徐 進(jìn)，王 靜

(中國石化洛陽石化公司，河南洛陽 471012)

GB31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，企業(yè)工藝加熱爐大氣污染物排放限值為：SO≤100 mg/m，NO≤150 mg/m，顆粒物≤20 mg/m；需要采取特別保護(hù)措施的地區(qū)排放限值為：SO≤50 mg/m，NO≤100 mg/m，顆粒物≤20 mg/m。某石化公司工藝加熱爐于2019年大檢修時增上CEMS監(jiān)控系統(tǒng)，并于2019年11月聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，對加熱爐煙氣排放情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，本文主要對該公司工藝加熱爐煙氣治理實(shí)踐進(jìn)行論述和探討。

1 加熱爐CEMS系統(tǒng)簡介

煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)是指對大氣污染源排放的氣態(tài)污染物和顆粒物進(jìn)行濃度和排放總量連續(xù)監(jiān)測，并將信息實(shí)時傳輸?shù)街鞴懿块T的監(jiān)測系統(tǒng)。該公司煉油三部各工藝加熱爐采用的是SCS-900煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)測量子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)等組成。

氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)(測量SO和NO)采用的是MODEL 1080-UV紫外煙氣分析儀，采用紫外差分光譜法，測量原理是Beer-Lambert定律：在吸收截面和光程長已知的情況下，通過測量入射光強(qiáng)度和出射光強(qiáng)度即可計(jì)算出對應(yīng)氣體的濃度。

顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)采用的是MODEL 2030-Ex煙塵監(jiān)測儀，測量原理是激光背散射原理(圖1)：當(dāng)光源發(fā)出的光照射到煙塵中的顆粒的時候，會發(fā)生散射現(xiàn)象，散射光的強(qiáng)度顯然與顆粒的多少即煙塵濃度有關(guān)，通過探測器接收散射光，然后根據(jù)散射光的數(shù)據(jù)可以反推出煙塵的濃度。

圖1 煙塵監(jiān)測儀系統(tǒng)原理示意

2 煙氣超標(biāo)原因分析

2.1 煙氣 SO2超標(biāo)原因分析

受反應(yīng)速度和化學(xué)平衡限制，加熱爐煙氣中SO的絕大部分是SO，SO不到SO總量的5%，通常為0.5%～2%。工藝加熱爐煙氣中的SO來源于燃料氣中含有的硫化物，降低煙氣SO排放的途徑有選用低硫燃料氣、燃料氣脫硫、燃燒過程脫硫和煙氣脫硫等，其中較為經(jīng)濟(jì)的方式為燃料氣脫硫。

燃料氣主要來源為焦化和兩套催化裝置的自產(chǎn)干氣、氣柜回收的干氣和外供天然氣。由于外供天然氣硫含量低，因此燃料氣硫含量的主要來源是脫硫后的焦化干氣、催化干氣和氣柜干氣。焦化和催化裝置干氣脫硫均采用胺法脫硫，使用濃度為35%左右的MDEA溶液吸收干氣中的HS，胺液再生時將HS釋放出來，成為硫黃回收裝置的原料。相比較于焦化/催化干氣，氣柜干氣來源于各裝置排放的低壓瓦斯，還受焦化裝置大吹氣的間歇性排放影響，日常管理中還存在安全閥起跳、裝置波動等引起的異常排放，造成氣柜干氣流量及硫化氫含量波動大。

2.2 煙氣NOX超標(biāo)原因分析

加熱爐燃燒時生成的NO中主要是NO和NO，其中90%以上是NO，NO生成的機(jī)理有3種：快速型P-NO是富烴類燃料燃燒時空氣中的N和O在火焰面內(nèi)高溫下快速生成的；熱力型T-NO是火焰面下游空氣中的N和O在高溫1 400 ℃條件下反應(yīng)生成的；燃料型F-NO是燃料中固有氮化物(如HCN、NH)在燃燒過程中發(fā)生熱分解再氧化生成NO。決定NO產(chǎn)生量的主要因素是煙氣氧含量、燃燒溫度、煙氣在高溫區(qū)的停留時間、燃料組成等。氫氣燃燒溫度高達(dá)2 166 ℃，燃料氣組成中氫含量過多時，會使火焰溫度升高，造成NO升高?？諝庵械牡紵龝r生成快速型NO和熱力型NO，可以通過控制燃燒過程減少其生成量，而控制燃燒措施最有效的手段為采用低氮燃燒器。

