò)程中，經(jīng)跟蹤檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)溫度在 500 ℃ 上時(shí)，裂解爐排煙管出口NOx，排放不合格，且NOx排放隨著氣溫的降低而逐步減小，在輻射段出口氣溫在 500 ℃[2]以下時(shí)，降到了 100 mg/m3以下。

最后，裂解爐在剛開(kāi)始投料運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，或裂解爐溫度調(diào)節(jié)過(guò)程中，也有NOx排放不合格的狀況。因此，在低氮燃燒器改裝后，NOx不合格大多聚集于開(kāi)停爐的階段[3]。

3 裂解爐中低氮燃燒器改造后的情況

首先，在第一次使用低氮燃燒器時(shí)，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段，由于部分?jǐn)嗔褷t的NOx排放量離 100 mg/m3警戒線較小。經(jīng)過(guò)技術(shù)人員與廠家工作人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)NOx的分布值進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)節(jié)，將NOx排放量降低在 80 mg/m3以內(nèi)，但在調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，僅對(duì)下部的低氮燃燒器調(diào)節(jié)，則爐內(nèi)火苗極易出現(xiàn)點(diǎn)燃狀態(tài)不好，甚至火苗發(fā)飄的情況，從而影響了斷裂爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)研究分析，判斷主要原因是由于側(cè)壁風(fēng)門密封性不好，導(dǎo)致氧氣濃度在局部過(guò)高，從而影響了點(diǎn)燃模式的正常調(diào)節(jié)。因此，在裂解爐第二個(gè)工作循環(huán)之前，就對(duì)其側(cè)壁的蓄熱引燃器進(jìn)行更換和調(diào)節(jié)，也就為后來(lái)其它裂解爐的低氮燃燒器改進(jìn)指明了思路。經(jīng)過(guò)多次的優(yōu)化調(diào)整，裂解爐低氮燃燒器在日常工作過(guò)程中能平穩(wěn)達(dá)標(biāo)，NOx排放正常在 80 mg/m3以下[4]。

其次，燃燒器在燒焦、降溫和升溫階段，發(fā)生了在正常氧氣體積分?jǐn)?shù)(3%，干基)的條件下NOx不合格情形。經(jīng)分析判斷出，裂解爐低氮燃燒器是在正常工作下設(shè)定的，但由于在燒焦、降溫和升溫階段，蓄熱燃燒器的工作負(fù)載僅為正常工作的10%～30%；為提高燒焦效率，對(duì)裂解爐爐管內(nèi)環(huán)境溫度要求也較日常溫度更高。又因需提高爐內(nèi)燃燒條件和溫度場(chǎng)分布，原設(shè)定的十格風(fēng)門開(kāi)度無(wú)法按照實(shí)際燃?xì)鉅顩r做出調(diào)節(jié)，致使正常氧氣體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)到3%后NOx出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。因此，為了減少鍋爐內(nèi)NOx濃度，需要對(duì)蓄熱燃燒器進(jìn)行降氮處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況，在下部燃燒器添加降氮蒸氣噴槍，對(duì)下部燃器添加降氮蒸氣。加入降氮蒸氣之后，在燒焦、降溫和升溫階段，NOx可限制在 100 mg/m3之下。在燒焦?fàn)顟B(tài)下，側(cè)壁風(fēng)窗全關(guān)后，在底部的蓄熱燃燒器中通入降氮蒸氣對(duì)NOx濃度的減少效應(yīng)尤為突出[5]。

4 NOx排放降低措施

4.1 處理裂解爐爐壁漏風(fēng)

利用低氮蓄熱燃燒器特性，恒速的燃?xì)狻⒖諝饣旌弦航?jīng)由蓄熱燃燒器進(jìn)入爐膛出口，可使燃?xì)庠跔t膛出口內(nèi)燃燒得更加均勻，從而避免了高溫的過(guò)熱點(diǎn)。按照NOx排放量公式，如果大量的空氣經(jīng)爐壁直接流入爐膛，由于煙氣內(nèi)氧氣濃度過(guò)高，就會(huì)間接地導(dǎo)致煙塵的NOx排放量超標(biāo)。采取對(duì)機(jī)爐下部、氣體對(duì)流段打上膠密封，將風(fēng)窗改為全密封風(fēng)窗等措施，可以減少熱裂解爐漏風(fēng)。

