焦炉烟囱气NOx控制工程
发明：2.4、2.4
2.3、
一、项目背景
焦炉煤气在焦炉燃烧室内燃烧时会产生氮氧化物（NOx），NOx通常是指NO和NO2的混合物，氮氧化物排入大气会破坏臭氧层，造成酸雨，污染环境。上世纪80代中期，发达*就视其为有害气体，提出了控制排放标准。
目前发达*控制标准基本上是氮氧化物（废气中O2含量折算至5％时），用焦炉煤气加热的质量浓度以NOx计不大于500mg/Nm3。
随着我国经济的快速发展，对焦炉排放氮氧化物的危害也日益重视，并制订了排放控制标准。目前，我国焦炉烟囱气NOx执行的排放标准是限值500mg/Nm3，“特别地区”焦炉烟囱气NOx排放标准是限值150mg/Nm3，但5.5米焦炉烟囱气NOx排放量多在1000mg/Nm3以上，负荷生产时则会更高。
现有焦炉烟囱气NOx控制技术分为燃烧前控制技术和燃烧后控制技术。
常见燃烧后控制技术基本可以分为三类，一是催化还原技术，二是氧化后氨吸收技术，三是活性炭吸附技术，但都存在处理装置投资巨大，运行费用高昂等问题。
燃烧后控制技术的*发展是以SO2做还原剂的同步脱硫脱硝技术，属于SCR技术范畴，可将烟囱气NOx含量控制在100mg/Nm3以下，SO2控制在30mg/Nm3以下，具有投资小、运行费用低等优点，但需与燃烧前控制技术配合使用，方可彰显其独有优势。
燃烧前控制技术包括废气循环、分段加热、贫化煤气或空气等技术已获得广泛应用，其特点是投资少、运行费用低，但都需要在焦炉设计阶段做好安排，对于已投产焦炉，至今缺乏有效的方法或装置，随着环保要求的不断提高，已成为制约焦化企业生存和发展的重要因素。
本公司的发明产品WX-130系列装置是一种燃烧前控制技术产品，从目前已经投入运行的几套装置看，具有两方面的作用：
1、通过贫化助燃空气，使焦炉烟囱气NOx含量得到有效控制；
2、作为第三方调节，有效改善焦炉高向加热，降低回炉煤气消耗。
三、技改方案
（一）控制原理
焦炉烟囱气中的氮氧化物形成机理基本可归结为2大类型：一是温度热力型NO，即来源于空气中的N和O在高温下反应生成NO；二是含N组分燃料型NO，即煤气中的含N组份燃烧形成的NO。
大量基础研究证明，对于绝大多数焦炉，温度热力型NO对烟囱气中NOx的贡献率达95%以上，因此只要将*类型NO控制在适当水平，就可以有效地控制烟囱气中NOx的含量。
中冶焦耐对焦炉烟囱气中的氮氧化物形成机理做过大量实验研究，使用焦炉煤气加热，燃烧点温度高于1750℃时，烟囱废气中的NOx含量将呈几何级数倍增，反之亦然，我公司的技术正是依据上述基础研究开发而成。
该装置可以将烟道废气直接吹入风门内，贫化助燃空气，减缓局部燃烧强度，降低燃烧点温度，消除NO的生成条件，从而达到控制烟囱气NOx排放量的目的。
从目前各装置实际运行情况看，WX装置不仅可以有效地将NOx排量控制在500mg/Nm3以下，同时带来了一个附加效益：焦炉立火道标温明显降低，回炉煤气消耗明显下降。
分析其机理，可参见上图做一简单分析，“直燃1”是废气加入前的燃烧火焰，燃烧剧烈，热量集中在立火道下部，满足上部加热，则下部容易过热；“直燃2”是废气加入后形成的贫氧燃烧火焰，贫氧燃烧必定首先形成的CO，下部温度有所降低，由于氧供给不变，进入立火道中上部的CO则会二次燃烧（见上图CO燃烧区），火焰拉长，热能释放在更大的空间内，热能利用效率提高，立火道高向温度均匀性明显改善，较低的立火道标温即可满足煤饼上部加热需要，回炉煤气消耗必然降低。
