裂解炉中低氮燃烧器运行情况及NOx排放分析

朱志成

(沈阳石蜡化工有限公司， 辽宁 沈阳 110141)

社会经济迅速发展的同时自然环境也受到了工业污染的影响，因此保护环境迫在眉睫。此种情况下，生产装置内产生的污染物，需合理排放，以避免对环境产生影响。乙烯装置内的裂解炉，NOx排放无法满足要求，故需对其进行改造。裂解炉低氮燃烧器改造，需要工艺和设备人员的精心操控，才能使得日常的NOx维持稳定运行和达标排放[1]。

1 NOx产生机理以及裂解炉反应情况

乙烯裂解炉,作为一个高温裂解反应炉，工作时间为50～100 d[1]。在末期阶段，由于裂解原料进行热聚集或缩聚，在炉管中产生结焦问题，此时炉管表面温度或高于 1200 ℃，需要进行退料或烧焦作业，再用水煤气反应消除炉管内部的焦。根据炉型，每年烧焦5～9次。日常燃料组分中缺乏氮物质，因此形成大量燃料类NOx的可能性很小。快速型NOx大多形成在火焰气体表层，而一般的燃油气大多为碳氢类燃气，裂解炉氧气体积分数约为3%。若过剩空气系数为1，就会形成足够的快速型NOx。在燃烧器的燃烧过程中，内焰高温在 1200 ℃ 以上，热力类NOx就会快速生成，这是裂解炉NOx快速形成的主要因素。

2 裂解炉中低氮燃烧器现状

扬子石化乙烯装置的裂解炉在通常工作时间内，按照裂解原材料的差异，工作循环一般在50～150 d。工作循环内一般运行有：发动机加温、投料操作、日常稳定操作、退料烧焦和减温停炉等多个流程[2]。在裂解炉的蓄热燃烧器改装后的投用过程中，出现了如下问题：

首先，在裂解炉的点火加温流程中，裂解炉辐射段输出环境温度在400～760 ℃ 热备情况下，经跟踪检测，断裂炉烟道产出的NOx，排放不合格。在裂解炉烧焦阶段中，经跟踪检测，裂解炉烟道产出的NOx，排放不合格。

其次，在裂解炉的减温停炉过程中，经跟踪检测，发现温度在 500 ℃ 上时，裂解炉排烟管出口NOx，排放不合格，且NOx排放随着气温的降低而逐步减小，在辐射段出口气温在 500 ℃[2]以下时，降到了 100 mg/m3以下。

最后，裂解炉在刚开始投料运转时，或裂解炉温度调节过程中，也有NOx排放不合格的状况。因此，在低氮燃烧器改装后，NOx不合格大多聚集于开停炉的阶段[3]。

3 裂解炉中低氮燃烧器改造后的情况

首先，在第一次使用低氮燃烧器时，在正常运转阶段，由于部分断裂炉的NOx排放量离 100 mg/m3警戒线较小。经过技术人员与厂家工作人员现场对NOx的分布值进行检测和调节，将NOx排放量降低在 80 mg/m3以内，但在调节过程中发现，仅对下部的低氮燃烧器调节，则炉内火苗极易出现点燃状态不好，甚至火苗发飘的情况，从而影响了断裂炉的正常运转。经过研究分析，判断主要原因是由于侧壁风门密封性不好，导致氧气浓度在局部过高，从而影响了点燃模式的正常调节。因此，在裂解炉第二个工作循环之前，就对其侧壁的蓄热引燃器进行更换和调节，也就为后来其它裂解炉的低氮燃烧器改进指明了思路。经过多次的优化调整，裂解炉低氮燃烧器在日常工作过程中能平稳达标，NOx排放正常在 80 mg/m3以下[4]。

其次，燃烧器在烧焦、降温和升温阶段，发生了在正常氧气体积分数(3%，干基)的条件下NOx不合格情形。经分析判断出，裂解炉低氮燃烧器是在正常工作下设定的，但由于在烧焦、降温和升温阶段，蓄热燃烧器的工作负载仅为正常工作的10%～30%；为提高烧焦效率，对裂解炉炉管内环境温度要求也较日常温度更高。又因需提高炉内燃烧条件和温度场分布，原设定的十格风门开度无法按照实际燃气状况做出调节，致使正常氧气体积分数调节到3%后NOx出现超标现象。因此，为了减少锅炉内NOx浓度，需要对蓄热燃烧器进行降氮处理。根据现场状况，在下部燃烧器添加降氮蒸气喷枪，对下部燃器添加降氮蒸气。加入降氮蒸气之后，在烧焦、降温和升温阶段，NOx可限制在 100 mg/m3之下。在烧焦状态下，侧壁风窗全关后，在底部的蓄热燃烧器中通入降氮蒸气对NOx浓度的减少效应尤为突出[5]。

4 NOx排放降低措施

4.1 处理裂解炉炉壁漏风

利用低氮蓄热燃烧器特性，恒速的燃气、空气混合液经由蓄热燃烧器进入炉膛出口，可使燃气在炉膛出口内燃烧得更加均匀，从而避免了高温的过热点。按照NOx排放量公式，如果大量的空气经炉壁直接流入炉膛，由于烟气内氧气浓度过高，就会间接地导致烟尘的NOx排放量超标。采取对机炉下部、气体对流段打上胶密封，将风窗改为全密封风窗等措施，可以减少热裂解炉漏风。