4.2 調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

加入裂解爐的煤倉(cāng)內(nèi)的空氣，一般是通過(guò)機(jī)爐上部的引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)。引風(fēng)機(jī)的輸出功率越大，爐膛負(fù)壓值越高，從外部進(jìn)入爐體的風(fēng)速也越大。在常規(guī)工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，如果給定的爐膛出口負(fù)壓，風(fēng)機(jī)可以通過(guò)設(shè)置爐膛出口負(fù)壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)速度和爐膛負(fù)壓力值成正比，引風(fēng)機(jī)的額定電流和額定速度[6]。

風(fēng)機(jī)調(diào)整過(guò)程中應(yīng)注意把總電流限制在額定電流左右，以防止電機(jī)過(guò)載，從而影響電機(jī)壽命。當(dāng)給定的爐膛負(fù)壓之后，若風(fēng)機(jī)電機(jī)電流過(guò)載，可通過(guò)適當(dāng)關(guān)閉風(fēng)門的方式來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)流量。

4.3 調(diào)整燃燒器風(fēng)門

風(fēng)機(jī)速度和燃料氣風(fēng)門的開(kāi)啟度調(diào)整，與爐膛出口負(fù)壓有直接關(guān)聯(lián)。其中，以下部風(fēng)門占有主導(dǎo)地位。當(dāng)爐膛出口負(fù)壓一定時(shí)，下部風(fēng)門開(kāi)啟度越大，則風(fēng)機(jī)速度越高，反之越低。當(dāng)排煙中CO超標(biāo)，則NOx排放量合格。當(dāng)風(fēng)機(jī)速度在較高速度情況下，一般盡可能不調(diào)整下部風(fēng)門，而可通過(guò)調(diào)整側(cè)壁風(fēng)門的開(kāi)啟度，使CO濃度降低；一旦風(fēng)機(jī)速度具有較大的上升空間，則一般可增加爐膛出口負(fù)壓來(lái)調(diào)整CO濃度。在實(shí)際工作中，當(dāng)爐膛出口負(fù)壓低于 60 Pa 時(shí)，CO質(zhì)量濃度通常可限制在0～60 mg/m3。但一旦排煙中CO濃度合格，則NOx排放量過(guò)多時(shí)，可通過(guò)適量關(guān)小下部風(fēng)門的開(kāi)度調(diào)整，以減少NOx的產(chǎn)生。與此同時(shí)，CO產(chǎn)生量會(huì)以較快速率增加，可以采用增加爐膛出口負(fù)壓和開(kāi)大側(cè)壁風(fēng)門將CO產(chǎn)生量調(diào)整一下。一旦氧濃度超標(biāo)，選擇調(diào)整側(cè)壁風(fēng)門開(kāi)度。也可以針對(duì)裂解爐運(yùn)行狀況，適時(shí)通過(guò)調(diào)整爐膛出口負(fù)壓來(lái)調(diào)控[7]。

經(jīng)摸索，爐膛出口氧氣濃度不要過(guò)低，通常情況下應(yīng)超過(guò)1%。如果氧氣濃度過(guò)低，就會(huì)導(dǎo)致CO產(chǎn)生量超標(biāo)。側(cè)燒第一個(gè)排風(fēng)門按一個(gè)風(fēng)門全開(kāi)限制，第二個(gè)排風(fēng)門按一個(gè)風(fēng)門50%以上限制，最下部風(fēng)門按30%～50%以上限制。裂解爐工作末期，側(cè)墻的蓄熱燃燒器噴嘴出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，蓮蓬頭噴出的燃料曲線有改變，會(huì)產(chǎn)生輕微冒黑煙現(xiàn)象，可合理調(diào)整第1排側(cè)墻燃燒器的二次風(fēng)門數(shù)，以降低CO的產(chǎn)生量。整個(gè)調(diào)整過(guò)程均須緩慢完成，若一次性調(diào)節(jié)完成較好，待裂解爐工作狀態(tài)平穩(wěn)后，再開(kāi)始下部?jī)?yōu)化調(diào)整，以避免因裂解爐工藝技術(shù)參數(shù)波動(dòng)較大，對(duì)產(chǎn)品帶來(lái)的負(fù)面影響[8]。

