油气田燃烧器低NOx排放改造

油气田燃烧器低NOx排放改造

杨国超

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【摘要】为了解决油气田用加热炉污染物排放引发的环保问题逐渐被人们所关注,因此本文就油气集输过程中加热炉的环保性能的影响进行剖析,为科学合理的降低污染物排放提供理论依据，推动工业加热炉行业的发展。已有研究关注氮氧化物是工业燃气加热炉的主要污染物之一，但污染物排放数据方面仍有不足，氮氧化物的排放是当前重要研究内容。本文采用实验炉燃烧排放实时监测的方法、引用监测产生的数据、进行了数据分析。为降低氮氧化物排放提供了理论支持，明确了油气田加热炉环保改造问题。

【关键词】工业加热炉；环保加热炉；低氮改造；燃烧器

氮氧化物指的是只由氮、氧两种元素组成的化合物。常见的氮氧化物有一氧化氮(NO，无色)、二氧化氮(NO2，红棕色)、一氧化二氮(N2O)、五氧化二氮(N2O5)等，作为空气污染物的氮氧化物(NOx)常指NO和NO2。

氮氧化物可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病。NOx对环境的损害作用极大，它既是形成酸雨的主要物质之一，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质和消耗O3的一个重要因子。

2020年，国家应急管理部颁布《淘汰落后危险化学品安全生产工艺技术设备目录（第一批）》，要求淘汰无火焰检测和熄火保护系统的燃气加热炉和导热油炉。油气田在用的很多小功率加热炉在整改之列。因此对油气田小功率加热炉技术进行创新，开发安全、节能、环保、智能化、长寿命加热炉，服务油气生产需要，具有重要的经济和社会效益。

据项目“能源规划中综合考虑环境因素”研究的初步估算，1990年我国氮氧化物的排放量约为910万吨，其中近七成来自于煤炭的直接燃烧，目前我国NOx排放量已超过在1000多万吨。鉴于我国的能源消耗量今后将随经济的发展不断增长，NOx排放量也将持续增加。据有关研究的估算， 2000年和2010年，我国的NOx排放量分别达到1561万吨和2194万吨。由此可见，今后NOx排放量将十分巨大。如果不加强控制，NOx将对我国大气环境造成严重的污染NOx排放量的剧增使我国城市大气中的NOx污染程度加重。

《火电厂大气污染物排放标准》规定：第3时段的火电厂锅炉都需预留烟气脱除NOx装置空间，NOx排放标准限值与燃煤挥发分有关，挥发分小于10%时排放标准为1100mg／m3；挥发分介于10%—20%时排放标准为650mg／m3；挥发分大于20%时排放标准为450mg／m3。这一修订的标准坚持了低NOx燃烧控制的原则。如欧共体在1988年发布施行的大型燃烧装置排放导则对燃煤电厂NOx的控制，就是基于这一控制原则，其新建燃煤电厂NOx的排放标准一般为650mg／m3，如挥发分小于10%，则排放标准为1300mg／m3，与我国GBl3223—1996类同；1998年修订这一导则时，则对2000-01-01以后获得许可的非边远地区的电厂提出了烟气脱硝的要求，其新建燃煤电厂NOx的排放标准分别为400mg／m3 (50～100MW)、300mg／m3 (100～300MW)、200mg／m3 (大于300MW)。

国内燃气锅炉低氮改造正如火如茶地进行,低氮改造工作质量的好坏,特别是燃烧器质量的好坏直接关系到锅炉是否能安全经济运行。目前不少地方对燃气锅炉低氮改造燃烧器监管的要求不是很明确，本文从监管的角度，在大量相关规范性文件、安全技术规范以及技术标准的基础上，总结提炼了我国现行燃气锅炉低氮改造中燃烧器安全监管的有关要求。在燃烧过程中，产生NOx分为以下三类。在高温燃烧时，空气中的N2和O2在燃烧中形成的NOx，称为热力性NOx。燃料中有机氮经过化学反应而生成的NOx，称为燃料型NOx。在火焰边缘形成的快速性NOx。

