一种降低氮氧化物排放的方法及燃烧系统与流程

本发明属于烟气氮氧化物排放领域，以及具体地涉及一种降低氮氧化物排放的方法及燃烧系统。

背景技术：

1、管式加热炉是石油炼制、石油化工和化学、化纤工业中使用的工艺加热炉，乙烯裂解炉是乙烯生产装置的核心设备，主要作用是把天然气、炼厂气、原油及石脑油等各类原材料加工成含烯烃的裂解气，并提供给其他乙烯装置，最终加工成乙烯、丙烯及各种副产品。管式加热炉或乙烯裂解炉一般设置有辐射段及对流段，介质自上而下流动，其中辐射段管内介质通过火焰或高温烟气进行辐射传热，对流段管内介质靠辐射段出来的烟气进行对流换热，炉内燃烧产生的高温烟气经辐射段及对流段后，进入余热回收系统与燃烧空气换热，进一步提升热效率。烟气换热后经引风机直接由烟囱排空，为达到环保要求，需要降低管式加热炉如炼油加热炉及乙烯裂解炉中的氮氧化物排放量。

2、燃烧产生的nox主要是no和no2，其中no占90～95％。nox的生成机理可分为三类，分别是热力型、快速型和燃料型。在实际生产中，乙烯裂解炉或炼油加热炉的烟气中nox主要来源于热力型nox。热力型nox一般是指，在燃料与空气燃烧的过程中，且在过量氧气存在下，氮气和氧气在高温区下发生链式氧化反应生成的nox。在实际生产中热力型nox主要发生在因炉内热场分布不均匀而形成的局部高温区。烟气在高温区的停留时间也对nox的生成量有影响，停留时间越长，nox的生成量越大。

3、目前，国内外普遍采用以下两类技术来降低管式加热炉或乙烯裂解炉的氮氧化物排放量：一种是采用低nox燃烧技术来降低排放量；一种是采用燃烧后控制的方法，即采用烟气脱硝技术，对烟气进行后处理来降低氮氧化物的排放浓度。两种技术均在工业上进行了应用，可以根据要求达到不同的脱硝效果。

4、在炼油加热炉或乙烯裂解炉的燃烧器中主要应用的低nox燃烧技术有：空气分级、燃料分级、烟气内循环、烟气外循环等技术，通过降低燃烧区核心燃烧温度(减少燃烧局部高温区)、减少烟气在高温区的停留时间等方式抑制nox的生成。目前采用的低nox燃烧器多采用分级燃料与烟气再循环技术结合使用，可以有效降低火焰中心温度，从而降低烟气中nox浓度。同时，可以通过设置在燃烧器的蒸汽喷枪，通过注入过热的水蒸汽的方式降低燃烧器火焰中心的温度，从而抑制热力型nox的生成(如图3、5所示)。目前普遍采用此技术，烟气中nox排放浓度可降至70mg/nm3以下，但该技术的运行成本高。

5、选择性催化还原(scr)技术是目前应用最为广泛的烟气脱硝技术，在加热炉或乙烯裂解炉对流段中间、对流段之后空气预热器之前或空气预热器之间布置scr反应器，scr反应器的布置位置可根据烟气温度及现场情况选择。反应器中，在催化剂作用下，向温度约为280～420℃的烟气中喷入还原剂，将nox还原成n2和h2o，从而可以大幅降低烟气中nox的排放浓度(如图4所示)。但由于额外的scr催化剂布置空间，会导致引风机功率增加、烟囱抽力提高；催化剂寿命到期更换、还原剂的使用和风机功率的增加，对装置的固定成本和操作成本均有较大影响。

