劉義中

(南京金煉科技有限公司,江蘇 南京210033)

某石化公司2 Mt/a渣油加氫裝置加熱爐F-1101共有56臺(tái)燃燒器,火焰形式為附墻焰,其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。燃燒器由耐火磚、筒體、燃料氣噴槍、長(zhǎng)明燈組成,燃料氣噴槍采用T字形噴槍,助燃空氣為一次性供給,沒(méi)有采用分級(jí)燃燒技術(shù),其燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)在線環(huán)保檢測(cè),不能滿足GB31570—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中NOx排放的要求,而裝置又不能停下來(lái)對(duì)燃燒器進(jìn)行整臺(tái)更換,因此,急需通過(guò)對(duì)燃燒器進(jìn)行局部技術(shù)改造來(lái)降低煙氣中的NOx含量。

圖1 渣油加氫加熱爐F-1101原燃燒器結(jié)構(gòu)原理

1 燃燒器產(chǎn)生NOx偏高的原因分析

加熱爐排放煙氣中的NOx,是氮氧化合物的總稱,通常包括NO和NO2等,其中NO約占90%。在燃燒過(guò)程中高溫?zé)煔猱a(chǎn)生NOx的N有兩個(gè)來(lái)源,一個(gè)是助燃用空氣中的N2,另一個(gè)是燃料本身所含的N元素。按照NOx生成的機(jī)理,通?？煞譃闊崃π蚇Ox、快速型NOx和燃料型NOx3類(lèi)。

1.1 熱力型NOx的生成機(jī)理

熱力型NOx主要由助燃空氣中的N2及燃料氣本身含有的N2在燃料燃燒過(guò)程中經(jīng)高溫氧化生成,其生成原理是由原蘇聯(lián)科學(xué)家側(cè)耳多維奇提出的。

反應(yīng)方程式為:

熱力型NOx的生成量和燃燒溫度有很大的關(guān)系。隨著反應(yīng)溫度T的升高,其反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律增加。

當(dāng)反應(yīng)溫度T＜1300℃時(shí),NOx的生成量不大;當(dāng)反應(yīng)溫度T＞1300℃時(shí),反應(yīng)溫度每增加100℃,NOx反應(yīng)速率增大6～7倍。而通常熱力型NOx的生成量可占到NOx總量的90%。因此,當(dāng)燃燒器結(jié)構(gòu)已定時(shí),通常只能通過(guò)調(diào)節(jié)供風(fēng)量,即控制過(guò)?？諝庀禂?shù)來(lái)控制NOx的含量。過(guò)剩空氣系數(shù)對(duì)熱力型NOx的生成有雙面的效應(yīng),一般來(lái)說(shuō),當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)＜1時(shí)(因燃燒器結(jié)構(gòu)不同,過(guò)剩空氣系數(shù)值的大小也會(huì)不同),因燃料供氧不足,不能完全燃燒,煙氣中含有不同程度的CO,此時(shí)的火焰溫度偏低,NOx的生成受到抑制,煙氣中NOx的含量就會(huì)偏低。部分裝置中因煙氣NOx排放不達(dá)標(biāo)的加熱爐就是通過(guò)這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)NOx達(dá)標(biāo)排放的。但是這種燃燒方式因煙氣中含有大量CO,會(huì)造成加熱爐熱效率偏低,導(dǎo)致能源浪費(fèi)嚴(yán)重。所以,石化行業(yè)加熱爐管理規(guī)定就要求煙氣中CO含量不大于100mg/L。而當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)大時(shí),雖然大量的空氣可以稀釋高溫?zé)煔?降低燃燒溫度,從而降低NOx生成速率,但此時(shí)因加熱爐煙氣量過(guò)大,排煙損失占比就會(huì)很高,加熱爐熱效率也會(huì)降低。采用這種方式時(shí),煙氣中NOx含量的降低程度很有限。

