乙烯裂解低氮燃烧器研究

乙烯裂解低氮燃烧器研究
发布时间：2022-04-24T01:24:16.231Z 来源：《中国科技信息》2022年1期作者：唐莎莎
[导读] 作为乙烯裂解炉不可或缺的组成部分，燃烧器主要负责向裂解炉提供所需热量，由此可见，燃烧器配置及性能均会给裂解炉产生影响。

唐莎莎
山东鲁轻安全评价技术有限公司山东济南 250000
摘要：作为乙烯裂解炉不可或缺的组成部分，燃烧器主要负责向裂解炉提供所需热量，由此可见，燃烧器配置及性能均会给裂解炉产生影响。

文章以此为背景，首先介绍了低NOx燃烧技术，随后分析了常用减排方法的优势及不足，最后以某石化企业为例，围绕乙烯裂解低NOx燃烧器的使用展开了讨论，内容主要涉及试验方案、监测结果分析两方面。

希望能给相关人员以启发，为日后改进燃烧器等工作的开展提供理论依据。

关键词：氮氧化物；低氮燃烧；乙烯裂解炉
前言：近几年，大气污染问题愈演愈烈，污染大气的物质多来源于石化企业，要想通过净化环境的方式，推动社会朝着持续发展的方向前进，关键是要严格控制工业生产所排放污染物的浓度。

环保部联合质检总局所颁布排放标准明确指出，石化企业应保证所排放烟气NOx含量在100mg/m3以下，颗粒物含量在20mg/m3以下，SO2含量在50mg/m3以下，对尚未达到该标准的裂解炉进行改造势在必行。

1技术说明
裂解炉的运行周期通常在60d~80d之间，运行结束后，废热锅炉和裂解炉的炉管内部将出现结焦情况，导致炉管温度过高，只有进行退料烧焦才能再次投入运行[1]。

一般来说，每年裂解炉的烧焦次数均在7次左右。

产生NOx的原理见表1：
表 1 NOx形成机理
现阶段，常见裂解炉所用燃料均划分成两个区域，各区域组分存在细微差别。

分析可知，裂解炉所用燃料含有机氮化物较少，通常不会产生燃料型NOx。

乙烯裂解炉所产生NOx的类型以快速型、热力型为主，其中，热力型NOx的占比较大，要想使其排放量得到显著降低，通常可采取以下几种方法：首先是改用低NOx燃烧器。

目前，国内外多数生产商均已掌握了对常规燃烧器进行优化的方法，可在规定氧体积分数的情况下，将所排放NOx的浓度控制在100mg/m3以下，相关技术的优势及不足见表2：
表 2 低氮燃烧器介绍
其次是利用SCR技术对烟气进行脱硝，但要保证SCR反应温度始终处于300℃~380℃间，同时确保氨逃逸率约为3mg/m3。

SCR技术具有反应温度低、可将脱硝效率提高到80％、还原所生成产物不会给大气造成二次污染等优点。

最后是注入蒸汽。

简单来说，就是利用蒸汽对火焰区温度加以控制，避免高温燃烧期间产生大量热力型NOx。

事实证明，该方法能够将NOx排放量降至原排放量的90％左右，但会在一定程度上改变燃烧热分配，导致燃烧效率降低。

对处于热备或是烧焦工况的裂解炉而言，由于上述工况并未对供热提出严格要求，同时各工况存在的时间相对较短，有关人员可通过注入蒸汽的方式，对NOx排放量加以控制。

2常用减排方法
若以NOx形成原理为依据，可将现有减排技术划分成燃烧前/燃烧中/燃烧后三类，其中，前期减排的关键是脱氮，中期的关键是控制，后期的关键是降低。

2.1前期脱氮
有关人员可通过对空气预热温度加以控制、对燃料进行脱氮处理的方法，达到减排的目的。

考虑到工业炉多使用分离所得甲烷氢、天然气作为燃料，具有组分稳定、含氮量低的特点，脱氮所能取得效果十分有限。

对预热温度加以控制，强调借助预热器预热空气，确保空气进入炉膛前就已达到一定温度，该方法可使富余热量得到充分利用，保证燃料消耗量始终维持在较低水平。

实验证实，若预热温度超出限值，将使高温烟气所含氮氧化物大幅增多，如果温度未达到要求，则无法取得节能的效果，这点需要引起重视。

2.2中期控制
实证有效的中期控制方法有三个，分别是调整供热方式、注入蒸汽以及优化燃烧状态。

对燃烧器进行设计期间，有关人员需要综合考虑燃烧温度、高温区烟气停留时长和烟气含氧量等参数，视情况对燃烧区域各项参数进行调整，通过破坏产生NOx所需环境的方式，使污
染物排放量得到有力控制。