正在研究中的NOx污染控制技术有很多，从方法上来看可以分为三大类：（1）化学类：SNCR、SCR、直接分解法；（2）物理类：高压电子射线技术、低温非平衡态等离子体技术；以及（3）生物类：烟气微生物除硝等。在实际工业应用中，目前被广泛采纳的技术主要有两类：燃烧控制NOx技术和烟气脱硝技术。燃烧控制NOx技术通过优化燃烧来控制NOx的生成量，主要包括：低NOx燃烧器（LNB）、分级燃烧和再燃等技术。而烟气脱硝技术应用较多的主要是选择性脱NOx方法，当在选择性脱NOx方法中使用催化剂时，这种方法就被称为选择性催化还原方法（SCR）。相应的，如果没有使用催化剂，则将此方法称为选择性非催化还原方法（SNCR）。

浓淡燃烧技术

燃烧器燃料与助燃空气均分为三级 ，燃烧器第一级燃料量大于空气量，进行负氧燃烧,即浓燃烧法；为了使燃料充分燃烧，在第三级补充过量空气量，进行富氧燃烧。

● 分级燃烧技术

采用分级燃烧，以降低污染物的生成，燃料分为三级，助燃空气分为三级。

● 再循环技术

再循环分为烟气内循环和烟气外循环，燃烧器采用特殊设计，在炉膛内形成回流区，实现了烟气内循环；另外，在烟道上抽取部分烟气，与助燃空气在混合箱内混合后，再送进炉膛燃烧，实现了烟气外循环。

● 预混技术

燃气在进入锅炉炉膛前，利用特制的燃料抢，通过多角度喷射，在炉膛喉口处与空气预先混合，并利用进入空气流场动量，转而喷入炉膛，达到燃料与空气混合均匀，降低氮氧化物的目的。

● 中心稳燃技术

在燃烧器的中间部位布置少量助燃空气，以很低的速度流动，再在此中心低速区域内布置少量燃料，这些少量燃料以锥角喷出，由于这部分燃料是布置在低速助燃空气区域，可以保证被点燃，且稳定燃烧。

分级燃烧+炉内烟气再循环（FIR）

利用燃气、空气的动能引摄烟气，与燃气、空气均匀混合，配合分级燃烧技术，降低单位体积的燃料热值，降低燃烧温度和燃烧速度，可将NOx降低至30mg/m³以下。不会降低加热炉功率，不产生冷凝水，不增加电耗，是加热炉配套和低氮改造的理想方式。

结语：

在科学技术的发展中，工业加热炉低氮氧化物排放已逐渐应用于加热炉行业当中，低氮燃烧器综合运用“空气分级+燃气分级+空气FIR+燃气FIR”的低氮燃烧技术，不产生冷凝水，不降低加热炉功率，不增加电耗，现场改造工作量小。

采用高效燃气和空气引射烟气技术，将燃气热值和燃烧速度控制在所需范围内，实现控温燃烧，不需要辅助FGR技术，可实现超低氮燃烧。降低燃气热值的方式更适用于以重组分较多、热值较高的油井伴生气为燃料的使用环境。

对于降低氮氧化物等有害气体排放产业化发展提出以下建议：

1.促进低氮氧化物等有害气体排放产业化发展的指导思想

以科学发展观为指导，以相关法规为准绳，加强监督和行业自律，加大推进具有自主知识产权的低排放工艺技术，加大对太阳能、电能、风能投入到加热炉研究的支持力度。

2.今后加热炉发展形式以清洁能源为主、不可再生能源为辅。因全国各地气候差异，不能完全淘汰燃气加热炉的使用，进而在保障油气集输加热炉稳定，高效安全的前提下，大力发展清洁能源。