这也可以解释，为什么煤气节约了，烟道温度却有所升高的原因。
（二）装置简述
WX-130系列装置是我司研发的第三代技术产品，解决了*代和第二代装置中存在的诸如漏气量大、热偏移、不便调试、换向不可靠和安全防范等一系列细节缺陷，保证了系统运行的可靠性与安全性。
第三代产品的设计理念发生了质的变化，即借助废气的加入，引入第三方调节，优化焦炉加热，控制NOx生成量，节约回炉煤气。第二代产品的自控系统重点是消除焦炉换向对烟囱气NOx含量影响。
WX-130系列装置由废气引出装置、废气输送与交换装置、废气混入装置及自控系统等四部分构成，如上图所示，废气引出装置利用引风机将焦炉烟道废气从焦炉烟道中引出，经废气输送与交换装置将焦炉烟道废气送入废气混入装置，烟道废气与风门吸入的空气混合后经预热进入燃烧室。
1、废气引出装置
该装置包括引风机、进口管道及闸阀、出口管道及放散装置等组成。
（1）引风机
WX-130-72-43装置允许混入约4万m3/h300℃高温废气（理论量）。
考虑到风机效率及压力损失等因素，需配备有一定余量的引风机1台，采用变频调速控制。
（2）入口管道
入口管道采用螺旋焊管制作，并直接与焦炉烟道连接，为方便维护，入口管道上安装切断阀1台。
（3）出口管道
风机出口管道采用螺旋焊管制作，如图所示，从风机出口延伸至机焦两侧的自动切换阀之前。
（4）放散
为方便调试，预防故障状态造成不利影响，风机后设1台自动放散装置，放散废气导入烟道以维持烟道吸力平衡。
2、废气输送与交换装置
该装置由4台自动调节切断阀和4条矩（或圆）形废气输送管道构成，
安装在焦炉机焦两侧的废气开闭器上方或下方。如上图示，其前端与风机出口管连接，每条矩（或圆）管下部均与N套废气混入装置连接。
（1）自动调节切断阀采用耐高温硬密封蝶阀，并与焦炉换向机联锁，实现废气混入与空气风门的同步切换，自动调整支管压力平衡；
（2）根据现场情况和安装方式的不同，两条矩（或圆）管即可呈立向并置于焦炉废气开闭器下方，亦可分置于废气开闭器上下方，间隔约12米设1支膨胀节。
3、废气混入装置
如上图示，每座焦炉机焦两侧均配置N套废气混入装置，废气输送管下方连接N支废气混入装置，并接入同向切换的开闭器风门内部。
废气混入装置由无缝钢管、手动调节阀、耐高温金属软管及混风喷嘴构成，其上段直接连接废气输送管，下端直接接入废气开闭器内。
手阀用于调整混入废气量、金属软管可抵消管道热胀冷缩造成的位置偏移。
4、自控系统
WX-130自控系统采用西门子PLC（S7-300），系统由1套PLC和2台工控机构成,I/O点裕量不少于15%，具有高度的可靠性。
正常工况下，由PLC系统全自动控制运行，工控机主要用于人机对话，数据记录和分析。
WX-130系统投运后，与需方原有系统重叠的信号，均从原系统中引出，不影响原系统功能，其主要作用如下：
①实现废气输送与焦炉换向机自动连锁控制以及废气输送压力的稳定控制，并根据烟囱在线监测装置提供的数据实现NOx排放量自动调节；
②优化焦炉加热方式，降低回炉煤气消耗；
③消除换向对烟气NOx排量带来的不利影响；
WX-130构建了一套智能模糊控制模型，在实现与焦炉换向机自动联锁控制的同时，将机焦侧分烟道吸力、温度与煤气主管压力控制有机结合在一起，消除换向干扰，实现烟囱气NOx排放量的稳定控制，同时使煤气的供给量更加合理，回炉煤气消耗明显降低。
