延迟焦化装置加热炉氮氧化合物治理.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：严家陈(1996)，男，汉族，安徽六安人，本科，助理工程师。-13-延迟焦化装置加热炉氮氧化合物治理 严家陈 扬子石油化工有限公司炼油厂，江苏 南京 210048 摘要：摘要：延迟焦化装置作为炼厂重油平衡的重要装置之一，为满足 GB31571-2015石油化学工业污染物排放标准对加热炉烟气中 NOx是排放标准的有关要求。对扬子石化 160万吨/年延迟焦化装置加热炉实行低氮燃烧器改造。并对其投运后 NOx 的防治效果进行跟踪分析。结果表明：针对以燃料气为燃料的延迟焦化装置双面辐射加热炉，此低氮燃烧技术应用效果达到预期，烟气中 NOx 浓度满足 GB31571-2015石油化学工业污染物排放标准特别排放限值 100mg/m3 的要求。关键词：关键词：延迟焦化；加热炉；NOX；低氮燃烧器 中图分类号：中图分类号：TE62 0 引言 氮氧化物（NOx）是大气的主要污染物之一，其温室效应是二氧化碳的 200 倍左右1-3。NOX不仅是光化学烟雾的主要成分，也能破坏臭氧层。2015 年 7 月 1 日起实施的 GB31571-2015石油化学工业污染物排放标准中规定特别限值地区现有企业工艺加热炉自 2017年7月1日起执行氮氧化合物排放值不超过100mg/m3。随着环保标准愈加严格，政府对加热炉烟气排放要求也越来越高。对于扬子石化 160 万吨/年延迟焦化装置加热炉，烟气中的主要污染物就是 NOX。因而，对于石化企业而言，如何有效降低加热炉烟气中的氮氧化合物，进而实现节能减排是当务之急。1 改造背景 2010 年扬子石化 160 万吨/年延迟焦化装置加热炉实施深度裂化改造，加热炉燃烧器更换为高效节能燃气燃烧器，运行时 NOX浓度大于 85mg/m3，并偶尔超出 100mg/m3，不满足现在的环保要求。跟踪 2020 年 3月1日5月27日的160万吨/年延迟焦化装置加热炉烟气 NOX小时值共有 2097 个数据，分析了 NOX超标100mg/m3 和 90mg/m3 的两种情况。第一种情况：烟气 NOX超过 100mg/m3 的有 4 次，其中连续 3 个点超标 1 次。第二种情况：烟气氮氧化物低于 100mg/m33 但超过 90mg/m3 的共有 138 次，其中连续 3 个点超标 7 次，出现连续 10 和 12 个点超标各有 1 次。根据大气污染防治法第三十四条和大气污染排放物标准（GB31570-2015）第7.2.1条规定，图 1 加热炉烟气 NOX曲线图 烟气超标排放以烟气小时平均值超标计算，其中超标排放浓度不高于限值 1.5 倍的，责令改正并处罚款人民币 2 万元及以下。综上，扬子石化 160 万吨/年延迟焦化装置加热炉烟气 NOX排放已出现超最新环保指标的情况，NOX排放数值整体较高。已不满足实际生产需要，装置运行存在非常大的环保风险。2 加热炉烟气 NOx 的生成机理 NOX是 NO、NO2和 N2O 等多种氮氧化物的合称，而在加热炉正常运行期间燃烧产生的 NOX以 NO 为主，约占 表 1 加热炉 NOX浓度数值超标统计表 状态 100mg/m3 以下 90mg/m3 以上 连续超标点数 1 个 点 2 个点 3 个点 4 个点 5 个点 6 个点 7 个点 8 个点 10 个点 12 个点 次数 20 11 7 2 2 2 1 2 1 1 406080100120mg/m3中国科技期刊数据库 工业 A-14-90%。相关理论研究表明，在实际压力下，温度高于116.1时，氮气和氧气生成一氧化氮反应，反应速度受温度的影响较大。当加热炉内火焰温度在 1200以上时，便能迅速生成 NOX。使用红外测温仪监测，扬子石化160万吨/年延迟焦化装置加热炉火焰温度一般在1000左右，虽未达到快速生成阶段，但 NOX仍会大量生成。