催化裂化两段再生工艺烟气中NOx的控制

摘要：催化裂化两段再生工艺烟气中NOx控制的工业实践发现，两段再生工艺的NOx来自于再生器和CO焚烧炉;第一再生器是NOx生成和脱除的主要场所，要保证83%的焦炭在第一再生器燃烧;CO焚烧炉采用高空气过剩系数和低燃料气压力能够抑制NOx的生成。原料突然变重时，通过提高反应温度和补充新等措施，能够快速控制NOx排放指标。

关键词：催化裂化;两段再生;CO焚烧炉;NOx

随着国家环保要求日益严格，催化裂化装置作为炼油厂最重要的二次加工装置成为环保监控的重点对象。各装置以脱氮效率高，经济性好，不用对装置进行改造的脱硝助剂作为首选技术，但部分装置生产实践出现脱氮效率不明显的现象。脱硝助剂是作用在再生器内，使NOx转化成N2的助催化剂，因此再生器的形式和工艺条件对脱硝助剂的效率有相当大的影响，本文将对催化裂化两段再生工艺烟气中NOx的控制进行研究。

1 两段再生工艺简介

两段再生工艺采用一段贫氧再生、二段富氧再生的形式，主风分别进入第一、二再生器作为流化介质和助燃介质。反应生成的焦炭先进入第一再生器烧掉全部的氢和大部分的碳，然后进入第二再生器烧掉剩余的碳。一再烟气进入烟气轮机做功后与二再烟气混合进入CO焚烧炉回收热量。

2 烟气中NOx的来源

采用CO完全燃烧再生工艺烟气中NOx 的控制都集中在再生器，而作为CO不完全燃烧的两段再生工艺，由于再生烟气中含有大量的CO，采用CO焚烧炉回收CO热量，必定有NOx生成，影响装置总氮的排放量，因此两段再生工艺烟气中NOx来自于再生器和CO焚烧炉。

第一、二再生器的稀密相温度（715℃）低于氮气与氧反应的最低温度（1500℃），再生烟气中NOx主要来自于焦炭中的氮，属于燃料型氮。

CO焚烧炉的燃烧介质是炼厂气（由C1、C2和少量的C3、C4组成）和烟气中的CO，炉膛的温度虽然不超过900℃，但是火焰峰值温度却达到了1500℃以上，炉内氮气在火焰高温处与氧反应生成NOx，因此CO焚烧炉中的NOx来自于空气中的氮，属于热力型氮。

3 烟气中NOx的控制

3.1 再生器中NOx的控制

一再烟气的氧含量1.6%，是贫氧烟气，其中CO含量高达7.2%;二再烟气的氧含量12%，是富氧烟气，其中CO含量只有0.2%。第一再生器烧焦量为83%，第二再生器烧焦量为17%。可见第一再生器是NOx生成和脱除的主要场所，一方面焦炭在第一再生器内以大比例进行燃烧，生成大量的NOx，另一方面贫氧再生生成大量的CO，为NOx还原成N2提供了高浓度的还原性气体。烟气中的NOx被控制在132mg/m3，因此在使用脱硝助剂时，应保证83%的焦炭在第一再生器中燃烧，同时维持合适的贫氧度。

3.2 CO焚烧炉 中NOx的控制

影响火焰温度的因素都能够影响NOx的生成，因此空气过剩系数、空气预热温度和燃料气压力等因素对NOx都有影响。高空气过剩系数、低空气预热温度和低燃料气压力能够抑制NOx的生成[2]。高空气过剩系数是通过稀释火焰温度，来减少NOx的生成，但是分别增加了锅炉的动力消耗和降低了锅炉的热效率，应当控制在合适的范围内;低燃料气压力则是通过降低火焰燃烧强度，来减少NOx的生成，在保证燃料气燃烧的情况下，使所有燃烧器处于燃烧状态，以减小各燃烧器的压力。

4 工业应用

稳态状态下，脱硝助剂占系统藏量的2.5%，并以100 kg/d的加注量维持活性，加工量达到生产计划要求，CO焚烧炉负荷较高，炉膛温度达到700℃，煙气中NOx的排放得到有效控制，维持在132 mg/m3，装置运行平稳。

非稳态状态下，原料变重，在没有做出相应调整前，回炼油大幅度增加，加工量下降了9.3%。焦炭产率增加，大部分焦炭在第二再生器燃烧，二再稀密相温度上升。主风量不足，烧焦量不够，催化剂活性下降，回炼油进一步增加，装置操作趋于恶化，NOx排放高达244 mg/m3。

调整后的稳态状态下，NOx排放偏高立即做出相应的调整，一是增加主风量，特别是一再主风量，从40896 Nm3/h增加至46203 Nm3/h，让大部分焦炭在第一再生器贫氧燃烧，形成足够的CO;二是提高反应深度，降低回炼油，减少非碱性氮焦炭的生成量，将一、二段反应温度提高2℃，同时补充新鲜催化剂，补充新鲜催化剂时控制适宜的速度;三是加注脱硝助剂（15 kg），保证CO和NOx在一再密相床层燃烧，减少NOx的生成，防止烟机入口超温（<680℃），损坏烟机;四是在保证中压蒸汽压力前提下，降低CO焚烧炉负荷，炉膛温度从709℃降至680℃，通过以上措施NOx排放量仅仅用了20分钟就控制在143 mg/m3。与工况1相比，加工量下降了4.6%，NOx排放量增加了8.3%，究其原因一是由于原料变重，即使提高反应苛刻度，回炼油量也是高于轻质原料，高回炼油比增加了非碱性氮焦炭的生成;二是重质原料中的氮含量高于轻质原料。

5 结论

a.CO不完全燃烧的两段再生工艺的NOx来自于再生器和CO焚烧炉，再生器内生成的NOx是燃料型氮，CO焚烧炉内生成的NOx是热力型氮。

b.第一再生器是NOx的主要生成场所，由于其中含有大量的CO，同时也是脱氮场所，因此要保证83%的焦炭在第一再生器燃烧。

c.CO焚烧炉采用高空气过剩系数和低燃料气压力能够抑制NOx的生成。

d.原料突然变重时，可以在少量降低加工量的情况下通过提高反应温度、补充新鲜催化剂、加注脱硝助剂以及降低CO焚烧炉负荷等措施快速控制NOx排放指标。

参考文献：

[1] 马伯文.催化裂化装置技术问答[M].北京：中国石化出版社，2008.68-69.

[2] 王艳丽.石化管式加热炉低氮燃烧器的CFD研究[J].炼油技术与工程，2018，48（3）：31-34.

作者简介：

程文嘉，男，1987年5月10日，湖北黄梅，中国石油大学（北京），工程师，催化裂化技术，中石油辽河石化公司