新型低氮燃燒器的原理及應用

景曄

中國石油大連石化公司 遼寧 大連 116031

隨著國家對生態環境越來越重視，對煉化企業污染物排放的管控力度也不斷加大。其中，加熱爐排放煙氣中氮氧化物（NOx）含量就是一項重要的監管指標。NOx是大氣的主要污染物之一，它不但能破壞臭氧層而且也是形成光化學煙霧的主要組分。2015年4月16日，中華人民共和國環境保護部發布了GB 31570—2015《石油煉制工業污染物排放標準》，規定“新建企業工藝加熱爐自2015年7月1日起執行該標準，特別限值地區執行100mg/m3的排放限值”[1]。煉化企業早期投產加熱爐的煙氣排放很難達到這一指標要求，因此，通過一定的技術手段來實現減排十分有必要。

1 汽油加氫裝置加熱爐介紹

大連石化公司225萬t/年汽油加氫裝置，2013年建成投產，共設置有2臺加熱爐，分別為分餾塔加熱爐（位號H-9101）和加氫脫硫（HDS）反應加熱爐（位號H-9102）。分餾塔加熱爐位于分餾塔底循環管線上，用于給分餾塔底提供熱源。HDS反應加熱爐位于HDS第一反應器出口，物料經加熱爐加熱后至穩定塔底換熱，再進入HDS第二反應器中反應。

2臺加熱爐均屬于方箱式立管爐，分別設有輻射室和對流室。加熱爐下方設有燃燒器，分別通入瓦斯和空氣進行燃燒，產生的熱量用于加熱四周爐管中的物料。分餾塔加熱爐（H-9101）內設16個燃燒器，中間用一個隔斷隔開，兩個腔室內各有8個燃燒器。HDS反應加熱爐（H-9102）內設有12個燃燒器，分3排排列，每排有4個燃燒器，每2排燃燒器中間設有爐管。

2臺加熱爐共用1套水熱媒空氣預熱系統。設置有1臺鼓風機和1臺引風機用于強制通風。2臺加熱爐燃燒所產生的煙氣被引風機產生的抽力抽出，經空氣預熱器回收余熱，流經煙道，最后統一通過分餾塔加熱爐頂的煙囪進行排放?？諝庥梢L機抽進風道中，與熱媒水及煙氣進行2次換熱后送入燃燒器中與燃料氣混合燃燒。

2臺加熱爐改造前排放煙氣中氮氧化物NOx濃度在130 mg/m3左右，與國家要求的指標還存在一定的差距。因此，計劃通過技術手段升級改造，使煙氣排放NOx濃度達到國家標準。

2 改造方案選擇

化石燃料在加熱爐爐膛內燃燒，釋放出化學能，在燃燒過程有NOx伴隨煙氣生成。NOx生成的機理有3種：一是空氣中的2種主要成分O2和N2在高溫條件下發生化合反應，生成NOx，通過這一途徑生成的NOx通常被稱為熱力型NOx，也叫熱轉化型（T-NO）；二是燃料油或燃料氣中含有的氮化物熱分解，再接觸氧發生化合反應，生成NOx，通過這一途徑生成的NOx通常被稱為燃料型NOx，也叫燃料轉化型（F-NO）；三是燃料油或燃料氣產生的 CH 原子團撞擊助燃空氣中的 N2，生成碳氮類化合物，該化合物再被氧化生成NOx，通過這一途徑生成的NOx通常被稱為快速型NOx，也叫直接轉化型（P-NO）[2]。其中，熱力型NOx的生成量最大，它與燃燒溫度有很大關系。在溫度足夠高時，熱力型NOx的生成量可達NOx總量的90%。經實驗論證，隨著反應溫度T的升高，生成NOx的反應速率按指數規律增加。當T＜1300℃時，NOx的生成速率較低；而當T＞1300℃時，T每增加100℃，NOx反應速率增大6～7倍。由此可見，火焰高溫區的溫度是決定NOx生成量的重要因素，控制火焰高溫區的溫度就是控制NOx排放量的關鍵。

目前，減少煙氣中NOx排放的方法主要有3種，一是降低燃料中的氮含量，二是采用低氮燃燒器來抑制燃燒過程中生成NOx，三是對煙氣進行脫硫脫硝處理。首先，燃料轉化生成的NOx占比較小，因此降低燃料中氮含量意義不大；其次，由于對煙氣脫硫脫硝處理的成本較高，改造難度大，因此不適宜采用該方法；所以最為高效適用的方法就是使用低氮燃燒器。

低氮燃燒器通過改進燃燒器結構，利用一定的技術手段，降低火焰高溫區溫度，從而達到抑制NOx生成的目的。目前已有的技術手段有空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣循環等?？諝夥旨壢紵菍⑷紵枰目諝夥殖?股；燃料分級燃燒是將燃料分成多股，使火焰負荷分散；煙氣循環是將一部分燃燒后的煙氣再返回燃燒區循環使用。

