乙烯装置裂解炉氮氧化物达标改造的研究

乙烯装置裂解炉氮氧化物达标改造的研究

李恒宽 翟广帅 

中国石化中原石油化工有限责任公司  河南省濮阳市  457000

摘要：某石化乙烯装置裂解炉在正常运行过程中氮氧化物指标均能满足环保指标要求，但是在“热备”和“烧焦”工况时氮氧化物含量超标，依据《石油化工污染排放标准》新要求，为满足国家环保部门的要求，将裂解炉烧焦和热备状态过程中氮氧化物排放标准纳入监测范围，使裂解炉在正常运行时和烧焦和热备工况下均保持氮氧化物排放水平满足国标要求。通过对底部燃烧器本体进行改造升级，在燃烧器前面板增加降氮蒸汽喷射系统，为底部燃烧器提供降氮蒸汽与助燃空气预混环境，在低负荷运行的烧焦和热备工况达到较好的降氮效果和氮氧化物排放水平，使燃烧器在烧焦工况下满足国家标准要求。

关键词：乙烯装置;裂解炉;氮氧化物;降氮蒸汽

裂解炉在在正常投油工况下烟气排放环保指标如：氮氧化物<90mg>3，二氧化硫<50mg>3，颗粒物<20mg>3，目前基本满足环保指标要求。但在非投油工况时，如烧焦，热备，升温过程中烟气中的氮氧化物达到140mg/m3～250mg/m3，且无法通过调整降低。

1 CBL裂解炉运行现状

在石油化工企业，乙烯裂解炉是化工企业主要的生产装置，而它使用的燃料大多是以甲烷与氢气混合而成的物质。这些物质在裂解炉燃烧时，空气中的N2遇到被燃烧的烃类物质后生成CN、HCN，然后被氧化成氮氧化物。

根据《中国石化加热炉管理规定》,燃气加热炉烟气氧含量应控制在2%～4%,蒸汽裂解装置排烟温度最高103.5 ℃,最低82.3 ℃,加热炉烟气CO含量不高于100 mg/m3。结合炼厂现场工艺条件，排烟温度95 ℃,烟气中CO含量为0。裂解炉热效率随烟气中氧含量的增加非线性降低，氧含量增加的也越多，裂解炉热效率下降幅度越大。乙烯裂解炉所用燃料一般为气体燃料，烟气中氧含量宜控制在2%左右；若燃料为液体，则烟气中氧含量宜控制在3%左右。

2 裂解炉热效率影响因素分析

2.1 裂解炉热效率的计算方法

裂解炉热量输入与输出保持平衡，辐射室的燃料燃烧，通过辐射和对流方式将热量传给炉管外表面，同时传给炉墙；高温烟气进入对流室后，利用原料、锅炉给水、蒸汽等介质回收烟气中的余热后排入大气。所以，裂解炉燃烧放出热量等于裂解炉有效热量、裂解炉外壁散失热量及排烟损失热量之和。裂解炉热效率为裂解炉有效利用热所占裂解炉燃料燃烧放出热量的百分比。裂解炉热效率计算如式(1)所示。

η=1-(0.006549+0.032685α)(tg+1.3475×10-4tg2)-1.1+(4.043α-0.252)×10-4CCΟ100-0.03(1)

式中：η——裂解炉热效率，%;

α——过剩空气系数，如式(2);

CO2——烟气中氧含量，%;

CCO——烟气中一氧化碳含量，mg/m3;

tg——排烟温度，℃。

α=21+0.116CΟ221-CΟ2(2)

一般情况，在设备炉体及保温层固定后，裂解炉外壁散热损失热量基本不变，因此提高裂解炉热效率的关键是提高裂解炉有效热量的利用率，减少排烟损失热量。裂解炉热效率的主要影响因素为过剩空气系数、裂解炉排烟温度及烟气中CO含量。

2.2 过剩空气系数

过剩空气系数是裂解炉实际所需空气量与理论燃烧所需空气量的比值，炉膛烟气氧含量高的理想情况下，进入炉膛内空气氧含量正好满足燃料完全燃烧所需空气氧含量，即过剩空气系数α=1.0。在实际操作中，因烧嘴结构、空气进气方式等因素，炉膛内氧含量需有一定剩余，以保证燃料气完全燃烧，若炉膛内氧含量不足，燃料燃烧不充分，造成CO产生，导致热效率降低。若炉膛中氧含量过剩，则过剩空气携带部分热量随烟气排入大气，造成热量损失。同时在高温高氧环境下，会加速对流段盘管的露点腐蚀及炉管的氧化速率。