6、中国专利cn 207585344 u公开了一种管式加热炉的节能减排系统，采用空气与循环烟气作为助燃剂，烟气的循环量在30％，可以节省设备40％投资，如何更节能环保有效利用更多的循环烟气，是节能的一个重点考察因素；另外因为其采用空气，其并没公开如何降低加热炉中氮氧化物的排放。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是针对现有技术中降低炉体中氮氧化物排放的工艺存在的成本高的问题，提供一种降低氮氧化物排放的方法及燃烧系统，通过非氮气惰性的气体稀释剂置换炉体中的气体，将非氮气惰性的气体稀释剂、氧气混合后通入炉体中，与燃料混合后，点火燃烧；将部分冷却的烟气和来自炉体顶部的剩余烟气与氧气混合后，通入炉体中与燃料混合燃烧；创造低氮环境，产生的烟气中不含nox，从而从根本上解决烟气中nox的排放问题。

2、本技术的目的是通过以下技术方案实现的。

3、第一方面，本发明提供了一种降低氮氧化物排放的方法，包括采用以下方式降低系统中n2的含量：

4、i.通入非氮气惰性的气体稀释剂来置换炉体内的气体；

5、ii.将非氮气惰性的气体稀释剂、氧气混合后通入炉体中，与燃料混合后，点火燃烧；优选地，通入炉体的燃烧器中；和/或

6、iii.来自炉体顶部的至少部分烟气经冷却后得到冷却的烟气，将部分冷却的烟气和来自炉体顶部的剩余烟气与氧气混合后，或来自炉体顶部的全部烟气与氧气混合后，通入炉体中，与燃料混合燃烧；优先地，通入炉体的燃烧器中；

7、其中，所述非氮气惰性的气体稀释剂选自co2气体和过热水蒸汽中的一种或两种。

8、优选地，方式i中，炉体出口的气体中测定氮气满足环保nox排放要求，氧气、烃类满足防爆要求，置换结束；和/或

9、方式ii中，点火的条件为：非氮气惰性的气体稀释剂、氧气混合气体中氧气体积占比达到10-30％；；和/或

10、方式iii中进行冷却的烟气量占所有的烟气的体积比为25～100％；优先地，体积比为70～100％；更具体的体积比为：75％、80％、85％、90％、95％；和/或

11、所述非氮气惰性的气体稀释剂中过热水蒸汽，温度为120～300℃，优选选用低压蒸汽，备选为中压蒸汽；根据一些具体实施例，所述的过热水蒸汽的温度为120℃、140℃、160℃、180℃、190℃、200℃、210℃、230℃、250℃、280℃；

12、和/或

13、所述燃料为含氮量少的燃料气和/或燃料油，优选地，甲烷和氢气的混合物或者甲烷；所述甲烷和氢气混合物中甲烷的比例优选为5-95mol％；根据一些具体实施例，所述甲烷和氢气混合物中甲烷的比例为10mol％、20mol％、40mol％、60mol％、65mol％、70mol％、80mol％、90mol％。

14、更进一步地，方式iii包括：

15、将炉体顶部出口的至少部分烟气送入第一换热器的热源入口，并在第一换热器中进行冷却，在第一换热器的热源出口得到冷却的烟气；将部分冷却的烟气和来自炉体顶部的剩余烟气送入炉体中；优先地，送入炉体的燃烧器中；

16、优选地，所述冷却的烟气为二氧化碳气体，更优选地，将剩余的冷却的烟气送入二氧化碳捕集装置中进行收集。

17、更进一步地，送入二氧化碳捕集装置的冷却的烟气与来自第一换热器热源出口的冷却的烟气的体积比为9～21：100；

18、根据一些具体实施例，送入二氧化碳捕集装置的冷却的烟气与来自第一换热器热源出口的冷却的烟气的体积比为10％、12％、15％、16％、18％、20％；和/或

19、所述第一换热器包括一个或多个串联的换热单元，热源为烟气，冷源各自独立地为待送入炉体的o2、燃料、待送入炉体的冷却的烟气或待处理的原料，用于加热o2、燃料、待送入炉体的冷却的烟气或待处理的原料；和/或

