Малоотходная технология двухступенчатого сжигания топлива в нефтезаводских печах

Обострение экологической обстановки в нашей стране вызывает необходимость принятия экстренных мер по сокращению вредных выбросов в воздушный бассейн городов. Нет сомнений, что от своевременного решения указанной проблемы зависит здоровье и благополучие людей. По данным [1], треть населения России проживает в условиях с плохим состоянием окружающей среды и прежде всего атмосферного воздуха. Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) относятся к промышленным предприятиям, оказывающим заметное влияние на общее загрязнение атмосферы [2, 3]. В связи с этим проблема охраны атмосферного воздуха от загрязнения в районах размещения НПЗ является наиболее острой.

Трубчатые печи, число которых превышает 1500 на отечественных НПЗ, являются головными аппаратами технологических установок и основными источниками загрязнения воздуха [4]. В то же время, по данным [5], до настоящего времени уровень проектных решений и реальное техническое состояние печного парка не отвечает современным экологическим требованиям, предъявляемым к технологическим процессам и оборудованию. По мнению авторов, приоритетными подходами к решению проблемы являются разработка, дальнейшая модернизация и внедрение ресурсосберегающих установок и способов на базе малоотходных технологий сжигания топлива на НПЗ.

При сжигании жидкого и газообразного топлива в трубчатых печах НПЗ в состав продуктов горения могут входить вредные вещества органического (углеводороды, сажистые частицы, оксид углерода) и неорганического (оксиды азота, NO x ) происхождения. Количество загрязняющих веществ органического происхождения в дымовых газах печного парка НПЗ может быть сведено к минимуму полнотой сжигания топлива. Однако указанным путем не удается сократить образование оксидов азота, и в значительных количествах они содержатся при нормальном режиме горения топлива, исключающем его неполноту сгорания [6].

В настоящее время при сооружении новых и реконструкции действующих технологических установок НПЗ одной из главных проблем для проектировщиков становится обеспечение регламентированных санитарными органами предельно допустимых концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, в первую очередь оксидов азота. Так, по имеющимся данным [6], токсичность продуктов сгорания жидкого топлива определяется на 60% содержанием в них оксидов азота, а токсичность дымовых газов природного газа определяется на 92‒98 % присутствием NO x . В связи с этим проблема ограничения выбросов NO x приобретает важность и для эксплуатационного персонала НПЗ, обязанного соблюдать нормы предельно допустимых выбросов NО х .

Для решения поставленной проблемы предлагается один из наиболее эффективных способов подавления выбросов оксидов азота из печей, апробированный в условиях НПЗ [7, 8]. Практика последних лет показывает, что перспективным методом снижения образования NO x является ступенчатое сжигание топлива, т.е. такая организация топочного процесса, когда с топливом в топочную камеру вводится только часть воздуха, необходимого для горения. Остальной воздух подается в промежуточную зону факела, в результате чего в факеле снижается концентрация кислорода и тормозятся окислительные реакции с образованием NO x .

Существует несколько вариантов двухступенчатого сжигания топлива [6]:

• ‒    часть воздуха подается в горелки вместе с топливом, остальная часть поступает в зону дожигания (встречное дутье);

• ‒    горелки в нижней зоне топки работают с недостатком воздуха, а горелки верхней зоны работают с избытком воздуха;

• ‒    часть горелок работает с коэффициентом избытка воздуха α < 1, т. е. с недостатком воздуха, другая ‒ отключена по топливу и подается только воздух для дожигания горючих компонентов.

Опыт эксплуатации печных агрегатов [5, 6] показал возможности уменьшения почти в 2 раза выбросов NO х при двухступенчатом сжигании газообразного и жидкого топлива по сравнению с традиционным одноступенчатым сжиганием.

Конструктивно двухступенчатое сжигание топлива можно осуществить в печах с двух-и многоярусной компоновкой горелочных устройств, когда горелки первого (нижнего яруса) работают с недостатком воздуха (α< 1), а недостающий воздух подается через фурмы воздушного дутья или горелки второго (верхнего) яруса, которые либо выключены (топливо не подается), либо работают с большим избытком воздуха (α > 1). Подавление образования оксидов азота при такой организации сжигания топлива достигается за счет растянутости процесса смешения и горения, уменьшения максимальной температуры факела, снижения концентрации кислорода в зонах максимальных температур. Применение способа двухступенчатого сжигания мазута и нефтезаводских газов в коробчатой печи установки риформинга Киришского НПЗ практически без каких-либо дополнительных затрат позволило снизить уровень образования NO х , на 25‒30% [7].

