李廣生

(中國昆侖工程有限公司 北京 100037)

0 引言

油田和長輸管線加熱爐是用火焰加熱原油、天然氣、水及其混合物等介質(zhì)的專用設(shè)備。從油井的井口加熱到成品油的輸送等所有的油田地面工程中，油田加熱爐都在其中發(fā)揮著非常重要的作用[1]。目前，國內(nèi)油、氣田和長輸管道中使用的加熱爐有數(shù)萬臺，是油、氣生產(chǎn)和輸送中的主要耗能設(shè)備。

北京市2015年發(fā)布了《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/39—2015)，標(biāo)準(zhǔn)中要求2017年4月1日后新建燃?xì)忮仩tNOx煙氣排放的質(zhì)量濃度限值為30 mg/m3。隨著我國鍋爐的環(huán)保壓力越來越大，各大城市紛紛對標(biāo)北京市，將NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的限值提高至30～50 mg/m3(標(biāo)態(tài))[2]。

某油田場站內(nèi)有7臺加熱爐。根據(jù)監(jiān)測，煙氣中NOx平均質(zhì)量濃度為63 mg/m3。以下通過低氮燃燒改造，使煙氣NOx質(zhì)量濃度≤30 mg/m3，以滿足地方環(huán)保要求。

本次低氮改造的加熱爐清單見表1。

表1 加熱爐清單

1 工藝選擇

1.1 脫硝工藝概述

對于NOx的控制方法主要有3種：①燃料脫硝；②改進(jìn)燃燒方式和生產(chǎn)工藝；③煙氣脫硝[3]。

燃料脫硝，即對燃料進(jìn)行處理，脫除燃料氮。

燃燒過程中對NOx的控制是通過對運(yùn)行方式和燃燒過程的控制來抑制NOx的生成。低氮燃燒技術(shù)主要有低氮燃燒器、空氣分級燃燒和煙氣再循環(huán)等。

煙氣脫硝技術(shù)主要有吸收法、吸附法、等離子體法、微生物法、選擇性催化還原法(SCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)等[4]。

1.2 工藝比選

天然氣基本不含固定氮，因此不需要燃料脫硝。

SCR是在催化劑作用下，還原劑與NOx反應(yīng)生成N2和H2O[5]。SCR催化劑的低溫活性受到H2O的影響，煙氣中H2O的含量越高，脫硝效率降低的程度越大。

SNCR還原劑噴入?yún)^(qū)域溫度要求800～1 000 ℃，其脫硝效率一般為30%～50%。油田加熱爐爐膛出口煙氣溫度在800 ℃左右，此溫度下SNCR脫硝效率很低，不能滿足NOx排放指標(biāo)要求。

因此，燃?xì)庥吞锛訜釥t低氮改造方案僅在低氮燃燒和SCR 2種技術(shù)中進(jìn)行詳細(xì)比選。

1.2.1 低氮燃燒技術(shù)對比

采用低氮燃燒技術(shù)降低NOx生成量的途徑有2種：一是降低火焰溫度，防止局部高溫；二是降低氧濃度，使燃料在低氧的條件下燃燒。

目前，加熱爐低氮燃燒技術(shù)主要分為分級燃燒+煙氣外部再循環(huán)(FGR)技術(shù)、分級燃燒+煙氣內(nèi)部再循環(huán)(FIR)技術(shù)和全預(yù)混燃燒技術(shù)。下面對這幾種加熱爐低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行分析對比，詳見表2。

表2 幾種典型低氮燃燒技術(shù)對比

經(jīng)過對比，本次加熱爐低氮燃燒改造采用煙氣再循環(huán)技術(shù)(煙氣內(nèi)循環(huán)和煙氣外循環(huán))。

1.2.2 低氮燃燒與SCR技術(shù)對比

針對本項目7臺加熱爐低氮改造，對低氮燃燒與SCR進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。

低氮燃燒與SCR技術(shù)對比見表3。

表3 低氮燃燒與SCR技術(shù)對比

低氮燃燒與SCR經(jīng)濟(jì)性對比見表4。

表4 低氮燃燒與SCR經(jīng)濟(jì)對比

基于場站內(nèi)加熱爐整體現(xiàn)狀及各項工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比，本次改造采用低氮燃燒器煙氣再循環(huán)的技術(shù)工藝。

1.3 工藝方案

依據(jù)“源頭控制、綜合治理、因地制宜”的原則，根據(jù)油田加熱爐的具體情況、現(xiàn)場條件、技術(shù)特點(diǎn)、投資及運(yùn)行成本等，本次油田加熱爐低氮改造采用低氮燃燒器+煙氣再循環(huán)技術(shù)，確保排放NOx質(zhì)量濃度達(dá)到30 mg/m3(50%～100%負(fù)荷)以下。

加熱爐煙氣處理工藝流程如圖1所示。

圖1 加熱爐煙氣處理工藝流程

2 方案設(shè)計

本次改造的油田加熱爐數(shù)量較多，加熱爐類型包括管式加熱爐、水套爐、相變爐和熱媒爐，加熱爐熱負(fù)荷為600～3 500 kW。下面以其中最大的1臺熱負(fù)荷為3 500 kW的燃?xì)饧訜釥t為例，進(jìn)行低氮改造方案詳細(xì)設(shè)計。

2.1 加熱爐參數(shù)

加熱爐參數(shù)見表5。

表5 加熱爐參數(shù)