这一生成机理也被称作热力型 NOX，此外还有燃料型 NOX和快速型 NOX；燃料型 NOX是指加热炉燃料气中的含氮化合物在燃烧过程中热分解后继而进一步被氧化生成 NOX；快速型 NOX是指燃料气在燃烧时与空气中的氧气反应生成 NOx。相比于燃料型 NOX和快速型 NOX，在加热炉正常运行的过程中产生的 NOx 主要来源于热力型 NOX4-5。基于 NOX的形成机理，目前减少 NOX排放主要有三种途径：一是采用低氮燃料；二是采用低氮燃烧器6，抑制燃烧过程中 NOX的产生；三是进行烟气脱硝改造，利用氧化剂将 NO 氧化成 NO2，生成的 NO2再利用水或碱性溶液吸收，从而实现脱硝。3 治理方案 扬子石化160万吨/年延迟焦化装置加热炉燃料气氮含量较低，具体组分见表 2，所以对加热炉烟气 NOX的影响较小；烟气脱硝改造可以有效降低烟气 NOX，但改造难度大，投资大。由于燃气加热炉产生的 NOX为热力型NOX，采用低氮燃烧器可以大幅降低NOX的产生量，使加热炉烟气中的 NOX排放达到较低水平。扬子石化160万吨/年延迟焦化装置加热炉采用双面辐射加热炉，加热炉正常热负荷为 49.55MW（4260万大卡/时），设计最大负荷为60MW（5160万大卡/时）。根据运行需要，选择主、辅枪 3+3 形式的附墙焰气体燃烧器。其燃烧器结构由火盆砖、燃气枪（主、辅枪组成：3+3,4+4）、长明灯、筒体、调风机构等组成。该燃烧器低 NOX燃烧控制原理是采用了燃料分级的分段燃烧技术，火盆内采用主枪，火盆外采用辅枪，主、辅喷头多喷孔、多夹角设计，主枪经过长明灯点燃后，燃烧烟气在火道内部产生涡流，强化混合，并从火盆砖设置的水平孔和竖直孔喷出，点燃辅枪，烟气对分级的二级燃气起到引燃作用，保证了燃料的分级稳定燃烧。同时，分级的主、辅气枪在火盆内外着火区域位置采用的高度差设计，实现了燃料的分段燃烧，抑制了燃烧烟气中 NOX生成，有利于降低 NOX排放；依靠火盆砖的独特结构，火盆倾斜面对二级燃气和烟气产生的附面效应，和二级燃气与一级烟气小夹角相交，相交处形成滞止低压区，产生的涡流起到烟气回流作用，及二次射流对烟气紊流涡团的揉搓摩擦作用，燃气与烟气混合速度加快，卷吸掺混作用增强，都强化了混合，火焰沿墙面呈扇形展开，形成稳定的宽扁平附墙火焰，降低了火焰表面温度，有效地抑制了烟气中 NOX的生成，从而实现了燃烧烟气的超低 NOX排放，达到了高效、节能、低 NOX污染排放与低噪声的环保目的。根据实际改造需要，提出以下技术要求，总结如下：（1）低 NOX燃烧器均需设长明灯、看火孔和点火孔。（2）燃烧器主要部件应由耐高温，抗磨损和抗腐蚀的材料制成。燃料气气枪喷嘴、长明灯喷嘴和稳焰罩材质为 0Cr25Ni20，气枪和长明灯枪管材质为0Cr18Ni9，调节挡板轴采用 0Cr18Ni9，燃烧器配套耐火砖采用LZ-65高铝砖（Al2O365%）（烧制成品供货），表 2 加热炉所用燃料气组成明细表 序号 组分 占比(V%)1 氢气-H2 10.17 2 氮气-N2 4.37 3 氧气-O2 0.5 4 甲烷-CH4 53.6 5 乙烷-C2H6 22.8 6 乙烯-C2H4 2.28 7 丙烷-C3H8 3.84 8 丙烯-C3H6 1.18 9 异丁烷-I-C4H10 0.3 10 正丁烷-N-C4H10 0.66 11 丁烯-C4H8 0.34 12 戊烷-C5H12 0.01 13 一氧化碳-CO 0.4 14 硫化氢-H2S 3mg/m3 15 总计 100 中国科技期刊数据库 工业 A-15-耐火度1650。（3）燃烧器的空气入口调节挡板，在热风条件下，转动灵活，不卡死。（4）调节挡板外壳上标示气流方向，设风门开度位置指示盘，调节手柄能定位制动。（5）燃烧器本体采用内保温消音结构，隔热和吸音材料采用不锈钢网孔板固定，在环境温度 27无风条件下保证燃烧器外壁温度65。