20、还包括第二换热器，热源为第一换热器的热源出口的液体；冷源各自独立地为o2、燃料或原料，用于预热o2、燃料或原料；

21、优选地，待送入炉体的o2和/或燃料先送入第二换热器的冷源入口，进行预热；预热后的o2和/或燃料再送入第一换热器的各换热单元的冷源入口，进行加热。

22、更进一步地，具体包括一下步骤：

23、可选地，(1)通过非氮气惰性的气体稀释剂管线向炉体内充入非氮气惰性的气体稀释剂，并经由对流段出口和/或循环烟气管线上的排风管线排出，以置换炉体内的气体；

24、(2)通过氧气管线向循环总管或循环烟气管线中注入氧气；通过非氮气惰性的气体稀释剂管线向循环总管或循环烟气管线中充入非氮气惰性的气体稀释剂；来自炉体顶部或对流段出口的烟气依次经过循环烟气管线、循环总管后，通入炉体底部中；氧气达到预定含量后，通过燃料管线向炉体中通入燃料，并进行点火燃烧；直至循环烟气量达到设计最低要求值，停止通入非氮气惰性的气体稀释剂；

25、(3)来自炉体顶部的至少部分烟气经冷却后得到冷却的烟气，将部分冷却的烟气和来自炉体顶部的剩余烟气与氧气管线中的氧气在循环总管混合后，或来自炉体顶部的全部烟气与氧气混合后，通入炉体中，通过燃料管线燃料向炉体中通入燃料，继续燃烧。

26、更进一步地，

27、循环烟气量达到设计最低要求值是炉体正常运行时最低负荷下的所需的作为稀释剂的烟气量；和/或

28、步骤(3)的剩余冷却的烟气送入二氧化碳捕集装置。

29、可选地，方式i还可以采用以下方法置换炉体内的气体：

30、s1通过循环烟气管道或循环总管上设置的空气入口通入空气，在炉体内分析合格后，通入燃料气点火；

31、s2当离开辐射段烟气温度高于非氮气惰性的气体稀释剂的温度时，通入非氮气惰性的气体稀释剂来置换炉体内的气体；提高稀释剂流量的同时，逐渐关闭空气。

32、防止非氮气惰性的气体稀释剂注入后在炉体中辐射段、对流段低于非氮气惰性的气体稀释剂的露点温度，因此，需要限定离开辐射段烟气温度高于非氮气惰性的气体稀释剂的温度，以避免不利于燃烧或者衬底和/或炉管造成损害。

33、本发明的另一个目的，保护一种具有低氮氧化物排放的燃烧系统，所述的燃烧系统包括炉体、烟气循环系统、氧气管线、燃料管线、控制系统；

34、所述炉体从下往上依次设置有辐射段、对流段；辐射和对流是传热的两种方式，且辐射段温度比较高，对流段的温度相对来说比较低，辐射段靠热辐射来传热，对流段主要靠对流来换热，加热介质；

35、所述辐射段内设置有燃烧器；炉体顶部，即对流段顶部设置有顶部出口，即为炉体顶部出口，用于燃烧后的烟气排放；

36、所述烟气循环系统包括循环烟气管线、循环总管；循环烟气管线的两端分别与炉体顶部出口和循环总管相连，用于将炉体顶部出口的烟气，即循环烟气，送入循环总管，实现烟气的循环；

37、氧气管线与循环总管或循环烟气管线相连，用于将氧气送入循环总管；

38、循环总管通过支管与燃烧器入口相连，用于将循环烟气或稀释剂和氧气的混合气送入燃烧器；

39、燃料管线与燃烧器入口相连，用于将燃料送入燃烧器；

40、还包括非氮气惰性的气体稀释剂管线，所述的非氮气惰性的气体稀释剂管线与循环烟气管线或循环总管相连。

41、优选地，烟气循环系统还包括循环二氧化碳管线；循环二氧化碳管线连接对流段的顶部出口和循环烟气管线；所述的燃烧系统还包括设置在循环二氧化碳管线与对流段的顶部出口之间的烟气换热系统，所述的烟气换热系统包括第一换热器，用于将烟气中的水分部分或全部去除；和/或