3 改造技术方案选择

1）燃料处理，如更换含氮量低的燃料、燃料脱氮、纯氧燃烧、加入添加剂等。

2）改变加热工艺，如电加热、改进工艺-完善设备以提高加热效率、降低运行负荷以降低总排量。

3）燃烧设备改进，如选用低NOx燃烧器等。

3.1方案一

低氮氧化物燃烧器喷嘴改造+喷枪。改变原燃烧器喷嘴的角度，实现分段燃烧，缩短烟气在高温炉区的停留时间，阻碍氮氧化物的生成，使其减量。同时，在火嘴边增加蒸汽喷枪，能够降低燃烧温度，氧气浓度降低，减少了高温区烟气停留时间，实现阻碍氮氧化物的生成的目的。为了缩短改造工期，更换燃烧器底盘、上层烧嘴砖、中心枪，增设喷枪，确保主燃气接口尺寸及位置与原来一致。

3.2方案二

更换超低氮燃烧器。将原有燃烧器全部更换为超低氮燃烧器，有效地减少氮氧化物生成，实现达标目的，缺点是投资较大。

4 工艺改造流程

4.1基本流程

1）重质进料乙烯裂解炉改造（1#～4#）：将149℃、0.4 MPa蒸汽主线分别引至A/B重质进料乙烯裂解炉前，分成4路至A/B炉膛两侧，根据A/B炉膛火嘴64台位置分别在主管线引64路分支到火嘴处，为火嘴配蒸汽。

2）轻质进料乙烯裂解炉改造（5#～6#）：将149℃、0.4 MPa蒸汽主线分别引至A/B轻质进料乙烯裂解炉前，分成4路至A/B炉膛两侧，根据A/B炉膛火嘴64台位置分别在主管线引64路分支到火嘴处，为火嘴配蒸汽。

3）循环气体乙烯裂解炉改造（7#～8#）：将149℃、0.4 MPa蒸汽主线分别引至A/B轻质进料乙烯裂解炉前，分成2路至A/B炉膛两侧，根据A/B炉膛火嘴24台位置分别在主管线引24路分支到火嘴处，为火嘴配蒸汽。

4.2 投用效果

8台裂解炉改造仅用6个月时间完成了设计、采购、施工等过程，改造后试运3个月，裂解炉烟气氮氧化物质量浓度通过监测分析，稳定维持在90 mg·m-3以下。

4.3 运行调整

1）调整空气预热器，保证助燃空气预热后温度在50～80℃，降低燃料气消耗量，从而降低氮氧化物生成量。

2）通过调整裂解炉风门、风机转数、控制炉膛负压等措施，降低炉膛空气过剩系数，控制含氧量分数在1.0%左右，降低产生NOx量。

3）保证裂解炉燃料气系统压力稳定、裂解炉炉温稳定，防止燃料气不完全燃烧冒黑烟现象造成增加NOx排放的现象产生。

4.4 异常工况调整

4.4.1 裂解炉退油时氮氧化物调整措施

1）在退炉操作前，先对火嘴喷枪蒸汽线进行暖管，在退炉时投用火嘴配汽，降低火嘴中心火焰温度达到降低NOx生成量的目的。

2）在退炉操作前，对其他炉风门进行调整，提高氧含量，防止在退油过程中其余裂解炉增加负荷或燃料气系统造成波动导致炉膛氧含量不够，造成冒黑烟，增加NOx排放量。

3）在退炉操作前，将该炉的COT缓慢降到810～820℃左右，退油过程中尽量保持COT温度平稳。

4）在退炉时，缓慢降低各组负荷，及时调整风门和燃料气流量，同时根据炉膛氧含量变化缓慢打开火嘴喷枪蒸汽调节阀（调节阀开度≯70%），控制氮氧化合物不超标。

4.4.2 裂解炉投油时氮氧化物调整措施

1）如果裂解炉是停炉状态准备投用时，需提前对火嘴喷枪蒸汽线进行暖管备用。裂解炉升温时根据裂解炉氧含量逐渐进行配汽操作。

2）烧焦热备准备投炉时，提前对其他在运炉风门进行调整，保证其余裂解炉NOx排放指标合格。

3）投油时要慢，一边投油一边关小火嘴喷枪蒸汽调节阀开度，保证NOx指标合格。

4）投油负荷达到20%以上时，根据NOx排放量逐渐调整风门控制氧含量，降低配汽阀位，保证NOx排放合格。

结论

该企业通过对乙烯装置8台炉更换低氮火嘴并增设蒸汽的治理措施，降低氮氧化物的排放量，此工程完成改造施工试运后，通过裂解炉排放口在线仪表监测，8台炉的氮氧化物排放均能够稳定在80 mg·m-3以下，企业每年减排氮氧化物排放量为512 t，达到了国家环保指标的要求，成功完成企业对裂解炉氮氧化物治理的目标。

参考文献

[1]毕夏, 等.低碳背景下我国新能源行业现状及发展前景分析[J].东北电力大学学报, 2012, 32 (5) :86-90.