4.4 NOx生成量與煙氣過(guò)剩氧系數(shù)的關(guān)系

調(diào)節(jié)熱裂解爐過(guò)剩空氣系數(shù)，是優(yōu)化調(diào)整低氮燃燒器運(yùn)行條件的主要技術(shù)手段。煙氣內(nèi)氧含量與NOx產(chǎn)生量成正比，與CO的產(chǎn)生量成反比。在煙氣內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)低于1%時(shí)，CO產(chǎn)生量最大，同時(shí)由于內(nèi)氧含量的下降，CO產(chǎn)生量也快速增大。當(dāng)采用低氮燃燒器后，煙氣內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)小于1%時(shí)，對(duì)燃?xì)獾某浞贮c(diǎn)燃程度和氧含量敏感性都較高。在氧濃度超過(guò)1%時(shí)，CO產(chǎn)生量可以下降到 50 mg/m3以內(nèi)。而NOx的形成量隨著煙氣內(nèi)氧濃度的提高而呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，證明了能夠通過(guò)調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)氧濃度，減少NOx的形成[9]。

4.5 裂解爐負(fù)荷對(duì)NOx生成的影響

由于斷裂爐工業(yè)生產(chǎn)負(fù)擔(dān)的增加，燃?xì)庥昧恳搽S之增加，同時(shí)斷裂爐在爐膛中單位時(shí)期內(nèi)排放的熱值也將增加，對(duì)NOx的形成將直接產(chǎn)生更強(qiáng)烈的危害。而由于斷裂爐工業(yè)生產(chǎn)負(fù)擔(dān)的增加，煙塵內(nèi)NOx的生成率也隨之增加。在熱裂解爐生產(chǎn)負(fù)荷為 42 t/h 時(shí)，NOx生成量為 101 mg/m3，且煙塵排放量顯然超標(biāo)。因此，生產(chǎn)負(fù)荷改變后，應(yīng)當(dāng)適時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)入鍋爐內(nèi)的空氣濃度，以確保NOx排放量達(dá)標(biāo)。

4.6 其它

燃料氣體的成分發(fā)生變化，熱值也隨之變化，NOx的產(chǎn)生量也跟著變化。當(dāng)燃油氣內(nèi)摻入液化性氣時(shí)，隨著單位燃油熱值提高，裂解爐的NOx產(chǎn)生量也上升更加明顯。當(dāng)燃油內(nèi)摻入液化性氣運(yùn)輸后，低氮蓄熱燃煤器的優(yōu)化調(diào)整空間減小。這就證明了燃料的產(chǎn)生熱能若局部不足，就會(huì)導(dǎo)致NOx生成量大幅度上升。另外，壓縮后室內(nèi)空氣中的粉塵吸入蓄熱燃燒器的風(fēng)道中，特別是春天，由于風(fēng)道的阻塞情況嚴(yán)重，室內(nèi)空氣入量變小，容易造成燃燒器燃燒不完全，從而會(huì)影響熱裂解爐的煙氣檢測(cè)結(jié)果。所以，必須定時(shí)排查燃燒器燃燒狀況，并定時(shí)清洗和保養(yǎng)，使NOx的排放量達(dá)標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)收集各個(gè)企業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，發(fā)現(xiàn)低氮燃燒器能夠滿足裂解爐生產(chǎn)過(guò)程中NOx的排放要求。部分燃燒器的抗干擾能力較強(qiáng)，但部分裂解爐受到爐膛、熱場(chǎng)分布的影響，致使低氮燃燒器的改造存在一定的困難。而采用燒焦氣返回爐膛的技術(shù)，可以有效降低NOx排放。目前存在的主要問(wèn)題是操作較為困難，需要較多的現(xiàn)場(chǎng)操作人員配合完成，同時(shí)，SO2排放問(wèn)題尚沒(méi)有較好的解決方法。隨著環(huán)保要求越來(lái)越高，一旦NOx排放要求低于 40 mg/m3或更低,僅靠低氮燃燒器改造，可能無(wú)法滿足要求,需在裂解爐對(duì)流段增加煙氣脫硝流程。