羅映波 張海波 王輝 文鋒

（1.岳陽(yáng)恒盛石化科技有限公司；2.中海油中捷石化有限公司）

1 概述

中海油中捷石化有限公司運(yùn)行二部60×104t/a汽油加氫脫硫裝置反應(yīng)進(jìn)料加熱爐（F-201），為輻射+對(duì)流型立管立式圓筒爐，爐底設(shè)置4臺(tái)底燒圓火焰燃?xì)馊紵?。常用的燃料氣?種：切割塔頂不凝氣；丙烷氣。采用自然通風(fēng)形式[1]，燃燒器單臺(tái)設(shè)計(jì)負(fù)荷1.185 MW。為了兼顧全廠生產(chǎn)，減少停產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失，在不停爐的情況下進(jìn)行低氮燃燒器的更新改造，目標(biāo)是使煙氣中NOx排放 濃 度 從130 mg/m3（標(biāo)況）以上降低至80 mg/m3（標(biāo)況）以下，符合GB 31570—2015達(dá)標(biāo)排放小于或等于100 mg/m3（標(biāo)況）要求。

2018年9月進(jìn)行在線改造，改造前燃燒器火焰情況，見(jiàn)圖1所示。改造時(shí)，將加熱爐負(fù)荷降低至設(shè)計(jì)負(fù)荷的70%，然后逐臺(tái)在線更換原有燃燒器。為不影響油品質(zhì)量，一般采取先穩(wěn)定操作，再關(guān)停、更換，再穩(wěn)定操作的方式，維持爐膛溫度基本恒定，確保正常開(kāi)車(chē)。在全部更換調(diào)整穩(wěn)定階段，裝置燃料氣組分變化較大，燃料氣熱值也相差加大，為此，先后對(duì)燃燒器噴嘴進(jìn)行多次調(diào)整，最終，將煙氣中的NOx排放濃度控制在60 mg/m3（標(biāo)況）以下。

2 低氮燃燒器的選型

低氮燃燒器選型、設(shè)計(jì)[2]，一般需要綜合考慮燃料物性、壓力、溫度、助燃風(fēng)溫度、含氧量、爐膛溫度、爐膛操作壓力、煙氣氧含量控制水平、燃燒器布置、火焰形狀要求等。根據(jù)工藝及環(huán)保排放的要求，此次改造所選燃燒器采用低NOx環(huán)保型燃?xì)馊紵鳎饕苫鹋璐u、筒體、長(zhǎng)明燈、環(huán)形氣包槍?zhuān)?個(gè)噴嘴）、調(diào)風(fēng)蝶閥等組成。燃燒器安裝在加熱爐爐底板，火焰向上，火焰截面形狀為圓形，低NOx燃?xì)馊紵鳌⒃O(shè)計(jì)火焰形狀見(jiàn)圖2、圖3所示。

燃燒器采用燃料分級(jí)+爐內(nèi)煙氣回流+旋流火焰等低NOx組合技術(shù)[3]，一級(jí)燃料氣旋流燃燒，在火盆磚出口端面處形成環(huán)形穩(wěn)燃火焰區(qū)域，由于二級(jí)燃料氣噴頭處于該火焰環(huán)面上，燃?xì)飧勘豢煽康募訜嶂粮邷?，再加之二?jí)燃料氣噴向火盆磚上空時(shí)，引射了大量的爐內(nèi)煙氣卷入火焰區(qū)域，有效地降低了燃料氣濃度，且由于被卷入的煙氣溫度較低，使得火焰溫度被控制，有效地抑制了煙氣中NOx的生成量，從而實(shí)現(xiàn)了燃燒煙氣的低NOx排放[4]。另外，助燃空氣被包裹在火焰中心，形成空心的火焰，火焰中心溫度較低，能有效地抑制NOx生成。

圖1 改造前燃燒器火焰

圖2 低NOx燃?xì)馊紵?/p>

圖3 設(shè)計(jì)的火焰形狀

3 現(xiàn)場(chǎng)改造

3.1 準(zhǔn)備工作

加熱爐燃燒器在線更換改造工作具有一定的危險(xiǎn)性，組織實(shí)施前一定要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并進(jìn)行充分的準(zhǔn)備。改造施工時(shí)，施工方與用戶(hù)方務(wù)必按“施工方案”要求做好相關(guān)準(zhǔn)備及應(yīng)急處理措施，以確保加熱爐平穩(wěn)操作，杜絕事故發(fā)生[5]。