溶脫加熱爐和焦化加熱爐于2015年大檢修時進(jìn)行低氮燃燒器改造，滿足當(dāng)時的環(huán)保排放要求。2019年前對加熱爐NO監(jiān)測是采用人工方式，頻次為每季度一次，人工監(jiān)測誤差和加熱爐運(yùn)行波動均會影響監(jiān)測數(shù)據(jù)，對加熱爐低氮燃燒器運(yùn)行效果檢驗(yàn)有限。CEMS系統(tǒng)投用后對加熱爐煙氣排放進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)加熱爐NO排放值波動范圍超過30 mg/m。

2.3 煙氣顆粒物超標(biāo)原因分析

與燃油加熱爐相比，燃?xì)饧訜釥t由于使用較為清潔的燃料，在燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒物少，顆粒物超標(biāo)的概率很小，僅在裝置開工后第一次啟動加熱爐吹灰器時會造成顆粒物小幅波動，但也會出現(xiàn)瞬時值大于20 mg/m的情況，之后定期啟動吹灰器時對顆粒物排放值影響很小。

煙塵監(jiān)測儀光學(xué)窗口鏡片受到污染也會造成顆粒物超標(biāo)。由于煙塵監(jiān)測儀的安裝位置位于微負(fù)壓的環(huán)境中，這樣就不可避免地使得光學(xué)窗口鏡片受到來自煙氣的污染。出于保護(hù)目的，往往引入壓縮空氣，但是，壓縮空氣中的水和油又不可避免地成為第二個污染源。某裝置加熱爐曾出現(xiàn)因凈化風(fēng)帶水，造成顆粒物排放指標(biāo)大于20 mg/m的情況。

2.4 煙氣氧含量影響

根據(jù)GB31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，工藝加熱爐的實(shí)測大氣污染物排放濃度，須換算成基準(zhǔn)含氧量為3%的大氣污染物基準(zhǔn)排放濃度，并與排放限值比較，判定排放是否達(dá)標(biāo)。大氣污染物基準(zhǔn)排放濃度按照式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：

ρ

——大氣污染物基準(zhǔn)排放濃度，mg/m；

O

——干煙氣基準(zhǔn)含氧量，%；

O

——實(shí)測的干煙氣含氧量，%；

ρ

——實(shí)測大氣污染物排放濃度，mg/m。

在生產(chǎn)過程中，煙氣氧含量對加熱爐煙氣排放指標(biāo)影響很大，如2020年10月溶脫裝置加熱爐NO超標(biāo)時對各加熱爐進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)：F101爐膛氧含量為2.58%，F(xiàn)103爐膛氧含量為2.56%，F(xiàn)301爐膛氧含量為3.06%，但CEMS測量點(diǎn)處煙氣中氧含量大于4.5%(F101、F103和F301共用一套CEMS系統(tǒng)，因加熱爐看火窗、點(diǎn)火孔等部位均已封堵，故判斷為空氣預(yù)熱器系統(tǒng)存在漏風(fēng)情況)，因氧含量高引起的排放指標(biāo)折算系數(shù)為1.09倍。焦化加熱爐受裝置加工負(fù)荷影響，運(yùn)行爐室氧含量控制在3%左右，備用爐室則大于10%(量程為0～10%)，CEMS測量點(diǎn)處煙氣中氧含量為6.3%，因氧含量高引起的排放指標(biāo)折算系數(shù)為1.22倍。裝置停、開工期間，加熱爐進(jìn)行自然通風(fēng)時，CEMS測量點(diǎn)處煙氣中氧含量可高達(dá)18%～20%，很低的煙氣(SO、NO和顆粒物)排放值也會因折算系數(shù)過高而造成超標(biāo)排放。