2.2 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

采用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改造，加熱爐的排放煙氣中NOx排放量和外部煙氣再循環(huán)呈線性關(guān)系，外部煙氣再循環(huán)率為20%時，NOx減排達(dá)50%；當(dāng)煙氣再循環(huán)率為30%時，NOx減排達(dá)80%。雖然煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)令NOx減排效果顯著，但對其燃燒穩(wěn)定性有較大影響，煙氣再循環(huán)率較高時，火焰會出現(xiàn)大幅度抖動甚至熄火。針對擴(kuò)散式燃燒器，煙氣再循環(huán)率直接影響NOx排放，而且煙氣再循環(huán)率在30%左右時會嚴(yán)重影響燃燒穩(wěn)定性[6]。

根據(jù)以往改造經(jīng)驗和本次改造的加熱爐具體情況，設(shè)定煙氣再循環(huán)率為20%。煙氣再循環(huán)參數(shù)計算結(jié)果見表6。

表6 煙氣再循環(huán)參數(shù)計算結(jié)果

2.3 空氣預(yù)熱系統(tǒng)

天然氣主要成分為甲烷，燃燒后產(chǎn)物為CO2和H2O。冬季煙氣與室外冷空氣混合后溫度低于露點(diǎn)溫度，煙氣中冷凝水將大量析出[7]。將空氣預(yù)熱器設(shè)計在鼓風(fēng)機(jī)吸入部位，對室外冷空氣進(jìn)行加熱處理可避免大量析出冷凝水[8]?？諝忸A(yù)熱器參數(shù)計算結(jié)果見表7。

表7 空氣預(yù)熱器參數(shù)計算結(jié)果

2.4 設(shè)備清單

本次改造中3 500 kW燃?xì)饧訜釥t低氮改造設(shè)備清單見表8。

表8 3 500 kW燃?xì)饧訜釥t低氮改造設(shè)備清單

3 存在問題和處理方法

3.1 存在問題

采用低氮燃燒+煙氣再循環(huán)技術(shù)方案改造后，加熱爐運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)如下問題：

(1)燃燒器本體震動。燃?xì)饧訜釥t進(jìn)行低氮改造后，燃燒不穩(wěn)定導(dǎo)致燃燒器震動，此現(xiàn)象是熱聲耦合振蕩[9-11]的形成引起的。

(2)加熱爐喘震。當(dāng)煙氣再循環(huán)率增至一定程度時，火焰失穩(wěn)并出現(xiàn)周期性振蕩，當(dāng)火焰振蕩達(dá)到一定幅度時火焰將會熄滅[12]。燃燒整體缺氧造成燃燒中間產(chǎn)物反復(fù)點(diǎn)燃，從而又造成風(fēng)壓波動形成鍋爐喘震；火焰與鍋爐不匹配，火焰脈動造成加熱爐爐膛局部低頻震動等。

(3)煙風(fēng)道產(chǎn)生冷凝水。再循環(huán)煙氣含水量較大，達(dá)到16.99%(V/V)，隨著煙氣溫度的降低，再循環(huán)煙道中易出現(xiàn)冷凝水。

3.2 處理方法

(1)燃燒器震動問題的處理方法。對于燃燒不穩(wěn)定問題，應(yīng)采用中心穩(wěn)燃技術(shù)，維持火焰根部著火溫度，避免燃燒過程中火焰不穩(wěn)定和脫火。燃燒器設(shè)計過程中，應(yīng)精確控制燃料與空氣在不同區(qū)域內(nèi)的配比，杜絕因空氣配比不好造成的震動情況。

(2)鍋爐喘振問題的處理方法。合理設(shè)計燃燒器助燃風(fēng)速及燃?xì)馑俣?，使其速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣任呛?，使火焰平穩(wěn)無波動以避免喘振的產(chǎn)生。調(diào)試運(yùn)行時應(yīng)注意避免風(fēng)機(jī)喘振臨界點(diǎn)，避免風(fēng)機(jī)振動引起加熱爐振動。利用CFD仿真技術(shù)對爐膛燃燒分析，可了解煙氣溫度、流場等，可避免爐膛內(nèi)渦流的產(chǎn)生，從而避免爐膛振動。將火焰控制在適合爐膛尺寸的高度上，避免爐膛與火焰不匹配造成的震動。

(3)煙道冷凝水問題的處理方法。合理設(shè)計煙道冷凝水排放設(shè)施，保證冷凝水及時排出。做好再循環(huán)煙道的保溫，防止再循環(huán)煙氣溫度降低幅度過大造成冷凝水析出。

加熱爐低氮燃燒改造是一個系統(tǒng)性工程，除在低氮燃燒方面合理設(shè)計外，還要考慮系統(tǒng)的協(xié)同作用，要充分考慮加熱爐的操作穩(wěn)定性，避免系統(tǒng)在運(yùn)行中波動較大。為使加熱爐煙氣排放達(dá)標(biāo)，不能僅僅依靠單一設(shè)備或者某個單元來實現(xiàn)，需要系統(tǒng)協(xié)同作用以及合理操作才能達(dá)到理想的效果。

4 結(jié)語

利用低氮燃燒+煙氣再循環(huán)改造方案改造的油田燃?xì)饧訜釥t，其排放煙氣中NOx質(zhì)量濃度≤30 mg/m3，滿足當(dāng)前環(huán)保指標(biāo)要求。項目實施后，可減少NOx排放3.64 t/a(按年運(yùn)行時間8 760 h計算)，大大減輕了對場站周邊空氣的污染。該項目方案的設(shè)計為后續(xù)類似的油田加熱爐改造提供了良好的借鑒。

今后的設(shè)計中，應(yīng)充分考慮低氮燃燒+煙氣再循環(huán)改造后燃燒器震動、加熱爐震動和冷凝水產(chǎn)生的問題，確保加熱爐在低氮燃燒和煙氣再循環(huán)改造后，各項指數(shù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)并安全運(yùn)行。