氮氧化物（NOx）是主要的大氣污染物，影響環境，危害人體健康。此外，由于催化裂化外排煙氣中的NOx易與水化合形成硝酸根離子，對碳鋼等材質的設備造成腐蝕，從而將威脅相關裝置的安全平穩運行。隨著催化裂化原料劣質化，原料氮含量逐漸升高，是否能滿足外排煙氣中NOx的質量濃度不大于200 mg/m3的要求成為影響裝置環保達標排放的主要制約因素。

 中國石化海南煉油化工有限公司（簡稱海南煉化）2.8 Mt/a重油催化裂化裝置由中國石化工程建設有限公司（簡稱SEI）設計，于2006年8月建成投產，設計加工加氫處理后的混合渣油，生產方案為多產液化氣（或丙烯）和汽油。為了滿足全廠汽油烯烴含量的要求，催化裂化反應部分采用中國石化石油化工科學研究院（簡稱石科院）開發的多產異構烷烴和丙烯的MIP-CGP工藝；再生器采用重疊式兩段再生，第一再生器（簡稱一再）貧氧再生，第二再生器（簡稱二再）富氧再生，再生煙氣由煙氣壓縮機送余熱鍋爐回收熱能后再經脫硫脫硝工藝處理而外排大氣。脫硝技術采用選擇性催化還原法（SCR），脫硝模塊催化劑裝入系統中，因煙氣溫度過高，超過脫硝模塊裝填催化劑的設計范圍（350～420 ℃）， 導致催化劑燒熔失活，從而脫硝效率下降。2018年裝置第四周期開工后，出現外排煙氣中NOx的質量濃度接近200 mg/m3的情況，制約了裝置的加工負荷。為確保外排煙氣達標排放，現對外排煙氣中NOx含量上升的原因進行分析，以便采取應對措施。

1、催化裂化再生煙氣中NOx的生成機理

 催化裂化原料中的氮化物包括堿性氮化物和非堿性氮化物，由于堿性氮化物上的氮原子帶有孤對電子，極易吸附在催化劑L酸的酸性位上，造成催化劑失活以及使原料油發生縮合結焦、裂化脫氮等反應[1]，以致催化裂化焦炭中氮化物的含量常常占到催化裂化原料氮化物含量的40%[2]。

 清楚認識氮化合物在催化裂化過程中的轉化規律對再生煙氣后續脫氮處理顯得尤為重要。在催化劑再生燒焦過程中，焦炭中大分子雜環化合物中的氮會轉化為低相對分子質量的氮化物和一些自由基，如HCN、—CN、—NH2等，然后又轉化為中間產物HCN或NH3，在有氧氣存在的情況下，HCN和NH3會進一步氧化為氮氣和氮氧化物，同時再生器中存在的CO等還原性物質還會促進氮氧化物進一步轉化為氮氣[3]。催化劑燒焦過程中氮的轉化途徑如如圖1所示。

 相比于常規的催化裂化裝置，海南煉化的不完全再生催化裂化裝置采用重疊式兩段逆流再生，當待生催化劑均勻通過再生劑床層頂部時，發生下列反應[4]。

2C+2NO→2CO+N2

 第一再生器為貧氧環境，焦炭部分燃燒產生CO（約占催化劑燒焦負荷65%）；第二再生器為富氧環境，焦炭完全燃燒產生CO2（約占催化劑燒焦負荷35%）。根據催化裂化再生煙氣中NOx生成機理可知，再生器中的NOx是在二再富氧環境下生成。在一再貧氧環境下，二再煙氣中攜帶的NOx與一再中具有還原性的C，CO，NH3，HCN發生反應，主要生成N2。

