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摘要：石化装置管式加热炉燃烧过程中产生的氮氧化物伴随着烟气排放至大气中，对环境与人类具有较大的危害。文章介绍了某石化装置管式加热炉烟气中氮氧化物的生成机理与排放浓度计算方法，并以高热负荷管式加热炉NF-503、低热负荷管式加热炉F-101C为例，探讨了低氮燃烧器改造、降低过剩空气系数、降低热空气温度等加热炉氮氧化物减排措施的原理、适用条件与应用效果。研究结论对相关企业管式加热炉氮氧化物减排具有一定的借鉴意义。
关键词：管式加热炉；氮氧化物；低氮燃烧器；过剩空气系数；热空气温度
0引言
氮氧化物是主要的大气污染物，对环境与人类具有较大的危害。研究表明，大气中的氮氧化物不仅会导致光化学烟雾、酸雨、臭氧层破坏等环保问题，还会引发人类呼吸系统疾病[1-3]。管式加热炉是石油化工装置工艺反应、产品分离的主要热源，其燃料燃烧过程中产生的氮氧化物是大气中氮氧化物的重要来源。根据GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》，自2017年7月1日起，石油炼制相关企业工艺加热炉氮氧化物排放限值为150 mg/m3，需要采取特别保护措施地区的相关企业工艺加热炉氮氧化物排放限值为100 mg/m3[4]。随着国民经济的发展，各级政府对石化企业加热炉污染物排放指标提出了严于国家标准的要求，且标准逐步提高。综上，采取相应措施持续降低石化装置管式加热炉氮氧化物排放对环境保护、人类健康、企业依法合规生产具有重要而深远的意义。本文以某石化装置高热负荷加热炉NF-503、低热负荷加热炉F-101C为例，探讨了降低管式加热炉氮氧化物排放的有效途径，对相关企业氮氧化物减排具有一定的借鉴意义。
1氮氧化物的生成机理与排放浓度计算方法
某石化装置管式加热炉所用燃料为天然气与瓦斯气，燃料中不含氮的化合物，其排放的氮氧化物是由空气中的氮气在高温下与氧气反应生成。研究表明，燃料燃烧过程中氮气在高温下与氧气反应生成的氮氧化物中，一氧化氮占比最高，可达90%以上，其次为二氧化氮，主要是高温的一氧化氮被空气急速冷却时产生。氮氧化物的生成速度与燃烧温度、高温区烟气中的氧浓度、烟气在高温区的停留时间呈正相关关系[5-8]。
某石化装置管式加热炉烟气在线监测表采用非分散紫外吸收法检测烟气中的污染因子，该方法可以直接测量烟气中一氧化氮与二氧化氮的实际浓度。根据HJ 76—2017《固定污染源烟气(SO2、NOx、颗粒物)排放连续监测系统技术要求及检测方法》，烟气实测氮氧化物排放浓度可用下式计算[9]：
式中：ρNOx实为实测氮氧化物排放浓度(mg/m3)；ρNO2实为实测二氧化氮排放浓度(mg/m3)；ρNO实为实测一氧化氮排放浓度(mg/m3)；MNO2为二氧化氮摩尔质量(g/mol)；MNO为一氧化氮摩尔质量(g/mol)。
为了统一监测标准，根据GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》，工艺加热炉烟气的氮氧化物实测浓度需折算为含氧量为3%的氮氧化物基准排放浓度，再使用氮氧化物基准排放浓度与排放限值作对比。氮氧化物基准排放浓度计算公式如下[4]：
式中：ρNOx基为氮氧化物基准排放浓度(mg/m3)；O基为干烟气基准含氧量(%)，工艺加热炉取3%；O实为实测干烟气含氧量(%)；ρNOx实为实测氮氧化物排放浓度(mg/m3)。
2降低氮氧化物排放的措施与方法
2.1燃烧器升级改造
2.1.1改造方案