施工前，對(duì)加熱爐工況進(jìn)行調(diào)整：一般使加熱爐處理量降至70%以下水平運(yùn)行，自然通風(fēng)的供風(fēng)方式。因?yàn)?，隨著改造的推進(jìn)，將有1臺(tái)待更換的燃燒器必須處于熄滅狀態(tài)，且拆除該燃燒器直至安裝新燃燒器時(shí)，開(kāi)口處會(huì)有一定時(shí)間處于漏風(fēng)狀態(tài)，這些都會(huì)影響燃燒器負(fù)荷，進(jìn)而影響爐膛溫度，限制加熱爐運(yùn)行負(fù)荷。

3.2 改造實(shí)施

實(shí)施步驟：加熱爐負(fù)荷70%、自然通風(fēng)、爐膛壓力-10～-30 Pa、煙氣氧含量控制7%～8%、解除自動(dòng)連鎖控制改為人工調(diào)整、控制模式→穩(wěn)定工況4 h以上→人員、機(jī)具、火票、滅火器、隔離線等→關(guān)停待更換燃燒器，同時(shí)調(diào)整其余3臺(tái)燃燒器負(fù)荷，確保爐膛溫度穩(wěn)定→快速拆除舊燃燒器→快速安裝新燃燒器→新燃燒器點(diǎn)火、調(diào)整，同步關(guān)停另一臺(tái)舊燃燒器，確保爐膛溫度穩(wěn)定→快速拆除舊燃燒器→快速安裝新燃燒器，直至舊燃燒器全部更換完成→所有燃燒器進(jìn)行調(diào)整→逐步提高加熱爐處理量至正常水平→煙氣檢測(cè)、分析→燃燒器調(diào)整[6]。

3.3 改造效果

第一次改造后，火焰略飄而短，火焰顏色明顯偏黃色，見(jiàn)圖4、圖5。隨機(jī)抽取其中1臺(tái)燃燒器，并拆下噴頭，發(fā)現(xiàn)在燃燒器投入運(yùn)行1 h后就有嚴(yán)重的積碳現(xiàn)象，見(jiàn)圖6。檢測(cè)煙氣中NOx含量，則由改造前的130 mg/m3（標(biāo)況）降至80～90 mg/m3（標(biāo)況），煙氣中CO含量為0，污染物排放濃度有所改善，但是，當(dāng)燃料氣切換至切割塔頂不凝氣時(shí)，煙氣中NOx仍有超過(guò)100 mg/m3（標(biāo)況）的現(xiàn)象，因此，并不能完全滿足環(huán)保要求，需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 第一次改造后火焰

圖5 第一次改造后火焰中心

圖6 改造后噴頭

表1 改造方案及優(yōu)化方案參數(shù)

4 優(yōu)化整改

4.1 技術(shù)分析

從現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)看，NOx濃度變化與燃料組分變化規(guī)律一致，其中H2組分易燃且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，?duì)于燃料氣燃燒時(shí)間影響最大，火焰偏短，燃燒較為集中，火焰區(qū)域體積熱強(qiáng)度較大，火焰溫度高，高溫型NOx產(chǎn)生未得到完全而有效抑制[7]。另外，一級(jí)燃料氣噴孔（8個(gè)?1.5 mm孔）設(shè)計(jì)負(fù)荷比例占36%，一級(jí)燃料氣旋流燃燒，在火盆磚出口端面處形成環(huán)形穩(wěn)燃火焰區(qū)域，加熱二級(jí)主燃料氣，而燃料氣中C3、C4、C5組分的自燃溫度基本都低于500℃，H2易燃且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，因此，二?jí)燃料氣被加熱后溫度過(guò)高，噴射到火盆上空與助燃空氣混合后快速燃燒，過(guò)程較短，火焰偏短[8]。

從用過(guò)不久的噴嘴就開(kāi)始有積碳現(xiàn)象分析，一級(jí)燃料氣并未充分混合燃盡，導(dǎo)致烴類(lèi)可燃物高溫分解脫碳，故而出現(xiàn)火盆磚口火焰根部火焰發(fā)黃、發(fā)亮；二級(jí)燃料氣在根部被加熱溫度過(guò)高，未及時(shí)與助燃空氣混合燃燒，故出現(xiàn)碳黑粒子，碳黑粒子未燃盡時(shí)懸浮在火焰中，具有固體表面輻射特點(diǎn)，有較強(qiáng)輻射能力，并使火焰發(fā)光[9]。

