超低氮燃烧器在重整四合一炉中的应用

曹文强 张江伟 赵湘庆

摘 要：随着国家对烟气中的氮氧化物（NOx）含量的排放指标要求逐步提高。通过对燃烧过程中NOx的生成机理进行了剖析，提出针对炼厂工艺加热炉降低NOx排放的改造方案，加热炉燃烧器改造后采用超低氮燃烧技术。改造后优化生产操作，加热炉烟气中NOx浓度低于100mg/m3，实现了《关中地区重点行业大气污染物排放标准》达标排放。

关键词：低氮燃烧器;四合一加热炉;NOx;炉膛温度

0 引言

大气中N0x含量的增加，是形成PM2.5和雾霾的重要原因，N0。作为大气的主要污染物之一，除一次污染物直接对环境、人体健康有害外，还会产生多种二次污染物。

依据《关中地区重点行业大气污染物排放标准》中要求，陕西省现有企业自2018年6月1日起执行其标准排放限值，对现有和新建的石油化工过程中工艺加热炉烟气中NOx的排放浓度限值降为小于或等于100mg/m3。

针对长庆石化60万t/a连续重整装置四合一加热炉烟气中NOx排放擦边的问题进行改造，了解燃烧过程中NOx的生成机理和低氮燃烧器的燃烧技术，最终选用了新型超低氮燃烧器进行应用，经过13个月的运行四合一加热炉烟气指标均符合标准。

1 燃烧过程中NOx生成机理

绝大部分燃烧方式产生的NOx，NO占90%以上，其余NO2。[1]理论上NOx的生成机理有三种：快速或直接转化型、燃料转化型、热力型或热转化型[2]。

连续重整装置四合一加热炉燃料为公司的管网瓦斯，由于氮含量很少，因此烟气中NOx大多数为热力型N0x。热力型或热转化型反应式：

热力型NOx的生成量和燃烧温度关系很大，在温度足够高时，热力型NOx的生成量可占到N0x总量的90%，随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。

当T<1300℃[3]时，N0x的生成量不大，而当T>1300℃时，T每增加100℃，NOx反应速率增大6～7倍。

2 旧型低氮燃烧器的运行情况

低氮燃烧器一般采用以下三种燃烧技术：

①空气分级;

②燃料分级;

③烟气回流技术。

空气分级技术是低氮燃烧器前期技术，对烟气NOx含量的控制只能维持在200mg/m3左右，不满足现在烟气排放标准，故最近几年低氮燃烧器基本都采用后两种技术。

2.1 旧型低氮燃烧器结构（GCFB-II（A型）燃烧器）

旧型低氮燃烧器型号为GCFB-II（A型）燃烧器，其火嘴结构为一个主火枪和4个边枪组成。GCFB-II（A型）燃烧器采用的是瓦斯分级和烟气回流结合技术，可以通过分级瓦斯，一级瓦斯首先和过量空气初次燃烧，未然燃尽烟气中的氧和二级瓦斯再次混合燃烧。由于二级瓦斯流速高周围产生了负压，炉膛中的烟气产生了回流，冷却了火焰温度，降低了氧分压，使烟气中的NOx降低至100mg/Nm3左右。

2.2 旧型低氮燃烧器的运行情况

GCFB-II（A型）燃烧器上周期在连续重整装置四合一加热炉中运行基本满足排放标准，但是烟气中NOx含量时而出现擦边情况。

旧型低氮燃烧器燃烧烟气中NOx含量高的时间段在冬季，室外空气温度较低，由于四合一加热炉燃烧器采用的是自然通风，冬季进入燃烧器的空气温度较低，对产生NOx有较大影响，烟气中NOx含量已接近指标[4]。四合一炉的通风方式改造难度较大，故公司采取更换更先进的新型超低氮燃烧器来保证四合一加热炉烟气指标达标。

3 新型超低氮燃烧器在重整四合一炉中的运用

3.1 新型超低氮燃烧器结构

图1为新型超低氮燃烧器GCFB-IV结构图，其火嘴由6个边枪组成，3个可调边枪，每个边枪由两个小火嘴组成，无主火嘴。GCFB-IV燃烧器采用的是瓦斯分级和烟气回流结合技术

3.2 新型超低氮燃烧器运行情况

自2019年8月检修完成后，安装新型超低氮燃烧器的重整四合一加热炉投入运行，至2020年9月已运行13个月，现对该燃烧器运行情況进行分析。

从表1数据可知，新型超低氮燃烧器运行各项指标稳定，烟气中NOx含量基本稳定，低于100mg/m3，距离指标上限较远，较上周期同期（2018年）下降30mg/m3，符合预期效果。但运行过程中会偶尔出现炉膛温度超限情况，制约加热炉出口温度。

3.3 影响新型超低氮燃烧器正常运行因素

自新型超低氮燃烧器运行以来，出现过火嘴边枪堵塞频繁、炉膛温度过高等问题，影响该燃烧器运行的主要因素有烟气氧含量、空气温度、燃料气组分等。

3.3.1 烟气氧含量

当氧含量增大时，对烟气NOx排放的影响呈增大的趋势。在加热炉运行过程中，随着烟气氧含量的减少，可以有效抑制NOx的生成。通过调节加热炉烟道挡板和供风挡板开度，在炉膛一定负压的情况下，控制加热炉氧含量在较低的范围内。

另外炉内的氧含量过低时，会增加化学不完全燃烧的损失，使加热炉的热效率下降。因此对每台加热炉的风门进行调节，使其在处于最佳的燃烧状态[5]。

3.3.2 燃料气组分

燃料气中的氢气含量越高，烟气中NOx的生成速率呈增大趋势。适当降低燃料气中的氢气含量可有效减少NOx的排放，连续重整四合一加热炉燃料气由两路组成，一路为燃料气管网供给，氢气含量约为64%，一路为重整液化气汽化器供给，氢气含量为0，故适当增大液化气供给，可降低四合一炉烟气中NOx浓度。

4 总结

综上所述，长庆石化60万t/a连续重整装置四合一加热炉在更换为新型超低氮燃烧器（GCFB-IV）后，经过13个月的运行，将影响加热炉的各项因素（烟气氧含量、空气温度、燃料气组分）进行调整后，新型超低氮燃烧器（GCFB-IV）燃烧达到最好效果，主要大气污染物NOx从平均80mg/m3降至50mg/m3，完全低于《关中地区重点行业大气污染物排放标准》大气污染物NOx排放标准100mg/m3，达到预期效果，加热炉运行平稳，烟气排放各项指标均符合标准。

参考文献：

[1]张建，徐红兵，等.低NOx燃烧器研究开发[J].乙烯工业，2006，18（1）：22-25.

[2]卜银坤.关于锅炉NOx生成机理及科学超低排放的理论研究口[J].工业锅炉，2016（4）：8-16.

[3]沈永庆.低NOx燃烧技术的研究[J].云南电力技术，2006，34（3）：30-32.

[4]王恩禄，张海燕，罗永浩，等.低NOx燃烧技术及其在我国燃煤电站锅炉的应用[J].动力工程，2004，24（1）：23-28.

[5]苏毅，揭涛，沈玲玲，等.低氮燃气燃烧技术及燃烧器设计进展[J].工业锅炉，2016（4）：17-25.