煤油加氢反应炉F-101C为立式圆筒炉，共8台燃烧器，每台燃烧器负荷为0.75 MW，装置开工时需要使用8台燃烧器，正常生产时仅用4～5台燃烧器即可满足负荷要求。热载体加热炉NF-503为立式圆筒炉，共9台燃烧器，四周布置8台6.75 MW燃烧器，中间布置1台17 MW大燃烧器。近年来，某石化装置将F-101C的全部燃烧器、NF-503四周的8台燃烧器升级改造为低氮燃烧器。F-101C、NF-503采用的低氮燃烧器结构原理如图1所示，该型低氮燃烧器主要应用了燃料气分级燃烧技术与烟气内循环技术，通过降低火焰的局部燃烧温度与高温区氧分压，达到抑制氮氧化物生成的目的[10-12]。具体原理如下：
(1)低氮燃烧器燃料气喷枪沿耐火砖内外两侧均匀分布，耐火砖内侧为一级燃料气喷枪，耐火砖外侧为二级燃料气喷枪，空气全部通过耐火砖内侧进入燃烧器。耐火砖内侧的一级燃料气(占比约15%)与全部的空气混合后进入一级燃烧区燃烧，空气的温度约为130℃,远低于火焰燃烧温度。因此，在一级燃烧区内过量的空气吸收了大量的热量，降低了火焰的温度，抑制了氮氧化物的生成。耐火砖外侧的二级燃料气(占比约85%)与一级燃烧区燃烧后的烟气混合后进入二级燃烧区燃烧，因部分氧气已被一级燃料气消耗掉，在二级燃烧区内氧气浓度已经下降，氧分压降低，这进一步抑制了氮氧化物的生成。
(2)一级燃料气、二级燃料气喷枪喷嘴处孔径较小，燃料气经此处喷出后局部流速增大，在燃烧器及炉膛内部形成低压区，将炉膛内部遇冷下沉的贫氧烟气卷吸入燃烧区，既降低了火焰燃烧温度，又降低了燃烧区的氧分压，从而抑制了氮氧化物的生成。
2.1.2改造效果
改造前，F-101C、NF-503烟气氮氧化物含量均超过100 mg/m3，经过燃烧器升级改造后，两台加热炉连续10 d烟气氮氧化物基准排放浓度如图2所示。从图中可以看出，改造后F-101C、NF-503烟气氮氧化物基准排放浓度约为60 mg/m3，远低于国家排放标准100 mg/m3，且浓度趋势较为平稳，可以满足装置当前达标排放的需求。
2.2适当降低过剩空气系数
受加热炉燃烧器工作性能的限制，燃料气不可能与空气完全均匀混合，无法在化学平衡的理论空气量下实现完全燃烧。因此，为了保证燃料气充分完全燃烧，避免燃料的浪费，必须给予过量的空气。燃料气燃烧所用的实际空气量与理论空气量之比被称为过剩空气系数，一般用α表示[5]。在实际化工生产中，一般采用控制炉膛顶部烟气中存在一定量氧气的方式来实现空气过剩，保证燃料气充分燃烧。过剩空气系数与炉膛顶部烟气氧含量的换算公式如下：
式中：α为过剩空气系数；v(O2)为炉膛顶部烟气氧体积含量。
由氮氧化物的生成机理可以知道，随着过剩空气系数的增加，烟气在高温区的氧浓度增加，且燃料气燃烧得更加充分，燃烧温度增加，因此氮氧化物生成量相应增加。但当过剩空气系数增加到一定程度后，火焰温度被大量空气冷却，温度降低，且烟气总量变多，氮氧化物被稀释，烟气中的氮氧化物浓度逐渐降低。试验表明，当过剩空气系数α小于1.2时，随着过剩空气系数的增加，火焰的燃烧温度先升高后降低，烟气中的氮氧化物浓度逐步增加[13]。
过剩空气系数的大小不仅对火焰燃烧温度、烟气中的氮氧化物浓度有影响，还对加热炉的热效率存在一定的影响。过剩空气系数越大，烟气量越大，排烟热损失越大。因此，在保证燃料气完全燃烧的前提下，过剩空气系数越低，排烟热损失越小，炉效率越高。目前，对燃气燃烧器，过剩空气系数推荐值为1.05～1.15[5]。
综上可知，对使用燃料气作为燃料的管式加热炉，当过剩空气系数小于1.2时，适当降低过剩空气系数时，可以获得一个最佳过剩空气系数，既能够保证燃料气充分燃烧，获得最高的燃烧温度，最大限度地提高加热炉的热效率，同时又可以持续降低加热炉烟气中的氮氧化物含量。