因此，優(yōu)化整改需從燃料分級(jí)及燃料噴射角度入手：一是降低一級(jí)燃料所占比例，降低二級(jí)燃料氣溫升，減緩燃燒速度；二是改變?nèi)剂蠂娚浣嵌?，使燃料分布送入時(shí)機(jī)合理，減低火焰區(qū)域燃燒強(qiáng)度；三是合理設(shè)計(jì)二級(jí)燃料氣噴射角度和噴速，引射更多的爐內(nèi)煙氣回流到火焰中心，快速冷卻火焰，降低二級(jí)燃料氣濃度，減緩燃燒速度，使火焰更長(zhǎng)，火焰散熱面加大。

4.2 噴頭優(yōu)化及效果

根據(jù)上述分析，基本確定2個(gè)優(yōu)化方案，即優(yōu)化方案A和B，改造方案及優(yōu)化方案的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，噴頭外形見(jiàn)圖7。

優(yōu)化方案A的一級(jí)和二級(jí)燃料氣噴孔及角度進(jìn)行了調(diào)整，相較于第一次改造，一級(jí)燃料氣負(fù)荷占比從36.0%將低至30.7%，二級(jí)燃料氣角度由48°改為8°，這樣降低了一級(jí)燃燒強(qiáng)度，使二級(jí)火焰根部（即環(huán)狀穩(wěn)燃區(qū)）溫度降低，而二級(jí)燃料氣通過(guò)改變角度，使得二級(jí)燃料氣被噴送入火焰區(qū)域的時(shí)間推后，燃燒過(guò)程拉長(zhǎng)。通過(guò)更換噴頭改造后，煙氣中NOx濃度降至70～90 mg/m3（標(biāo)況），燃燒火焰煙氣變藍(lán)，優(yōu)化方案A火焰中心及火焰中心見(jiàn)圖8、圖9。

優(yōu)化方案B相較于優(yōu)化方案A，一級(jí)、二級(jí)燃料氣負(fù)荷占比基本相當(dāng)，但優(yōu)化方案B的一級(jí)燃料氣噴射在火盆磚口凸臺(tái)側(cè)面后折向火盆中心，不形成環(huán)形旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)燃區(qū)域，即不對(duì)二級(jí)燃料氣根部進(jìn)行預(yù)熱。將二級(jí)燃料氣角度改為0，即相當(dāng)于二級(jí)燃料氣平行于助燃空氣豎直上升，上升過(guò)程中邊混合邊燃燒，進(jìn)一步放緩了燃燒速度，火焰較比方案A更長(zhǎng)，也更藍(lán)，優(yōu)化方案B火焰及火焰中心見(jiàn)圖10、圖11。

圖7 噴頭外形

圖8 優(yōu)化方案A火焰

圖9 優(yōu)化方案A火焰中心

圖10 優(yōu)化方案B火焰

圖11 優(yōu)化方案B火焰中心

在線更換燃燒器噴頭并進(jìn)行調(diào)整后，優(yōu)化方案B優(yōu)于方案A，從火焰顏色到火焰形狀等，都有較大的變化，煙氣NOx濃度隨燃料組分波動(dòng)而有所變化，排放濃度變化范圍在50～60 mg/m3（標(biāo)況），在線煙氣分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 在線煙氣分析數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

從改造前130 mg/m3（標(biāo)況），到改造后50～60 mg/m3（標(biāo)況），NOx減少70%～80%，實(shí)現(xiàn)了減少污染物排放的要求。另外，通過(guò)多種燃控技術(shù)的應(yīng)用及精心調(diào)節(jié)，加熱爐熱效率也有所提高，主要原因是改善燃燒混合，燃燒在較低的過(guò)?？諝庀禂?shù)下，燃料氣能充分燃燒，直至燃盡。按照一般經(jīng)驗(yàn)估算：“當(dāng)煙氣中NOx總量降低30%時(shí)，熱爐熱效率提高約可0.7%～1%”，則本次改造后，加熱爐總體效率可以有1.75%～2.5%的提高。

在低氮、超低氮燃燒器選型時(shí)，需要注意區(qū)別爐膛操作工況，并著重考慮燃料的性質(zhì)特點(diǎn)，需要區(qū)別于常見(jiàn)燃料的低NOx燃燒器設(shè)計(jì)策略，必要時(shí)，在改造完成后，再對(duì)噴孔進(jìn)行優(yōu)化，以得到最佳的環(huán)保、節(jié)能效果。