扬子石化│乙烯装置裂解炉低氮燃烧器改造及运行探讨

根据GB 31571-2015，焚烧类有机废气排放口，工艺加热炉的实测大气污染排放浓度，须换算成基准氧含量3%(干基)的大气污染基准排放浓度，并与排放值比较判定排放是否达标。下表为GB31571-2015中表5标准。

扬子乙烯装置在燃烧器改造前期即根据国家标准的要求，提出改造后裂解炉低氮燃烧器在整个运行周期内排放应满足以下要求：

1）正常运行(50%~100%)工况时：在氧含量3%(干基)的计算基础上，NOx排放＜80mg/Nm3，CO＜100mg/Nm3，SO2＜50mg/Nm3，烟尘＜10mg/Nm3。

2）烧焦、热备及升降温工况下：在氧含量3%(干基)的计算基础上，NOx排放＜100mg/Nm3，CO＜100mg/Nm3，SO2＜50mg/Nm3，烟尘＜10mg/Nm3。

借助ANSYSCFX流体分析软件，对裂解炉底部燃烧器、侧壁燃烧器和炉膛整体进行数据模拟计算，在模拟时考虑了燃烧器的布置位置、供热比例和燃料气组成，给出了辐射段炉膛、底部燃烧器和侧壁燃烧器内的流动依据温度分布情况，具体情况如下图。

ANSYSCFX流体分析软件模拟计算结果表明：裂解炉低氮燃烧器改造后，裂解炉炉膛内火焰形状和温度场未发生本质性改变，故改造具有可行性。

扬子乙烯装置裂解炉在正常运行时，根据裂解原料不同，其运行周期在50~150d，运行周期内主要操作有：点火升温、投料操作、日常稳定运行，退料烧焦和降温停炉等几个过程。在裂解炉燃烧器改造后投用过程中，发现以下几方面问题：

1）在裂解炉点火升温过程中，裂解炉辐射段出口温度400~760℃热备状态，经跟踪监测，发现在此期间裂解炉烟道出口NOx排放不合格。
2）在裂解炉烧焦过程中，经跟踪监测，发现在此期间裂解炉烟道出口NOx排放不合格。
3）在裂解炉降温停炉过程中，经跟踪监测，发现在500℃以上时裂解炉烟道出口NOx排放不合格，但NOx排放值随着温度的下降逐渐降低，至辐射段出口温度500℃以下时降至100mg/m3以下。
4）裂解炉在首次投料运行时，在裂解炉温度调整过程中，也有NOx排放不合格的情况发生。

从上述问题可发现，低氮燃烧器改造后，裂解炉投用时的NOx排放不达标主要集中在开停炉阶段。

1)在首次投用低氮燃烧器时，在正常操作期间，部分裂解炉的NOx排放距100mg/Nm3警戒线余量少。经技术人员和厂家人员在现场对NOx的分布进行测量和调整，可将NOx排放修正值降低到80mg/Nm3以内，但在调整过程中发现，仅对底部低氮燃烧器调整，炉内火焰极易发生燃烧状况差，火焰发飘的情况，直接影响裂解炉的运行周期。经分析认为主要是侧壁风门密封不良，导致氧含量局部过高，影响燃烧模型的调整。为此在裂解炉第2个运行周期投用前，对其侧壁燃烧器进行了更换和调整，也为其它裂解炉的低氮燃烧器改造提供了思路。通过几次的优化调整，裂解炉低氮燃烧器改造后在日常运行过程中能稳定达标，NOx排放正常在80mg/Nm3左右。

2）燃烧器在烧焦、降温和升温期间出现在氧含量3%(干基)条件下NOx不合格情况。经分析认为，裂解炉低氮燃烧器是按照在正常工况下设计的，但在烧焦、降温和升温期间，燃烧器的运行负荷仅正常工况的10%~30%，为保证烧焦效果，裂解炉炉管内温度要求又比日常温度高，因需保证炉内燃烧和温度场分布，原设计的10格风门开度无法根据实际燃料气情况进行相应调整，导致氧含量修正到3%后NOx出现超标现象。为降低炉内NOx含量，需对燃烧器进行降氮处理。结合现场情况，在底部燃烧器处增加降氮蒸汽喷，对底部燃料气加入降氮蒸汽。加入降氮蒸汽后，在烧焦、降温和升温期间，NOx可控制在100mg/Nm3以下。以烧焦工况为例，具体调整情况见下表。

可见：烧焦工况下，侧壁风门全关，在底部燃烧器处通入降氮蒸汽对NOx浓度的降低效果十分明显。

1）扬子乙烯装置裂解炉低氮燃烧器改造能够满足目前国家的对NOx排放标准的要求。
2）裂解炉低氮燃烧器改造运行需要工艺和设备人员的精心调整，才能使得日常的NOx排放维持稳定运行和达标排放。
3)随着环保的要求越来越高，一旦NOx排放要求低于40mg/Nm3或更低，仅靠低氮燃烧器改造可能无法满足要求，需在裂解炉对流段增加烟气脱硝流程。