2、影響因素

2.1 催化裂化原料油

 裝置標定期間原料性質穩定，具有代表性。對于催化裂化工藝來說，原料的氮含量是影響再生煙氣中NOx濃度的關鍵因素，原料中大約50%的氮化物隨待生催化劑進入再生器[5]。表1和表2分別為裝置標準化標定時裝置產品中的氮分布數據和焦炭中的氮分布數據。由表1可知，海南煉化催化裂化裝置焦炭中氮和損失的氮的總量占原料總氮的比例約為74.96%，進入再生器的氮有5%～20%被氧化為氮化物，其余的轉化為氮氣[5]。由表2可知，焦炭中的氮約15.56%轉化為HCN，NH3，NO，其余84.44%的氮轉化為N2。因此，若原料總氮含量增高，焦炭中的氮也隨之升高，生成的氮氧化物也會升高，最終引起脫硫脫硝裝置外排NOx升高。

2.2 催化裂化再生器操作

 對于貧氧再生裝置來說，在二再富氧環境下，氮完全燃燒生成NOx；在一再貧氧環境下，二再煙氣中攜帶的NOx與一再中具有還原性的CO，C，NH3，HCN發生反應，生成N2，然而中間產物NH3與HCN并未完全參加反應，而是有部分進入余熱鍋爐中燃燒生成了NOx[6]。由表2焦炭中氮分布數據的HCN占0.55%、NH3占14.87%、NO占0.14%、N2（損失）占84.44%可判斷催化裂化再生煙氣的NOx含量不高。因此控制一再、二再的燒焦負荷，減少中間產物NH3與HCN的濃度是控制NOx的關鍵手段之一。

2.3 余熱鍋爐操作

 NH3與HCN在余熱鍋爐過氧環境下會生成NOx通過調整余熱鍋爐爐膛溫度及過剩氧含量，從而控制爐膛還原氛圍，進一步促進NOx與NH3，HCN，CO還原反應，從而降低NOx濃度。除此之外，控制余熱鍋爐爐膛燃燒溫度，有利于降低廢水中的有機物，從而對廢水中COD也具有決定性影響。

3、控制措施

催化裂化外排煙氣中NOx排放的控制措施，可從源頭控制、操作條件、使用助劑3個方面進行考慮。

3.1 源頭控制

 首先，原油選擇上，盡量控制原油中的氮含量，根據原料油性質，調整原料油中氮含量，減少氮氧化物前身物的生成。其次，對催化裂化原料進行加氫預處理，可明顯降低硫、氮含量，但要達到較高的脫硫率和脫氮率，需要進行深度加氫，反應條件較苛刻[7]，因此，適當提高渣油加氫催化裂化原料預處理反應器的脫氮率，控制催化裂化原料油的氮含量。

3.2 過程減排

過程減排主要是通過調整操作手段、改變工藝參數，達到降低NOx的效果。

3.2.1反再操作對再生煙氣NOx的影響

 海南煉化催化裂化裝置再生形式為兩段重疊式逆流再生，一再貧氧、二再富氧，充分發揮NH3，HCN ，C，CO的還原作用，在維持一、二再正常流化及稀密相密度、溫度情況下，提高二再的燒焦負荷，減少一再的燒焦負荷。催化裂化裝置進行標準化標定期間，對不同操作條件下的外排煙氣中NOx進行測試標定。在原料性質、處理量基本一致、總風量微增的情況下，將一再風量適當轉向二再，從而增加二再煙氣中CO在二再的燃燒比例，進一步增加再生劑中氮化物在二再中的氧化比例，生成的NOx增多，NOx進入一再，一方面被C，CO，HCN，NH3等還原介質還原為N2，另一方面還原性NH3、HCN被消耗，減少再生煙氣中NOx的前身物，最終外排煙氣NOx的質量濃度由190.2 mg/m3降低至162.8 mg/m3。催化裂化反再系統操作調整前后主要參數見表3。

 在不完全再生裝置中，基于再生煙氣中NOx的生成機理，一再中NH3、HCN同時存在，受再生器設計及CO起燃溫度的限制，由催化裂化待生催化劑氧化再生過程中的基元反應可知，NH3和HCN 是350 ℃以上時焦炭裂化和水解的產物，且必須有一定濃度的CO2，較低的再生器床層溫度不利于水解反應生成NH3，則無法與二再生成的NOx進行還原反應。