42、对流段的顶部出口连接第一换热器的热源入口，第一换热器的热源出口连接循环二氧化碳管线的入口，循环二氧化碳管线的出口与循环烟气管线或循环总管连接，用于将冷却的烟气送入，进而进入燃烧器中；二氧化碳捕集装置的入口与第一换热器的热源出口连接。

43、更进一步地，第一换热器包括一个或多个串联的换热单元；热源为循环烟气，冷源各自独立地为待送入炉体的o2、燃料、循环的co2或待处理的原料，用于加热o2、燃料、循环的co2或待处理的原料；优选地，包括2-4个串联的换热单元，第一个换热单元的热源入口与对流段的顶部出口连接；每个换热单元热源出口分别连接冷凝水管线，并且最后一个换热器的热源出口与循环二氧化碳管线连接；

44、更优选地，第一换热器包括串联的换热单元h1-1、换热单元h1-2、换热单元h1-3和换热单元h1-4，换热单元h1-1的冷源入口连接原料管线，冷源出口连接炉体对流段，热源入口连接对流段的顶部出口，热源出口连接冷凝水管线和换热单元h1-2的热源入口；

45、换热单元h1-2的冷源入口连接燃料管线，冷源出口连接燃烧器入口，热源出口连接冷凝水管线和换热单元h1-3的热源入口；

46、换热单元h1-3的冷源入口连接氧气管线，冷源出口连接循环总管，热源出口连接冷凝水管线和换热单元h1-4的热源入口；

47、换热单元h1-4的冷源入口连接部分循环二氧化碳管线，冷源出口连接循环二氧化碳管线，用于将部分循环二氧化碳管线中的气体加热，热源出口连接冷凝水管线和循环二氧化碳管线。

48、更进一步地，烟气换热系统还包括在第一换热器与冷凝水管线之间设置的第二换热器，即，第二换热器的热源入口与第一换热器的热源出口连接；和/或

49、第二换热器包括至少2个串联换热单元；

50、更优选地，换热单元h2-1的冷源入口连接燃料管线，冷源出口连接第一换热器换热单元h1-2冷源入口或燃烧器入口，热源入口第一换热器的热源出口，热源出口连接换热单元h2-2的热源入口；和/或

51、换热单元h2-2的冷源入口连接氧气管线，冷源出口连接循环总管，热源入口连接换热单元h2-1的热源出口，热源出口连接冷凝水管线。

52、更进一步地，控制系统包括分别设置循环烟气管线、稀释剂管线、氧气管线、燃料管线、循环烟气管线、稀释剂管线、氧气管线、燃料管线上的调节阀以调节控制气量；以及设置在循环二氧化碳管线上的调节阀以调节控制循环二氧化碳管线中二氧化碳的量。

53、所述炉体为火焰加热炉，优选地，为炼油加热炉或乙烯裂解炉。

54、本发明的有益效果为：

55、1、通过采用不含氮气的惰性气体如co2和/或过热水蒸汽与氧气混合作为助燃介质，保证燃烧过程中不产生nox，从根本上消除燃烧过程中nox的产生；

56、2、采用co2和/或过热水蒸汽作为稀释剂与氧气的混合物代替空气提供燃料燃烧所需的氧气时，燃烧后的产物主要是co2和水，通过冷却利用过热水蒸汽的潜热的同时分离出co2，可低成本地实现co2的捕集和回收利用。

57、3、运行稳定后，并不需要额外补充非氮气惰性的气体稀释剂，通过co2的部分循环实现整个过程的循环，即通过简单的流量控制就可以实现闭环运行，同时通过换热器实现烟气的显热和潜热的回收，在保证燃烧正常的进行下，节约了能源，可节省燃料量1.5％～15％。