2.5 裝置生產(chǎn)負(fù)荷及調(diào)整影響

焦化裝置加熱爐受生產(chǎn)負(fù)荷影響容易造成加熱爐煙氣排放值高。

a) 受公司加工負(fù)荷調(diào)整的影響，焦化裝置長期處于低負(fù)荷運(yùn)行，負(fù)荷率僅為52%，一爐兩室的加熱爐保持單爐室運(yùn)行。備用爐室只投用15～20個長明燈和1～2個主火嘴燃燒(該爐室共有64個長明燈和火嘴)，爐膛氧含量大于10%，造成煙氣中氧含量偏高。

b) 焦化裝置加熱爐并爐(投用兩個爐室)時，備用爐室先進(jìn)行快速降溫，引油后要迅速點(diǎn)火升溫；切爐(一個爐室停止進(jìn)油，改為進(jìn)保護(hù)氣)時，切除爐室要快速滅火降溫，并爐和切爐作業(yè)期間加熱爐熱負(fù)荷大幅變化，燃料氣和空氣配比失衡，燃燒器燃燒效果不佳，容易出現(xiàn)火嘴偏燒引起局部高溫，從而造成加熱爐煙氣NO排放值高。

3 應(yīng)對措施和建議

3.1 加強(qiáng)燃料氣系統(tǒng)管理

a) 實(shí)現(xiàn)溶劑再生裝置平穩(wěn)運(yùn)行，確保貧胺液質(zhì)量穩(wěn)定合格(溶解硫化氫≤1.5 g/L，溶劑濃度不低于35%)。

b) 確保催化和焦化裝置的干氣脫硫塔平穩(wěn)運(yùn)行，脫后干氣硫化氫含量小于20 mg/m。

c) 嚴(yán)格管理氣柜回收氣體的流量和性質(zhì)以及來源氣相的穩(wěn)定性，避免大量高含硫氣體進(jìn)入氣柜回收后，氣柜壓縮機(jī)至二催化氣柜干氣流量上升而造成氣柜干氣脫硫塔超負(fù)荷運(yùn)行。

d) 對未脫硫含硫氣直接進(jìn)入高壓瓦斯的流程進(jìn)行切斷或隔離，對不含硫氣相至高壓瓦斯管網(wǎng)的，在投用前必須先申報再排放。

e) 最大幅度降低燃料氣中的氫氣和氮?dú)夂?，如控制各類壓縮機(jī)的密封氮?dú)馀欧拧N類設(shè)備檢修時采用憋壓處理方式(即先泄壓至氣柜再充氮?dú)?，如此反?fù)直至氮?dú)庵袩N含量小于0.5%)。

3.2 優(yōu)化加熱爐運(yùn)行

a) 調(diào)整低氮燃燒器燃燒狀況，采取減緩燃燒速率、控制燃燒強(qiáng)度、降低燃燒溫度、降低氧氣分壓等措施，如焦化加熱爐按照內(nèi)焰小、外焰大，火苗高度盡量短來進(jìn)行調(diào)整，風(fēng)門開度由原來的2/3降低到1/2，以保證低氮燃燒器效果充分發(fā)揮。

b) 降低煙氣氧含量。嚴(yán)格控制加熱爐爐膛氧含量，根據(jù)NO排放情況按照3%～4%的下限進(jìn)行控制。同時降低爐膛負(fù)壓，封堵所有看火孔和點(diǎn)火孔，排查并處理加熱爐和空氣預(yù)熱器漏風(fēng)情況。