4.2 调整风机转速

加入裂解炉的煤仓内的空气，一般是通过机炉上部的引风机调节。引风机的输出功率越大，炉膛负压值越高，从外部进入炉体的风速也越大。在常规工业生产时，如果给定的炉膛出口负压，风机可以通过设置炉膛出口负压调节转速。风机速度和炉膛负压力值成正比，引风机的额定电流和额定速度[6]。

风机调整过程中应注意把总电流限制在额定电流左右，以防止电机过载，从而影响电机寿命。当给定的炉膛负压之后，若风机电机电流过载，可通过适当关闭风门的方式来调节电动机流量。

4.3 调整燃烧器风门

风机速度和燃料气风门的开启度调整，与炉膛出口负压有直接关联。其中，以下部风门占有主导地位。当炉膛出口负压一定时，下部风门开启度越大，则风机速度越高，反之越低。当排烟中CO超标，则NOx排放量合格。当风机速度在较高速度情况下，一般尽可能不调整下部风门，而可通过调整侧壁风门的开启度，使CO浓度降低；一旦风机速度具有较大的上升空间，则一般可增加炉膛出口负压来调整CO浓度。在实际工作中，当炉膛出口负压低于 60 Pa 时，CO质量浓度通常可限制在0～60 mg/m3。但一旦排烟中CO浓度合格，则NOx排放量过多时，可通过适量关小下部风门的开度调整，以减少NOx的产生。与此同时，CO产生量会以较快速率增加，可以采用增加炉膛出口负压和开大侧壁风门将CO产生量调整一下。一旦氧浓度超标，选择调整侧壁风门开度。也可以针对裂解炉运行状况，适时通过调整炉膛出口负压来调控[7]。

经摸索，炉膛出口氧气浓度不要过低，通常情况下应超过1%。如果氧气浓度过低，就会导致CO产生量超标。侧烧第一个排风门按一个风门全开限制，第二个排风门按一个风门50%以上限制，最下部风门按30%～50%以上限制。裂解炉工作末期，侧墙的蓄热燃烧器喷嘴出现问题时，莲蓬头喷出的燃料曲线有改变，会产生轻微冒黑烟现象，可合理调整第1排侧墙燃烧器的二次风门数，以降低CO的产生量。整个调整过程均须缓慢完成，若一次性调节完成较好，待裂解炉工作状态平稳后，再开始下部优化调整，以避免因裂解炉工艺技术参数波动较大，对产品带来的负面影响[8]。

4.4 NOx生成量与烟气过剩氧系数的关系

调节热裂解炉过剩空气系数，是优化调整低氮燃烧器运行条件的主要技术手段。烟气内氧含量与NOx产生量成正比，与CO的产生量成反比。在烟气内氧体积分数低于1%时，CO产生量最大，同时由于内氧含量的下降，CO产生量也快速增大。当采用低氮燃烧器后，烟气内氧体积分数小于1%时，对燃气的充分点燃程度和氧含量敏感性都较高。在氧浓度超过1%时，CO产生量可以下降到 50 mg/m3以内。而NOx的形成量随着烟气内氧浓度的提高而呈现上升态势，证明了能够通过调节炉膛内氧浓度，减少NOx的形成[9]。

4.5 裂解炉负荷对NOx生成的影响

由于断裂炉工业生产负担的增加，燃气用量也随之增加，同时断裂炉在炉膛中单位时期内排放的热值也将增加，对NOx的形成将直接产生更强烈的危害。而由于断裂炉工业生产负担的增加，烟尘内NOx的生成率也随之增加。在热裂解炉生产负荷为 42 t/h 时，NOx生成量为 101 mg/m3，且烟尘排放量显然超标。因此，生产负荷改变后，应当适时调节进入锅炉内的空气浓度，以确保NOx排放量达标。

4.6 其它

燃料气体的成分发生变化，热值也随之变化，NOx的产生量也跟着变化。当燃油气内掺入液化性气时，随着单位燃油热值提高，裂解炉的NOx产生量也上升更加明显。当燃油内掺入液化性气运输后，低氮蓄热燃煤器的优化调整空间减小。这就证明了燃料的产生热能若局部不足，就会导致NOx生成量大幅度上升。另外，压缩后室内空气中的粉尘吸入蓄热燃烧器的风道中，特别是春天，由于风道的阻塞情况严重，室内空气入量变小，容易造成燃烧器燃烧不完全，从而会影响热裂解炉的烟气检测结果。所以，必须定时排查燃烧器燃烧状况，并定时清洗和保养，使NOx的排放量达标。

5 结语

通过收集各个企业内的数据信息，发现低氮燃烧器能够满足裂解炉生产过程中NOx的排放要求。部分燃烧器的抗干扰能力较强，但部分裂解炉受到炉膛、热场分布的影响，致使低氮燃烧器的改造存在一定的困难。而采用烧焦气返回炉膛的技术，可以有效降低NOx排放。目前存在的主要问题是操作较为困难，需要较多的现场操作人员配合完成，同时，SO2排放问题尚没有较好的解决方法。随着环保要求越来越高，一旦NOx排放要求低于 40 mg/m3或更低,仅靠低氮燃烧器改造，可能无法满足要求,需在裂解炉对流段增加烟气脱硝流程。