热媒炉低氮节能技术的研究与应用

热媒炉低氮节能技术的研究与应用

李金峰 马学斌 李建华 孙成韬 丁立超 刘丹

河南省濮阳市中原油田天然气处理厂河南省457000

摘要：通过对氮氧化物的行车原理进行分析，对降低氮氧化物的常见方法进行对比论证，采用低氮节能技术解决氮氧化物超标，利用烟气回燃方法解决热油炉热效率低的问题，降低热媒炉的燃气用量，从而提升经济效益和环保效益，减少环境污染，真正做到低碳环保。

关键词：氮氧化物；低氮节能；环保

1.前言

1.1研究背景

对于中原油田天然气处理厂第二气体处理厂（简称为二气厂）来说，随着热媒炉系统的长期运行和装置热负荷的不断调整，燃烧器、控制系统等设备均出现了不同程度的老化现象，统计2016年~2019年热媒炉烟气中的NOX检测结果和热效率，二气厂热媒炉烟气中的NOX明显高于濮阳市大气治理要求的标准（≤50mg/m³），而且两台热媒炉的热效率较低，不符合《油田生产系统节能监测规范》（GB/T 31453-2015）中燃气热油炉热效率≥85%。

1.2研究现状

1.2.1.原热媒炉系统简介

二气厂热媒炉系统由两台立式热媒炉及配套系统组成，为圆筒式燃气热媒炉，以天然气作燃料，热媒炉由炉本体、燃烧器、辅机部分及电控部分等四个部分组成。其中辅机部分包括膨胀槽、储油槽、油气分离器、Y型过滤器、烟道防爆门、热油循环泵及齿轮注油泵等组成。

1.2.2热媒炉系统运行中存在的问题

（1）氮氧化物超标

统计2016年～2019年热媒炉热效率和烟气中的NOX检测结果（见表2）。二气厂热媒炉烟气中的氮氧化物含量不符合国家排放标准（≤50mg/m³）以及濮阳市的大气环保标准（≤50mg/m³），从表2中可以看到，二气厂热媒炉排放烟气中的氮氧化物一般为80mg/m³左右，远超濮阳市要求的排放标准上限50mg/m³。

（2）排烟温度较高

对二气厂两台热媒炉的排烟温度从2016年到2019年进行数据统计（见表3），数据显示热油炉的排烟温度较高（《油田生产系统节能监测规范》（GB/T 31453-2015）），远远高于油田关于热媒炉排烟温度的限定值（≤180℃），造成极大的能量浪费。

2.氮氧化物生成机理

在燃烧过程中所产生的氮的氧化物主要为NO和NO2。大量实验结果表明，燃烧装置排放的氮氧化物主要为NO，平均约占 90%，而 NO2仅占10%左右。在燃气热媒炉工作过程中，氮氧化物的来源主要分为三个方面。

2.1热力型氮氧化物：热力型氮氧化物是在高温（1300 ℃～1500 ℃）时氧化分解产生的。热力型氮氧化物呈现随温度升高而迅速增加的特点，并且氧气浓度越大，燃烧停留时间越长生成量也就越大。

2.2快速型氮氧化物 ：快速型氮氧化物是由燃料挥发物中的碳氢化合物高温分解成碳氢自由基和空气中的氮气反应，再进一步与氧化反应，以极快的速度形成的氮氧化物。这种氮氧化物的生成量与热力型氮氧化物相比，占比量不足 5%。因此在进行燃气热媒炉低氮技术研究时可以忽略不计。

2.3燃料型氮氧化物 ：燃料型氮氧化物是燃料中的氮氧化合物在燃烧过程中氧化形成的，燃料型氮氧化物常见于煤燃热媒炉中，天然气中基本不含固定氮。二气厂中的燃气热媒炉是以天然气为燃料的，所以燃气型氮氧化物也可以忽略不计。

综上所述，我们所研究的燃气热媒炉低氮技术主要是以控制热力型氮氧化物的产生为主，通过控制火焰的燃烧温度和充分利用燃烧室的空间，达到降低氮氧化物排放量的目的。

3.降低氮氧化物的常见方法

天然气热媒炉排放的氮氧化物主要为热力型NOX，热力型NOX 是由燃烧产生的，而燃烧方法和燃烧条件对热力型NOX的生成有较大影响，因此可以通过改进燃烧技术来降低天然气热媒炉的NOX排放，主要有下列方法来降低氮氧化物：

