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        裂解爐中低氮燃燒器運行情況及NOx排放分析

        2022-12-07 06:35:07朱志成
        云南化工 2022年7期
        關鍵詞:裂解爐風門燃燒器

        朱志成

        (沈陽石蠟化工有限公司, 遼寧 沈陽 110141)

        社會經濟迅速發(fā)展的同時自然環(huán)境也受到了工業(yè)污染的影響,因此保護環(huán)境迫在眉睫。此種情況下,生產裝置內產生的污染物,需合理排放,以避免對環(huán)境產生影響。乙烯裝置內的裂解爐,NOx排放無法滿足要求,故需對其進行改造。裂解爐低氮燃燒器改造,需要工藝和設備人員的精心操控,才能使得日常的NOx維持穩(wěn)定運行和達標排放[1]。

        1 NOx產生機理以及裂解爐反應情況

        乙烯裂解爐,作為一個高溫裂解反應爐,工作時間為50~100 d[1]。在末期階段,由于裂解原料進行熱聚集或縮聚,在爐管中產生結焦問題,此時爐管表面溫度或高于 1200 ℃,需要進行退料或燒焦作業(yè),再用水煤氣反應消除爐管內部的焦。根據(jù)爐型,每年燒焦5~9次。日常燃料組分中缺乏氮物質,因此形成大量燃料類NOx的可能性很小??焖傩蚇Ox大多形成在火焰氣體表層,而一般的燃油氣大多為碳氫類燃氣,裂解爐氧氣體積分數(shù)約為3%。若過??諝庀禂?shù)為1,就會形成足夠的快速型NOx。在燃燒器的燃燒過程中,內焰高溫在 1200 ℃ 以上,熱力類NOx就會快速生成,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

        揚子石化乙烯裝置的裂解爐在通常工作時間內,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)內一般運行有:發(fā)動機加溫、投料操作、日常穩(wěn)定操作、退料燒焦和減溫停爐等多個流程[2]。在裂解爐的蓄熱燃燒器改裝后的投用過程中,出現(xiàn)了如下問題:

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

        其次,在裂解爐的減溫停爐過程中,經跟蹤檢測,發(fā)現(xiàn)溫度在 500 ℃ 上時,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,降到了 100 mg/m3以下。

        最后,裂解爐在剛開始投料運轉時,或裂解爐溫度調節(jié)過程中,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,在正常運轉階段,由于部分斷裂爐的NOx排放量離 100 mg/m3警戒線較小。經過技術人員與廠家工作人員現(xiàn)場對NOx的分布值進行檢測和調節(jié),將NOx排放量降低在 80 mg/m3以內,但在調節(jié)過程中發(fā)現(xiàn),僅對下部的低氮燃燒器調節(jié),則爐內火苗極易出現(xiàn)點燃狀態(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轉。經過研究分析,判斷主要原因是由于側壁風門密封性不好,導致氧氣濃度在局部過高,從而影響了點燃模式的正常調節(jié)。因此,在裂解爐第二個工作循環(huán)之前,就對其側壁的蓄熱引燃器進行更換和調節(jié),也就為后來其它裂解爐的低氮燃燒器改進指明了思路。經過多次的優(yōu)化調整,裂解爐低氮燃燒器在日常工作過程中能平穩(wěn)達標,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數(shù)(3%,干基)的條件下NOx不合格情形。經分析判斷出,裂解爐低氮燃燒器是在正常工作下設定的,但由于在燒焦、降溫和升溫階段,蓄熱燃燒器的工作負載僅為正常工作的10%~30%;為提高燒焦效率,對裂解爐爐管內環(huán)境溫度要求也較日常溫度更高。又因需提高爐內燃燒條件和溫度場分布,原設定的十格風門開度無法按照實際燃氣狀況做出調節(jié),致使正常氧氣體積分數(shù)調節(jié)到3%后NOx出現(xiàn)超標現(xiàn)象。因此,為了減少鍋爐內NOx濃度,需要對蓄熱燃燒器進行降氮處理。根據(jù)現(xiàn)場狀況,在下部燃燒器添加降氮蒸氣噴槍,對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。在燒焦狀態(tài)下,側壁風窗全關后,在底部的蓄熱燃燒器中通入降氮蒸氣對NOx濃度的減少效應尤為突出[5]。

        4 NOx排放降低措施

        4.1 處理裂解爐爐壁漏風

        利用低氮蓄熱燃燒器特性,恒速的燃氣、空氣混合液經由蓄熱燃燒器進入爐膛出口,可使燃氣在爐膛出口內燃燒得更加均勻,從而避免了高溫的過熱點。按照NOx排放量公式,如果大量的空氣經爐壁直接流入爐膛,由于煙氣內氧氣濃度過高,就會間接地導致煙塵的NOx排放量超標。采取對機爐下部、氣體對流段打上膠密封,將風窗改為全密封風窗等措施,可以減少熱裂解爐漏風。