 一再密相溫度低于680 ℃時，在其他操作參數不變的情況下，外排煙氣NOx的濃度增加較為明顯。一再密相溫度及外排煙氣NOx的濃度隨時間的變化情況如圖2所示。

3.2.2 余熱鍋爐對外排煙氣NOx的影響

 催化裂化再生煙氣進入余熱鍋爐后，在富氧環境中，再生煙氣中攜帶的HCN與NH3燃燒生成NOx[8]，這是外排NOx產生的主要原因。因此，可通過降低余熱鍋爐瓦斯量或者降低余熱鍋爐過剩氧含量，控制余熱鍋爐爐膛溫度，降低綜合塔外排NOx濃度。催化裂化裝置標準化標定期間，穩定催化裂化反應部分的操作條件，針對余熱鍋爐不同操作條件對外排煙氣NOx濃度的影響進行了測試標定。

 調整余熱鍋爐氧含量對外排煙氣NOx濃度的影響見表4。由表4可以看出，在保證催化裂化原料性質穩定且生焦量一定、余熱鍋爐正常燃燒的前提下，通過調整風機入口擋板刻度，降低余熱鍋爐氧含量，余熱鍋爐A爐氧質量分數由3.4%降低至2.5%，余熱鍋爐B爐氧質量分數由2.85%降低至2.2%，提高了爐膛溫度，促進了生成的NOx與C，CO，HCN，NH3等還原介質發生反應轉化為N2，從而減小NOx的濃度，此時外排煙氣NOx質量濃度由189.5 mg/m3降低至173.4 mg/m3。

 調整余熱鍋爐燃料氣流量對外排NOx濃度的影響見表5。由表5可以看出，在保證催化裂化原料性質穩定且生焦量一定、余熱鍋爐正常燃燒的前提下，通過降低余熱鍋爐瓦斯流量，將余熱鍋爐A燃料氣流量由725 m3/h降低至609 m3/h，余熱鍋爐B燃料氣流量由815 m3/h降低至630 m3/h，使得還原氛圍增加，促進了生成的NOx與C，CO，HCN，NH3等還原介質發生反應轉化為N2，從而減少了NOx生成，此時外排煙氣NOx質量濃度由191.2 mg/m3降低至170.5 mg/m3。

3.3 應用脫硝助劑

 在應用脫硝助劑前后不同工況下，原料性質及處理量基本一致，且空白標定與總結標定操作工況相當的情況下，對RDNOx脫硝助劑使用情況進行對比，外排煙氣NOx質量濃度由186.9mg/m3降低到146.9mg/m3，下降40mg/m3，脫除率達20%以上。且助劑應用對產物分布和主要產品性質無負面影響，未發生因為助劑質量問題而導致的影響主催化劑流化、跑損問題，但助劑加注期間，二再稀、密相溫度上升，存在助燃現象。

4、結論

 （1）外排煙氣中的NOx主要在余熱鍋爐中產生，但是中間產物NH3與HCN是在催化裂化反應-再生系統中產生。

 （2）源頭控制來自原料中的氮含量，選擇氮含量在設計值以內的原料油，是有效降低NOx濃度的手段，因此應在合理范圍內提高渣油加氫裝置的脫氮效率，盡可能控制催化裂化原料中的氮含量。

 （3）通過改變再生器床層的燒焦狀況，優化反再操作條件，調整優化一再、二再的燒焦比例，可以降低再生煙氣中NOx的濃度。

 （4）通過優化余熱鍋爐操作條件，比如降低余熱鍋爐氧含量或燃料氣流量，可以降低外排煙氣中的NOx的濃度。

（5）通過加入脫硝助劑，改變再生器中的反應過程，也是降低外排煙氣中的NOx濃度的方法之一。

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”

相關文章