（6）燃烧器筒体外壁采用 Q235B 钢板制造，壁板厚度不小于 5mm。（7）燃烧器结构上确保燃料气气枪和长明灯均可方便装卸，以便维护清洗。（8）长明灯的安装位置和尺寸确保能够点燃主燃烧器燃料。长明灯在任何操作工况下保持稳定，不能有脱火或熄灭发生。在加热炉运行期间，在燃料和空气流量范围内，长明灯能再次点燃主燃烧器。（9）在任何操作条件下，即使主燃烧器停烧时，也连续向长明灯提供空气。（10）更换后的燃烧器的长明灯、看火孔和点火孔，需设置防漏风措施。（11）燃烧器内所有连接管（包括金属软管）均应是气密性连接。4 实施效果 图 2 改造前后加热炉烟气 NOX数值变化图 2021 年 4-5 月进行项目实施，实施完成后，对加热炉烟气 NOX进行跟踪，改造前后 3 个月烟气 NOX浓度数值变化趋势见图 2。从图 2 可以看出，通过将加热炉火嘴更换为低氮燃烧器，加热炉烟气 NOX在项目实施后显著降低，以 3 月和 6 月数据进行比较，最大值降低42.3%，最小值降低 58.3%，平均值降低 47.7%；改造后最大值且低于改造前最小值。综上，改造效果良好。2020 年 1 月 1 日10 月 31 日加热炉烟气数据氮氧化物实测浓度 79.83mg/m，加热炉烟气日均排放量为1019643.857Nm，则氮氧化物日均排放量是 81.398 公斤，需要的日均排污费 719.7297 元，如此，则年需缴纳排污费26.27万元。加热炉进行低氮燃烧器改造后，氮氧化物可达到50mg/m以下，则年减少排污费用9.81万元。除可以减少排污费外，加热炉更换低氮燃烧器后，低氮燃烧技术与自动化技术结合，实现了对炉体运行情况连续监测，保证供热量满足生产需要的同时，避免过度加热带来的能源浪费，可有效减少加热炉燃料气消耗量。同时加热炉排放烟气中 NOX含量能够大幅下降，装置正常生产操作能够得到保证，完全避免了烟气中 NOX超标排放引起政府部门行政处罚的风险。随着环保标准的日益提高，不排除 NOX排放限值进一步降低的可能。目前NOX最大值稳定在50mg/m3以下，未来通过对加热炉实行低氧燃烧等自动化技术改造，优化加热炉氧含量的控制，进一步降低 NOX浓度以达到排放标准。5 结论 针对以燃料气为燃料的延迟焦化装置双面辐射加热炉，此低氮燃烧技术应用效果达到要求，烟气中 NOX浓度满足 GB31571-2015石油化学工业污染物排放标准特别排放限值 100mg/m3 的要求。参考文献 1Filtschew,A.;Beato,P.;Rasmussen,S.B.;Hess,C.,The Role of Platinum on the NOx Storage and Desorption Behavior of Ceria:an Online FT-IR Study Combined with in situ Raman and UV-vis SpectroscopyJ.PCCP 2021,23(3):1874-1887.2Brown,S.S.;Stutz,J.,Nighttime Radical Observations and ChemistryJ.Chem.Soc.Rev.2012,41(19):6405-6447.3Chen,Z.;Bian,C.;Guo,Y.;Pang,L.;Li,T.,Efficient Strategy to Regenerate Phosphorus-Poisoned 中国科技期刊数据库 工业 A-16-Cu-SSZ-13 Catalysts for the NH3-SCR of NOx:The Deactivation and Promotion Mechanism of PhosphorusJ.ACS 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