        4.2 調整風機轉速

        加入裂解爐的煤倉內的空氣,一般是通過機爐上部的引風機調節(jié)。引風機的輸出功率越大,爐膛負壓值越高,從外部進入爐體的風速也越大。在常規(guī)工業(yè)生產時,如果給定的爐膛出口負壓,風機可以通過設置爐膛出口負壓調節(jié)轉速。風機速度和爐膛負壓力值成正比,引風機的額定電流和額定速度[6]。

        風機調整過程中應注意把總電流限制在額定電流左右,以防止電機過載,從而影響電機壽命。當給定的爐膛負壓之后,若風機電機電流過載,可通過適當關閉風門的方式來調節(jié)電動機流量。

        4.3 調整燃燒器風門

        風機速度和燃料氣風門的開啟度調整,與爐膛出口負壓有直接關聯(lián)。其中,以下部風門占有主導地位。當爐膛出口負壓一定時,下部風門開啟度越大,則風機速度越高,反之越低。當排煙中CO超標,則NOx排放量合格。當風機速度在較高速度情況下,一般盡可能不調整下部風門,而可通過調整側壁風門的開啟度,使CO濃度降低;一旦風機速度具有較大的上升空間,則一般可增加爐膛出口負壓來調整CO濃度。在實際工作中,當爐膛出口負壓低于 60 Pa 時,CO質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排放量過多時,可通過適量關小下部風門的開度調整,以減少NOx的產生。與此同時,CO產生量會以較快速率增加,可以采用增加爐膛出口負壓和開大側壁風門將CO產生量調整一下。一旦氧濃度超標,選擇調整側壁風門開度。也可以針對裂解爐運行狀況,適時通過調整爐膛出口負壓來調控[7]。

        經摸索,爐膛出口氧氣濃度不要過低,通常情況下應超過1%。如果氧氣濃度過低,就會導致CO產生量超標。側燒第一個排風門按一個風門全開限制,第二個排風門按一個風門50%以上限制,最下部風門按30%~50%以上限制。裂解爐工作末期,側墻的蓄熱燃燒器噴嘴出現(xiàn)問題時,蓮蓬頭噴出的燃料曲線有改變,會產生輕微冒黑煙現(xiàn)象,可合理調整第1排側墻燃燒器的二次風門數(shù),以降低CO的產生量。整個調整過程均須緩慢完成,若一次性調節(jié)完成較好,待裂解爐工作狀態(tài)平穩(wěn)后,再開始下部優(yōu)化調整,以避免因裂解爐工藝技術參數(shù)波動較大,對產品帶來的負面影響[8]。

        4.4 NOx生成量與煙氣過剩氧系數(shù)的關系

        調節(jié)熱裂解爐過??諝庀禂?shù),是優(yōu)化調整低氮燃燒器運行條件的主要技術手段。煙氣內氧含量與NOx產生量成正比,與CO的產生量成反比。在煙氣內氧體積分數(shù)低于1%時,CO產生量最大,同時由于內氧含量的下降,CO產生量也快速增大。當采用低氮燃燒器后,煙氣內氧體積分數(shù)小于1%時,對燃氣的充分點燃程度和氧含量敏感性都較高。在氧濃度超過1%時,CO產生量可以下降到 50 mg/m3以內。而NOx的形成量隨著煙氣內氧濃度的提高而呈現(xiàn)上升態(tài)勢,證明了能夠通過調節(jié)爐膛內氧濃度,減少NOx的形成[9]。

        4.5 裂解爐負荷對NOx生成的影響

        由于斷裂爐工業(yè)生產負擔的增加,燃氣用量也隨之增加,同時斷裂爐在爐膛中單位時期內排放的熱值也將增加,對NOx的形成將直接產生更強烈的危害。而由于斷裂爐工業(yè)生產負擔的增加,煙塵內NOx的生成率也隨之增加。在熱裂解爐生產負荷為 42 t/h 時,NOx生成量為 101 mg/m3,且煙塵排放量顯然超標。因此,生產負荷改變后,應當適時調節(jié)進入鍋爐內的空氣濃度,以確保NOx排放量達標。

        4.6 其它

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

        5 結語

        通過收集各個企業(yè)內的數(shù)據(jù)信息,發(fā)現(xiàn)低氮燃燒器能夠滿足裂解爐生產過程中NOx的排放要求。部分燃燒器的抗干擾能力較強,但部分裂解爐受到爐膛、熱場分布的影響,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,可以有效降低NOx排放。目前存在的主要問題是操作較為困難,需要較多的現(xiàn)場操作人員配合完成,同時,SO2排放問題尚沒有較好的解決方法。隨著環(huán)保要求越來越高,一旦NOx排放要求低于 40 mg/m3或更低,僅靠低氮燃燒器改造,可能無法滿足要求,需在裂解爐對流段增加煙氣脫硝流程。

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