1.2 快速型NOx的生成機(jī)理

生成快速型NOx的N元素也是來(lái)自于燃燒中的助燃空氣。由于碳?xì)浠衔镌谌紵龝r(shí)分解出大量的CH∶、C∶等基團(tuán),能夠破壞N2的分子鍵,在高溫條件下,分解出的CH∶自由基與空氣中的N∶反應(yīng)生成HCN、NH,上述反應(yīng)產(chǎn)物能夠與火焰中的O和OH原子基團(tuán)反應(yīng)生成NO,其中HCN是快速型NOx生成時(shí)節(jié)最重要的中間產(chǎn)物,能夠在火焰面內(nèi)快速生成NOx,中間反應(yīng)時(shí)間大約只需要60ms。

快速型NOx主要是燃料中碳?xì)浠衔锱cN快速反應(yīng)生成的,其中過(guò)?？諝庀禂?shù)、爐膛壓力、燃燒區(qū)內(nèi)N濃度是影響快速型NOx生成的主要因素,而火焰溫度對(duì)其幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)火焰溫度一定時(shí),隨著過(guò)?？諝庀禂?shù)的增大,快速型NOx生成量先增大后減小,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。

1.3 燃料型NOx的生成機(jī)理

燃料型NOx是燃料中(一般是指液體燃料)所含有的N元素燃燒時(shí)形成的。燃料中含N的有機(jī)化合物通過(guò)高溫裂解,生成CN、HCN及NH等中間產(chǎn)物,這些中間產(chǎn)物與O2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),就會(huì)生成NOx?；鹧鏈囟葘?duì)燃料型NOx的生成影響并不明顯,主要是因?yàn)槿剂现泻琋化合物的熱裂解所需溫度并不高,當(dāng)火焰溫度處于600～800℃之間時(shí),就能生成燃料型NOx。過(guò)?？諝庀禂?shù)α對(duì)燃料型NOx的生成也是有影響的。當(dāng)α＞1時(shí),燃料型NOx生成量基本保持不變;當(dāng)α＜1時(shí),轉(zhuǎn)化率會(huì)很快下降,在α＝0.7處達(dá)到極小值。

2 技術(shù)路線的制定

從上述分析中可知,燃燒器產(chǎn)生的NOx主要是熱力型NOx。要減少熱力型NOx的生成,就需降低火焰溫度。降低火焰溫度一般采取以下幾方面的措施:1)減小燃燒高溫區(qū)域范圍;2)降低燃燒器的火焰峰值溫度;3)降低燃燒中的過(guò)?？諝庀禂?shù)。具體來(lái)說(shuō),就是在保證燃料燃燒完全的前提下,采取低氮燃燒原理。由于燃燒器整體結(jié)構(gòu)已定,因此決定采用燃料分級(jí)＋煙氣回流的低氮燃燒技術(shù)抑制氮氧化物的生成。

燃料分級(jí)是將燃料分兩級(jí)送入燃燒過(guò)程中,第一級(jí)在α遠(yuǎn)大于1的條件下,通過(guò)大量的空氣來(lái)降低火焰溫度,抑制NOx的產(chǎn)生;第二級(jí)燃料噴出后,與前期的煙氣混合燃燒,因此時(shí)α＜1,使得NOx轉(zhuǎn)化率下降,進(jìn)而降低了NOx的總生成量。一般情況下,燃料分級(jí)可以使煙氣中NOx的排放濃度降低50%以上。

2.1 一級(jí)燃料的分配

由于火盆磚結(jié)構(gòu)已定,為盡量降低一級(jí)火焰的溫度,決定用占比約10%的燃料在火盆磚內(nèi)形成一級(jí)火焰,并用以穩(wěn)定整個(gè)火焰,剩余所需燃料全部用在第二級(jí)燃料上。

2.2 二級(jí)燃料的分配

二級(jí)燃料噴出后,與一級(jí)煙氣混合形成二級(jí)火焰。為降低火焰溫度,二級(jí)火焰形成后即出火盆進(jìn)入爐膛,同時(shí),其形成的高速噴射煙氣在爐底又會(huì)產(chǎn)生局部的負(fù)壓區(qū)域,將周?chē)牡蜏責(zé)煔馕攵?jí)火焰內(nèi),進(jìn)一步降低火焰溫度。改造后燃燒器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 改造后燃燒器結(jié)構(gòu)

