罗映波 张海波 王辉 文锋

（1.岳阳恒盛石化科技有限公司；2.中海油中捷石化有限公司）

1 概述

中海油中捷石化有限公司运行二部60×104t/a汽油加氢脱硫装置反应进料加热炉（F-201），为辐射+对流型立管立式圆筒炉，炉底设置4台底烧圆火焰燃气燃烧器。常用的燃料气有2种：切割塔顶不凝气；丙烷气。采用自然通风形式[1]，燃烧器单台设计负荷1.185 MW。为了兼顾全厂生产，减少停产经济损失，在不停炉的情况下进行低氮燃烧器的更新改造，目标是使烟气中NOx排放 浓 度 从130 mg/m3（标况）以上降低至80 mg/m3（标况）以下，符合GB 31570—2015达标排放小于或等于100 mg/m3（标况）要求。

2018年9月进行在线改造，改造前燃烧器火焰情况，见图1所示。改造时，将加热炉负荷降低至设计负荷的70%，然后逐台在线更换原有燃烧器。为不影响油品质量，一般采取先稳定操作，再关停、更换，再稳定操作的方式，维持炉膛温度基本恒定，确保正常开车。在全部更换调整稳定阶段，装置燃料气组分变化较大，燃料气热值也相差加大，为此，先后对燃烧器喷嘴进行多次调整，最终，将烟气中的NOx排放浓度控制在60 mg/m3（标况）以下。

2 低氮燃烧器的选型

低氮燃烧器选型、设计[2]，一般需要综合考虑燃料物性、压力、温度、助燃风温度、含氧量、炉膛温度、炉膛操作压力、烟气氧含量控制水平、燃烧器布置、火焰形状要求等。根据工艺及环保排放的要求，此次改造所选燃烧器采用低NOx环保型燃气燃烧器，主要由火盆砖、筒体、长明灯、环形气包枪（8个喷嘴）、调风蝶阀等组成。燃烧器安装在加热炉炉底板，火焰向上，火焰截面形状为圆形，低NOx燃气燃烧器、设计火焰形状见图2、图3所示。

燃烧器采用燃料分级+炉内烟气回流+旋流火焰等低NOx组合技术[3]，一级燃料气旋流燃烧，在火盆砖出口端面处形成环形稳燃火焰区域，由于二级燃料气喷头处于该火焰环面上，燃气根部被可靠的加热至高温，再加之二级燃料气喷向火盆砖上空时，引射了大量的炉内烟气卷入火焰区域，有效地降低了燃料气浓度，且由于被卷入的烟气温度较低，使得火焰温度被控制，有效地抑制了烟气中NOx的生成量，从而实现了燃烧烟气的低NOx排放[4]。另外，助燃空气被包裹在火焰中心，形成空心的火焰，火焰中心温度较低，能有效地抑制NOx生成。

图1 改造前燃烧器火焰

图2 低NOx燃气燃烧器

图3 设计的火焰形状

3 现场改造

3.1 准备工作

加热炉燃烧器在线更换改造工作具有一定的危险性，组织实施前一定要进行风险评估，并进行充分的准备。改造施工时，施工方与用户方务必按“施工方案”要求做好相关准备及应急处理措施，以确保加热炉平稳操作，杜绝事故发生[5]。

施工前，对加热炉工况进行调整：一般使加热炉处理量降至70%以下水平运行，自然通风的供风方式。因为，随着改造的推进，将有1台待更换的燃烧器必须处于熄灭状态，且拆除该燃烧器直至安装新燃烧器时，开口处会有一定时间处于漏风状态，这些都会影响燃烧器负荷，进而影响炉膛温度，限制加热炉运行负荷。

3.2 改造实施

实施步骤：加热炉负荷70%、自然通风、炉膛压力-10～-30 Pa、烟气氧含量控制7%～8%、解除自动连锁控制改为人工调整、控制模式→稳定工况4 h以上→人员、机具、火票、灭火器、隔离线等→关停待更换燃烧器，同时调整其余3台燃烧器负荷，确保炉膛温度稳定→快速拆除旧燃烧器→快速安装新燃烧器→新燃烧器点火、调整，同步关停另一台旧燃烧器，确保炉膛温度稳定→快速拆除旧燃烧器→快速安装新燃烧器，直至旧燃烧器全部更换完成→所有燃烧器进行调整→逐步提高加热炉处理量至正常水平→烟气检测、分析→燃烧器调整[6]。

3.3 改造效果

第一次改造后，火焰略飘而短，火焰颜色明显偏黄色，见图4、图5。随机抽取其中1台燃烧器，并拆下喷头，发现在燃烧器投入运行1 h后就有严重的积碳现象，见图6。检测烟气中NOx含量，则由改造前的130 mg/m3（标况）降至80～90 mg/m3（标况），烟气中CO含量为0，污染物排放浓度有所改善，但是，当燃料气切换至切割塔顶不凝气时，烟气中NOx仍有超过100 mg/m3（标况）的现象，因此，并不能完全满足环保要求，需要进行优化。