3 低氮燃燒器原理

汽油加氫裝置加熱爐改造中選用洛陽瑞昌公司的新型低氮燃燒器，它采用燃料分級和煙氣回流相結合的技術來抑制熱力型NOx的生成。如圖1所示，為實現燃料分級，每個燃燒器設置了若干輔噴槍，它們安裝在耐火磚周圍，瓦斯由噴槍噴孔以一定的角度噴向燃燒區域，從而達到分割火焰的目的。分層的火焰與助燃空氣混合燃燒，擴大火焰集中區，降低局部火焰溫度，抑制NOx的產生。同時，槍頭噴出的火焰依靠耐火磚的結構，在燃料分級處形成負壓，進而使煙氣在負壓區進行回流、重新混合，形成煙氣回流，進一步降低高溫區域溫度，抑制NOx的產生。另外，燃燒器高速噴射的瓦斯射流帶動燃燒區域附近煙氣回流，加強爐膛局部對流換熱，提高爐效率的同時延長爐管的使用壽命。

圖1 低氮燃燒器結構原理圖

新型燃燒器根據適用范圍和結構的差異，又可分為不同的類型。本次改造中，分餾塔加熱爐（H-9101）采用GCFB-V形式燃燒器，HDS反應加熱爐（H-9102）采用GRFB-Ⅲ形式燃燒器。新型加熱爐燃燒器發熱量見表1。

表1 加熱爐燃燒器發熱量

GCFB-V形式燃燒器結構如圖2所示，由筒體、風道、風道擋板、主瓦斯槍，副瓦斯槍、長明燈、耐火磚構成。筒體為圓柱形。主瓦斯槍布置在筒體的中心處，長明燈布置在主瓦斯槍的側邊。風道位于筒體側邊，風道擋板可調節進入空氣量的大小。耐火磚為環形，安裝在燃燒器內部上側，與筒體同心。副瓦斯槍分散布置在耐火磚的外側，與爐膛連通。

圖2 GCFB-V形式燃燒器結構

GRFB-Ⅲ形式燃燒器結構如圖3所示，同樣由筒體、風道、風道擋板、主瓦斯槍，副瓦斯槍、長明燈、耐火磚構成。筒體為長方體。主瓦斯槍有4根，布置在長方體的中心位置，長明燈在4個主瓦斯槍的中心。風道位于筒體側邊，風道擋板可調節進入空氣量的大小。耐火磚為長方體，安裝在燃燒器內部上側。副瓦斯槍布置在耐火磚長方體的左右兩側，與爐膛連通。

圖3 GRFB-Ⅲ形式燃燒器結構

4 低氮燃燒器改造實施

4.1 改造施工

2020年裝置大檢修期間對2臺加熱爐的全部燃燒器（共計28個）進行了更換。施工過程中，先將原有燃燒器拆除，然后在爐底板上預埋螺栓，再將燃燒器筒體用預埋螺栓固定在爐底板上，最后修補耐火磚及安裝瓦斯軟管。

低氮燃燒器在安裝過程中保證安裝質量十分重要，它將直接影響到燃燒器的性能。尤其是槍頭尺寸、方位和高度都應與安裝圖紙一致，否則將改變燃料噴出的角度，從而影響煙氣回流與火焰的燃燒。施工過程中還應注意檢查，燃料氣槍噴口清潔無雜物，風門能夠靈活操作。在所有燃燒器的燃料氣管線在投用前還要進行氣密試驗以確保不發生泄漏。

新型燃燒器在2020年大檢修后隨裝置開工投入使用，運行穩定，效果良好。

4.2 生產使用過程中的注意事項

4.2.1 防止噴孔堵塞

低氮燃燒器的槍頭噴孔較小，容易堵塞。當觀察到燃燒器火焰形狀與其他燃燒器不同，或槍頭出現焦化、熏黑現象時，說明燃燒器出現槍頭堵塞。這時需要熄火，對燃燒器的槍頭進行清洗。

4.2.2 巡檢時觀察火焰變化

低氮燃燒器具有比常規燃燒器更長和更粗的火焰。日常要通過火焰監視器或現場看火窗來觀察火焰的燃燒情況，如出現火焰舔爐管、火焰外形變化、冒黑煙等情況，說明燃燒出現問題，需要及時調整。

4.2.3 控制煙氣中的氧含量

如果煙氣中氧含量過高，說明空氣過剩較多，會使NOx生成量相應增多。所以，需要將煙氣中氧含量保持在合理的區間，在保證正常燃燒的條件下，控制過?？諝饬?，進一步降低NOx的生成與排放。

5 使用效果分析

新型低氮燃燒器投用后，效果顯著，煙氣中NOx含量下降十分明顯。加熱爐運行時煙氣中NOx含量從改造前2019年的130 mg/m3左右，降低到改造后2021年的50 mg/m3左右，具體數據見圖4。改造后NOx遠低于國家要求的排放指標，實現了預期目標。燃燒器的運行也十分平穩，未出現過較大故障。

圖4 改造前后氮氧化物濃度

6 結束語

汽油加氫裝置加熱爐新型低氮燃燒器的改造非常成功，使加熱爐煙氣排放滿足國家的指標要求，用較小的改造成本實現了預期目標。新型低氮燃燒器的使用對企業的健康發展與國家的環保治理都具有十分顯著的意義。