В ДВГУПС был разработан и апробирован новый способ сжигания газообразного и жидкого топлива в режиме малоотходной технологии двухступенчатого горения, защищенный свидетельством на изобретение [9]. Целью данного изобретения является подавление образования токсичных NO x в процессе горения топлива без снижения экономичности работы печей. Способ двухступенчатого горения практически реализуется следующим образом. При сжигании топливо делят на потоки. В горелки первого яруса, к которым воздух подают с недостатком окислителя (α 1 = 0,85‒0,95), подводят приготовленную водомазутную эмульсию с влажностью 10‒15 %. В горелки второго яруса, к которым воздух подают с коэффициентом избытка воздуха α 2 = 1,30‒1,35, подводят топливный газ. Причем общий избыток воздуха, подаваемого в первую и вторую зоны, составляет в топочной камере печи α= 1,10‒1,15.

Апробация предлагаемого способа позволила сократить выбросы оксидов азота в атмосферу на 40‒50 %. Подавление образования оксидов азота в продуктах горения топлива объясняется тем, что в зоне горения первого яруса выгорание жидкого топлива в виде водомазут- ной эмульсии протекает при пониженных концентрациях кислорода и более низких температурах в зоне горения вследствие поглощения теплоты водой, добавляемой в топливо. При сгорании газообразного топлива с α= 1,30‒1,35 уменьшение выхода оксидов азота обеспечивается за счет поступления во вторую зону горения холодного воздуха с избытком 30‒35 %. Полнота и эффективность сжигания топлива при такой организации процесса горения обеспечивается подачей в горелки верхнего яруса горючего газа.

Предлагаемый способ может быть использован на НПЗ при сжигании жидкого и газообразного топлива в технологических печах с двухярусной компоновкой горелочных устройств. В других исследованиях авторов [10] отмечается экологический эффект от применения двухступенчатого сжигания нефтезаводских газов и мазута в котельной Ачинского НПЗ. Дальнейшее усовершенствование данного способа позволило получить принципиально новое техническое решение, защищенное патентом на изобретение [11].

Задачей нового способа сжигания топлива является существенное повышение его экологической эффективности за счет снижения образования оксидов азота. Для решения поставленной задачи при известном способе сжигания топлива путем подачи в первую зону горения топлива и воздуха с недостатком окислителя, т. е. при α 1 < 1 и отвода продуктов сгорания во вторую зону горения, с одновременной подачей в нее горючего газа и воздуха с коэффициентом избытка α 2 > 1. В качестве топлива, подаваемого в первую зону горения, по замыслу авторов, следует использовать пропан-бутановый газ, имеющийся в достаточном количестве на технологических установках любого НПЗ, что и является существенным признаком, отличающим новое техническое решение от его прототипа. Выгорание подобного газа протекает при пониженных концентрациях кислорода и более низких температурах, чем при сжигании водомазутной эмульсии, что значительно снижает концентрацию оксидов азота в продуктах горения. Это объясняется тем, что образование оксидов азота происходит за счет азота воздуха, подаваемого на горение топлива, и в результате отсутствия «топливных» NO x .

Топочное устройство для реализации предлагаемого способа сжигания топлива содержит топку, газовые горелки, расположенные в два яруса по высоте топки, трубопроводы подачи топливного газа и воздуха, подаваемого на горение. Новый способ осуществляется следующим образом: при сжигании топливо делят на потоки. В горелки первого яруса горения по трубопроводу подают пропан-бутановый газ, по другому воздуховоду подают воздух с недостатком окислителя, т. е. α 1 = 0,85‒0,95. В горелки второго яруса горения подают воздух с коэффициентом избытка α 2 = 1,3‒1,35 и горючий газ, который сжигается в топочной камере трубчатой печи. При этом общий коэффициент избытка воздуха, подаваемого в зоны горения, составляет α= 1,1‒1,15.

Выгорание пропан-бутанового газа в первой зоне протекает при пониженном количестве воздуха и более низкой температуре, что снижает выход оксидов азота. Снижение образования оксидов азота во второй зоне обеспечивается путем подачи холодного воздуха, понижающего температуру в этой зоне. Подобная малоотходная технология сжигания нефтезаводских газов позволит сократить выбросы оксидов азота и других сопутствующих загрязняющих веществ в атмосферу. При этом не ухудшаются экономические параметры работы технологических печей, более того, несгоревшие компоненты топлива (оксид углерода и углеводороды) в первом ярусе горения эффективно догорают в потоке горящего газообразного топлива горелок второго яруса, что повышает полноту и качество сжигания топлива. Экспериментальная проверка нового способа двухступенчатого сжигания нефтезаводского газа с теплотой сгорания 54,3 МДж/м³ в трубчатой печи технологической установки каталитического риформинга Хабаровского НПЗ подтвердила его достаточно высокую экологичность [5, 8] . Отметим, что предлагаемый авторами способ двухступенчатого сжигания топлива не требует существенных капитальных затрат и имеет преимущества перед традиционными методами сжигания газа и мазута с точки зрения повышения экологичности работы печей на заводах отрасли.

Таким образом, с экологической точки зрения, на НПЗ для печей с многоярусным расположением горелок целесообразно использовать метод двухступенчатого сжигания топлива, позволяющий сократить выбросы токсичных оксидов азота в атмосферный воздух.