c) 適當(dāng)降低燃料氣壓力，如溶脫裝置將加熱爐主火嘴壓力由0.30 MPa降至0.21 MPa，長明燈壓力由0.4 MPa降至0.2 MPa。

3.3 優(yōu)化裝置加工負(fù)荷

a) 現(xiàn)階段要優(yōu)化催化、焦化和溶脫裝置間的渣油平衡，穩(wěn)定焦化裝置生產(chǎn)負(fù)荷，減少因負(fù)荷大幅調(diào)整而進(jìn)行的加熱爐切并爐作業(yè)，降低因此帶來的煙氣超標(biāo)風(fēng)險。

b) 隨著煉油結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目各裝置陸續(xù)投產(chǎn)，對現(xiàn)有生產(chǎn)裝置負(fù)荷的調(diào)整也會越來越大。如新建渣油加氫裝置投產(chǎn)后，焦化裝置和溶脫裝置生產(chǎn)負(fù)荷可能大大降低，會對加熱爐煙氣排放造成不可預(yù)知的風(fēng)險，需要在安排生產(chǎn)計(jì)劃時重點(diǎn)關(guān)注。同時，若渣油加氫裝置定期更換催化劑，焦化和溶脫裝置均要大負(fù)荷生產(chǎn)，也要提前考慮由此引起的CEMS排放問題。

3.4 提高煙氣超標(biāo)預(yù)警應(yīng)急響應(yīng)

設(shè)置加熱爐煙氣(SO、NO、顆粒物)排放超標(biāo)預(yù)警值，分別制定環(huán)保應(yīng)急預(yù)案并加強(qiáng)演練，出現(xiàn)異常時當(dāng)班職工第一時間排查CEMS儀表問題，及時處置異常情況，避免造成瞬時或小時均值超標(biāo)。當(dāng)煙氣各指標(biāo)達(dá)到預(yù)警值時均需要立即聯(lián)系維保單位到現(xiàn)場檢查CEMS儀表運(yùn)行情況。分別制定應(yīng)急響應(yīng)措施，若焦化加熱爐SO預(yù)警時需立即調(diào)整提高干氣脫硫塔胺液量，降低脫后干氣硫化氫含量，并要檢查再吸收塔柴油吸收劑流量是否變化，應(yīng)控制≮25 t/h，對燃料氣進(jìn)行采樣分析。當(dāng)NO超標(biāo)時則主要是降低加熱爐氧含量，檢查并確認(rèn)關(guān)小或關(guān)閉主火嘴風(fēng)門、長明燈風(fēng)門，調(diào)整加熱爐火焰，避免燃燒不完全。當(dāng)顆粒物超標(biāo)時，確認(rèn)是否進(jìn)行加熱爐吹灰操作，暫停吹灰；檢查凈化風(fēng)系統(tǒng)是否帶水，若凈化風(fēng)帶水則需要對煙塵監(jiān)測儀進(jìn)行維護(hù)，快速清理光學(xué)窗口鏡片，并對使用的凈化風(fēng)進(jìn)行脫水作業(yè)。

3.5 加強(qiáng)CEMS系統(tǒng)維護(hù)

a) 加強(qiáng)凈化風(fēng)系統(tǒng)管理。按照凈化風(fēng)露點(diǎn)溫度≤-20 ℃來進(jìn)行控制，避免因凈化風(fēng)帶水造成顆粒物超標(biāo)。

b) 加強(qiáng)日常巡檢。要求維保單位重點(diǎn)對CEMS系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)輔助設(shè)備的運(yùn)行狀況、煙氣CEMS工作狀態(tài)進(jìn)行排查，檢查各反吹管路、溫度顯示以及閥門狀態(tài)是否正常。

c) 加強(qiáng)系統(tǒng)日常保養(yǎng)。定期對CEMS系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)維護(hù)、對煙塵監(jiān)測儀光學(xué)窗口鏡片進(jìn)行清潔、對系統(tǒng)內(nèi)的過濾器及管路進(jìn)行清洗、對流量計(jì)探頭進(jìn)行腐蝕檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

d) 做好分析室空調(diào)維護(hù)，避免夏季因空調(diào)故障引起CEMS儀表間溫度過高而造成排放異常。