另外，考虑到底部燃烧器所使用燃烧方式多为扩散燃烧，酌情引入烟气循环、空气以及燃料分级等技术，使火焰温度得到降低，同样可达到控制排放的效果。

2.3后期降低
后期脱除强调借助还原剂，使NOx出现相应的化学反应，从而转变成H20、N2。

目前，使用频率较高的脱除方法，主要包括氧化吸收、低氮燃烧和催化还原等。

3乙烯裂解低NOx燃烧器探究
3.1试验方案
现阶段，国内多家企业均已对燃烧器进行了改造，但乙烯裂解炉所能发挥作用尚未达到预期，要想使排放量得到有力控制，关键是要改进裂解炉。

某石化企业老区现有裂解炉的前身为SRT-Ⅲ，经扩能改造升级为GK-Ⅵ，单炉每年产生由最初的4.4万t增加至6.1万t。

扩能所得全新裂解炉，辐射室炉膛规模并未发生变更，但热负荷较扩能前增加了40％左右，容积热负荷也增加了4％左右，导致单炉所排放NOx大幅上升。

新区现有裂解炉的前身为SL-Ⅵ，对应负荷在10万t左右，经CBL改造升级为CBL-Ⅲ，在不更改负荷的前提下，单炉热效率较之前具有较大幅度的提升[2]。

事实证明，正常工况下，低氮燃烧器能够给裂解炉产生正面影响，保证裂解炉所排放烟气符合要求。

虽然老区现有裂解炉投运时间较长，存在炉型较老的情况，但考虑到低氮燃烧器可针对裂解炉特点，通过模拟运行的方式完成测算以及调整工作，有关人员最终决定利用低氮燃烧器对老区现有裂解炉进行改造。

3.2监测结果
现阶段，行业对裂解炉所提出要求为：无论裂解炉处于何种工况，均要做到达标排放。

鉴于此，有关人员指出应在试验期间密切关注NOx数据，同时利用现有公式对含氧量进行折算，折算公式如下：
若含氧量在3％以上，折算所得数据将较初始数据更大。

现将监测结论归纳如下：裂解炉处于退料状态时，NOx会呈现出明显的增长趋势，其浓度在120mg/Nm3~140mg/Nm3间，对应含氧量在6％左右，折算所得数值在180mg/Nm3左右。

烧焦开始后，含氧量能够提高到约12％，此时，NOx取值在170mg/Nm3~190mg/Nm3范围内波动，折算所得数值在280mg/Nm3~300mg/Nm3间。

为解决含氧量偏高的问题，有关人员选择对裂解炉进行调整，此举并未使含氧量得到明显降低，同时还给烧焦效果产生了影响。

在未进行折算时，烧嘴燃烧所生成NOx浓度已达到100mg/Nm3，折算后浓度约为300mg/Nm3，与环保标准不符。

加之对含氧量进行降低期间，裂解炉内部蒸汽温度将由最初的520℃变更为4850℃，对应横跨段温度也由初始的630℃变更为575℃，难以保证烧焦效果达到预期。

要想做到达标排放，应酌情引入其他方法或手段进行脱硝。

结论：综上，虽然进行低氮燃烧可确保正常工况下裂解炉所排放NOx达到行业标准，但燃烧控制并不适用于过剩空气系数偏高的工况。

现有低NOx烧嘴尚未达到适配全部工况的水平，有关人员指出可酌情引入SCR，该技术强调利用催化剂对NOx进行脱除，使排放效果达到预期。

鉴于此，未来研究的重心应向低NOx烧嘴+SCR倾斜，通过将二者充分结合的方式，确保裂解炉所排放烟气能够最大程度满足各地区要求。

参考文献：
[1]沈远东,詹明秀,李绍华,等.污染土壤直接热脱附燃烧器低氮优化设计及数值模拟[J].环境工程学报,2021,15(10):7.
[2]王小龙,张飞龙,王里,等.一次风速对高浓度煤粉预燃式低氮燃烧器性能影响的数值模拟[J].洁净煤技术,2021,27(4):7.。