图4 第一次改造后火焰

图5 第一次改造后火焰中心

图6 改造后喷头

表1 改造方案及优化方案参数

4 优化整改

4.1 技术分析

从现场采集的数据看，NOx浓度变化与燃料组分变化规律一致，其中H2组分易燃且火焰传播速度快，对于燃料气燃烧时间影响最大，火焰偏短，燃烧较为集中，火焰区域体积热强度较大，火焰温度高，高温型NOx产生未得到完全而有效抑制[7]。另外，一级燃料气喷孔（8个ϕ1.5 mm孔）设计负荷比例占36%，一级燃料气旋流燃烧，在火盆砖出口端面处形成环形稳燃火焰区域，加热二级主燃料气，而燃料气中C3、C4、C5组分的自燃温度基本都低于500℃，H2易燃且火焰传播速度快，因此，二级燃料气被加热后温度过高，喷射到火盆上空与助燃空气混合后快速燃烧，过程较短，火焰偏短[8]。

从用过不久的喷嘴就开始有积碳现象分析，一级燃料气并未充分混合燃尽，导致烃类可燃物高温分解脱碳，故而出现火盆砖口火焰根部火焰发黄、发亮；二级燃料气在根部被加热温度过高，未及时与助燃空气混合燃烧，故出现碳黑粒子，碳黑粒子未燃尽时悬浮在火焰中，具有固体表面辐射特点，有较强辐射能力，并使火焰发光[9]。

因此，优化整改需从燃料分级及燃料喷射角度入手：一是降低一级燃料所占比例，降低二级燃料气温升，减缓燃烧速度；二是改变燃料喷射角度，使燃料分布送入时机合理，减低火焰区域燃烧强度；三是合理设计二级燃料气喷射角度和喷速，引射更多的炉内烟气回流到火焰中心，快速冷却火焰，降低二级燃料气浓度，减缓燃烧速度，使火焰更长，火焰散热面加大。

4.2 喷头优化及效果

根据上述分析，基本确定2个优化方案，即优化方案A和B，改造方案及优化方案的相关参数见表1，喷头外形见图7。

优化方案A的一级和二级燃料气喷孔及角度进行了调整，相较于第一次改造，一级燃料气负荷占比从36.0%将低至30.7%，二级燃料气角度由48°改为8°，这样降低了一级燃烧强度，使二级火焰根部（即环状稳燃区）温度降低，而二级燃料气通过改变角度，使得二级燃料气被喷送入火焰区域的时间推后，燃烧过程拉长。通过更换喷头改造后，烟气中NOx浓度降至70～90 mg/m3（标况），燃烧火焰烟气变蓝，优化方案A火焰中心及火焰中心见图8、图9。

优化方案B相较于优化方案A，一级、二级燃料气负荷占比基本相当，但优化方案B的一级燃料气喷射在火盆砖口凸台侧面后折向火盆中心，不形成环形旋转的稳燃区域，即不对二级燃料气根部进行预热。将二级燃料气角度改为0，即相当于二级燃料气平行于助燃空气竖直上升，上升过程中边混合边燃烧，进一步放缓了燃烧速度，火焰较比方案A更长，也更蓝，优化方案B火焰及火焰中心见图10、图11。

图7 喷头外形

图8 优化方案A火焰

图9 优化方案A火焰中心

图10 优化方案B火焰

图11 优化方案B火焰中心

在线更换燃烧器喷头并进行调整后，优化方案B优于方案A，从火焰颜色到火焰形状等，都有较大的变化，烟气NOx浓度随燃料组分波动而有所变化，排放浓度变化范围在50～60 mg/m3（标况），在线烟气分析数据见表2。

表2 在线烟气分析数据

5 结论

从改造前130 mg/m3（标况），到改造后50～60 mg/m3（标况），NOx减少70%～80%，实现了减少污染物排放的要求。另外，通过多种燃控技术的应用及精心调节，加热炉热效率也有所提高，主要原因是改善燃烧混合，燃烧在较低的过剩空气系数下，燃料气能充分燃烧，直至燃尽。按照一般经验估算：“当烟气中NOx总量降低30%时，热炉热效率提高约可0.7%～1%”，则本次改造后，加热炉总体效率可以有1.75%～2.5%的提高。

在低氮、超低氮燃烧器选型时，需要注意区别炉膛操作工况，并着重考虑燃料的性质特点，需要区别于常见燃料的低NOx燃烧器设计策略，必要时，在改造完成后，再对喷孔进行优化，以得到最佳的环保、节能效果。