某石化装置管式加热炉NF-503辐射室顶烟气过剩空气系数控制在1.14，炉膛温度约为750℃,烟气中的CO浓度为0 mg/m3，过剩空气系数控制存在进一步优化的空间。因此选取该炉为研究对象，逐步降低过剩空气系数，烟气中的一氧化碳含量与氮氧化物含量变化如图3所示。从图3可以看到，NF-503辐射室顶过剩空气系数从1.14降至1.06时，烟气中的氮氧化物实测排放浓度与基准排放浓度呈下降趋势，实测排放浓度从60.4 mg/m3降低至38.3 mg/m3，基准排放浓度从65.5 mg/m3降低至39.1 mg/m3。过剩空气数从1.14降至1.08时，烟气中的一氧化碳浓度一直为0，燃料气在炉膛内可以充分燃烧。当过剩空气系数从1.08降至1.06时，CO浓度从0 mg/m3升至62.5 mg/m3，炉膛内部开始出现不完全燃烧现象。因此，当过剩空气系数为1.08时，NF-503燃料气能够实现完全燃烧，排烟热损失最低，热效率最高，且氮氧化物实测排放浓度与基准排放浓度很低，为45.5 mg/m3与46.6 mg/m3，较过剩空气系数1.14时分别降低了24.7%与28.9%。
2.3适当降低热空气温度
为了回收利用加热炉烟气中的余热，降低加热炉排烟损失，提高加热炉热效率，多数石化装置管式加热炉设置了空气预热器，冷空气经过空气预热器被热烟气预热后进入燃烧器与燃料气混合燃烧。虽然设置空气预热器预热空气提高了加热炉的热效率，降低了加热炉的燃料气用量，但由氮氧化物生成机理可知，随着空气温度的增加，大量的热量被携带至燃烧区，燃料气燃烧区域温度逐步上升，燃烧生成的氮氧化物量将逐步上升。以某石化装置加氢反应炉F-101C为例，研究了热空气温度对低热负荷管式加热炉氮氧化物排放浓度与燃料气用量的影响。图4反映了F-101C燃料气用量、氮氧化物基准排放浓度随热空气温度的变化趋势，可以看出，随着热空气温度的增加，F-101C氮氧化物基准排放浓度逐渐上升。热空气温度低于110℃时，F-101C天然气用量随热空气温度的增加而逐渐降低，热空气温度大于110℃时，随着热空气温度的增加，F-101C天然气用量无明显减少趋势。因此，当热空气温度大于110℃时，降低F-101C热空气温度，可以有效减小该炉烟气中的氮氧化物基准排放浓度，同时燃料气用量无明显上升趋势，氮氧化物排放总量下降。
3结语
本文以某石化装置高热负荷加热炉NF-503、低热负荷加热炉F-101C为例，探究了降低管式加热炉氮氧化物排放的有效途径，具体结论如下：
(1)将传统的燃烧器升级改造为基于燃料气分级燃烧技术与烟气内循环技术的低氮燃烧器可以大幅降低管式加热炉的氮氧化物排放，是目前管式加热炉降低氮氧化物排放较为直接有效的途径。NF-503、F-101C经过低氮燃烧器改造后，氮氧化物排放浓度均从100 mg/m3以上降至60 mg/m3左右，远低于国家排放标准100 mg/m3，改造效果明显。
(2)对炉膛温度较高、空气过剩且燃料气完全燃烧的管式加热炉，适当降低过剩空气系数，在保证燃料气充分燃烧的基础上，既可以获得最高的热效率，又能够有效降低烟气氮氧化物排放浓度。将NF-503的过剩空气系数从1.14降至1.08，燃料气仍能够实现完全燃烧，热效率最高，氮氧化物实测排放浓度与基准排放浓度均大幅降低，为45.5 mg/m3与46.6 mg/m3，较过剩空气系数1.14时分别降低了24.7%与28.9%。
(3)对低热负荷的管式加热炉，适当降低热空气温度，可以有效降低氮氧化物排放，又不会造成燃料气的大量浪费。以F-101C为例，当热空气温度大于110℃时，降低热空气温度，可以有效减小该炉烟气中的氮氧化物基准排放浓度，同时燃料气用量又无明显上升趋势，氮氧化物排放总量下降。
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人参与 2024-09-30 10:14:00 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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