3 燃燒器設(shè)計(jì)條件

工藝任務(wù)、爐型結(jié)構(gòu)、傳熱特點(diǎn)、操作條件不同,所使用的燃燒器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能也不同。渣油加氫加熱爐F-1101的設(shè)計(jì)條件和燃料氣組成分別見(jiàn)表1和表2。

表1 渣油加氫加熱爐F-1101設(shè)計(jì)條件

表2 渣油加氫加熱爐F-1101燃料氣組成mol,%

4 噴嘴計(jì)算【1】

燃料氣噴嘴的額定能量為0.35 MW。根據(jù)上述燃料組成可知,燃料氣密度ρ1為0.818kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),燃料低熱值為45.07 MJ/kg。噴嘴按燃料壓力0.1MPa(表)計(jì)算,溫度取20℃。下面進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

燃料氣額定流量為:

燃料氣的絕熱指數(shù)可取K＝1.3,其臨界壓力比βk＝0.546。外混式噴嘴直接噴入大氣,其壓力比β為:

式中:p1——流出口前的氣體絕對(duì)壓力,MPa,取(0.1＋0.1013)MPa;

p2——流出口后的氣體絕對(duì)壓力,MPa,取0.1013MPa。

外混式噴嘴的噴口采用收縮型,其流出口截面積按臨界截面積計(jì)算,由于K＝1.3,故其臨界流量計(jì)算系數(shù)?k＝0.472。

由此可得流量系數(shù)為:

流出口前的燃料氣重度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))為:

式中:T1——環(huán)境溫度,K,取273K;

T2——燃料氣溫度,K,取(273＋20)K。

噴嘴噴孔截面積Fk為:

燃料氣噴嘴按SH/T3113—2016《石油化工管式燃燒器工程技術(shù)條件》規(guī)定進(jìn)行氣密性試驗(yàn),按SH 3505—1999《石油化工施工安全技術(shù)規(guī)程》、GB50236—2011《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》、GB50683—2011《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》和Q/JH 121.11.004—92《安全技術(shù)操作規(guī)程》進(jìn)行制造和驗(yàn)收。

5 改造落實(shí)

2020年8月,2 M/a渣油加氫裝置加熱爐F-1101共56臺(tái)燃燒器采取逐臺(tái)熄火的方式更換燃料氣噴嘴,步驟如下:首先將1臺(tái)燃燒器熄火,把燃料氣噴嘴、長(zhǎng)明燈、中心封板拆除;再依次把新中心封板、新燃料氣噴嘴、長(zhǎng)明燈安裝上,最后點(diǎn)火調(diào)整燃燒器火焰。圖3為現(xiàn)場(chǎng)安裝圖,圖4為更換燃料氣噴嘴后的火焰燃燒狀況。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)安裝

圖4 更換燃料氣噴嘴后的火焰燃燒狀況

2Mt/a渣油加氫裝置加熱爐F-1101燃燒器在線改造完畢后,對(duì)煙氣中的O和NOx含量進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示,加熱爐煙氣中NOx含量＜80mg/m3,達(dá)到了改造目的和設(shè)計(jì)要求。排放結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 在線環(huán)保測(cè)試數(shù)據(jù)

6 改造效果

2Mt/a渣油加氫裝置加熱爐F-1101燃燒器在線改造項(xiàng)目從立項(xiàng)到現(xiàn)場(chǎng)施工完畢,歷時(shí)2個(gè)多月,改造采用低NOx燃燒技術(shù),在不影響裝置正常運(yùn)行的情況下,加熱爐煙氣中的NOx排放量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))從124mg/m3降到64mg/m3,滿足了GB31570—2015的排放要求,預(yù)計(jì)可減少NOx排放量8t/a。

同時(shí),由于燃燒方式的改進(jìn),爐膛溫度有所降低,不僅減少了加熱爐的散熱損失,還使?fàn)t膛O含量及排煙溫度都有所降低,加熱爐熱效率提升了1.35%,節(jié)約燃料102t/a,約合30.6萬(wàn)元/a,經(jīng)濟(jì)效益明顯。渣油加氫加熱爐F-1101燃燒器改造前后數(shù)據(jù)對(duì)照見(jiàn)表4。

表4 渣油加氫加熱爐F-1101燃燒器改造前后數(shù)據(jù)對(duì)照