3.1空气分级燃烧：当空气与燃料混合比例适当时，燃料的燃烧速度较快，燃烧所达到的温度较高。为了降低燃烧时的强度与火焰的温度，可以采用将空气与燃气分段混合，分级燃烧的方法，通过还原性的氛围减少氮氧化合物的形成，并且过量的空气提供了较低的空气系数，可以使燃料完全燃烧，避免了较高的空气系数造成的排烟热量损失。

3.2烟气再循环：烟气再循环是将排放的烟气再次循环到助燃空气中进行重复利用的过程。通过烟气的再循环可以有效的降低助燃空气中的氧气含量，并提供一定量的二氧化碳，从而达到将氧气的含量保持在21%以下。这时助燃空气中的氧气含量较低，可以降低燃气的燃烧速度，减少了单位时间内燃气释放的热量，从而实现减少氮氧化物排放的目的。同时烟气的再循环还可以适当的增加燃气室中的烟气量，降低火焰的平均温度，达到减少氮氧化合物排放的目的。

3.3全预混表面燃烧：全预混表面燃烧技术对于减少小型燃气热媒炉的氮氧化物排放量有着显著的效果，首先，通过运用全预混表面燃烧技术可以使火焰沿着金属纤维表面进行均匀分布，有利于形成均匀分布的温度场，降低单位面积上的热负荷。其次，金属纤维表面燃烧时，过量的空气可以降低火焰温度，从而达到减少氮氧化合物排放量的目的。但是全预混表面燃烧，会造成较大的排烟量，导致热量损失。并且特殊构造的金属纤维燃烧时容易形成堵塞，后期的清理维护工作量较大。

4.热媒炉改造的方法选择

4.1改造方案的确定

通过对氮氧化物生成机理的分析、热媒炉低氮改造常见方法的对比，在降低成本同时满足技术需要的情况下，二气厂针对现有德国麦克斯•威索有限公司生产的 weishaupt G11/1－D 型热油炉选择只换燃烧器不换炉体，同时增加空预器及烟气回燃系统。

4.2确定低氮燃烧器的类型

经过市场调研，咨询相关热媒炉使用单位，筛选相关的厂家，某公司提供定制化设计，可针对现场情况对燃烧器安装结构进行定制设计，并根据热媒炉结构调整燃烧器的燃烧状态，可减小热媒炉改造的工作量，而且便于现场安装，缩短工程工期；该新型燃烧器能确保在正常运行工况下保证火焰尺寸适应炉膛大小，不发生偏斜，确保火焰不直接冲刷炉壁，且可以使火焰在不停炉的情况下在线进行调节，燃烧稳定可靠，温度场均匀，燃烧效率高达99%，过量空气系数可低于α<1.15；燃烧器的点火支路系统，不会产生爆燃现象，提高该设备的安全性，因此初步选择CCS系列型低氮燃烧器。

4.3燃烧器流程重新设计

现有的热媒炉燃烧器通过将周边空气经燃烧器自带鼓风机直接吸入与燃料气混合后进入燃烧室燃烧，对空气进行加热将耗费一定的气量。热媒炉排烟温度在245℃～280℃之间，余热浪费严重。本着节约能量的原则，可将余热作为热源，对空气进行预热，提高燃烧效率。由于原有的燃烧器为一体式，无法安装空气预热器，不能实现余热回收。因此，必须将一体式变更为分体式的燃烧器，新增独立的燃烧器和鼓风机，才能降低排烟温度。

4.4增设烟气回燃管线

热媒炉烟气再循环目的就是进一步控制NOX生的成，提高环保效率。烟气再循环系统采用管道将引风机出口与一次风机入口贯通，中间设一个蝶阀进行调节，调节蝶阀使烟气中的NOX进一步进入到炉膛中燃烧，达到进一步降低NOX的目的，通过调节实验可控制NOX在30mg/m³以下，达到了更好的环保效果。

5.现场应用效果分析

对改造后的热油炉A和B进行热效率检测，A炉热效率86.5%；B炉热效率91.9%。检测两台导热油炉的排烟温度，A炉排烟温度131℃；B炉排烟温度136℃，远低于油田规范要求排放温度上限180℃。监控热油炉烟囱处对烟气的检测结果，其中氮氧化物含量为9.61mg/m3，远远低于国家标准50mg/m³。

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