火炬系統消煙控制的優化設計

鄭萬里

火炬系統消煙控制的優化設計

鄭萬里

(江蘇中圣高科技產業有限公司，江蘇 南京 210009)

針對化工企業火炬系統的黑煙污染，根據火炬氣火焰黑煙產生及消煙的機理，結合火炬消煙控制回路的特點，以及煙霧和火炬氣量檢測技術的發展，對目前常用的蒸汽消煙控制進行了前饋串級的優化設計。應用表明： 該優化不僅減少了火炬黑煙和噪聲污染，同時降低了消煙蒸汽的消耗。

火炬 蒸汽消煙 煙霧檢測 前饋串級

火炬系統作為石油化工、煤化工企業重要的安全和環保設施，負責工廠各裝置正常生產時安全閥的泄漏氣排放，以及開停車和事故狀態下裝置排放氣的安全排放和燃燒處理。

近年來隨著經濟和社會的快速發展，環境保護越來越受到人們的重視，而火炬是繼鍋爐煙囪之后又一個被人們高度關注的大氣排放污染源。除CO2，H2O等溫室氣體排放外，火炬還會產生火焰光、熱輻射、異味、噪聲、黑煙、有毒有害氣體等污染。為滿足火炬系統的環保要求，需要嚴格控制各種污染，其中高效控制黑煙的產生尤為重要。

目前，中國國內火炬的黑煙控制效果不夠理想，濃煙滾滾的火炬燃燒畫面時而可見。本文根據火炬消煙的機理和消煙控制回路的特點，結合檢測技術的發展，對消煙控制進行了優化設計。該優化不僅提高了自動化水平，增強了消煙效果，還降低了蒸汽的消耗和火炬的噪聲。

1 火炬消煙控制機理及現狀

1.1 火炬黑煙的產生

工廠排放的火炬氣以烴類氣體為主，烴類氣體的燃燒是烴與氧氣進行快速放熱和發光的氧化反應，以火焰的形式出現。反應方程式如下：

(1)

從式(1)可以看出，烴類氣體完全燃燒的必要條件是有足夠的氧氣。

當火炬氣在火炬頭出口的馬赫數約為0.2時，即火炬氣約為火炬最大排放量的15%～25%時，火炬頭周圍氧氣充足且可與火炬氣充分混合，此時烴類氣體燃燒充分且無煙。隨著火炬氣排放量的增大以及燃燒溫度的升高，烴類氣體的燃燒變得更加復雜。由于缺氧，部分未發生氧化反應的烴開始發生熱裂解反應，斷鍵脫氫生成游離碳和氫，未完全斷鍵脫氫的不飽和烴又會繼續發生聚合環化結焦反應，生成焦。當游離碳和焦遇大氣冷卻后，會以細小粒子狀混合在火焰中，這就是火炬燃燒時人們看到的黑煙。

1.2 火炬消煙機理

由上述可知，火炬冒黑煙的根本原因就是缺氧下的富燃料燃燒。因此，消煙的基本方法就是補氧和除碳。

1) 補充氧氣，減少碳黑粒子的生成。為了促使空氣中的氧氣均勻地分布在整個火焰中，需要能量來產生紊流使其在點燃火炬氣時在火炬氣中混入空氣。這種能量可以存在于火炬氣中，以壓力或速度的形式表現，也可以通過其他物質施加在系統中，即當火炬氣從火炬頭排出時向氣體中注入另一種介質，例如注入水蒸氣、壓縮空氣或低壓鼓風機鼓入的空氣，這樣可以引射火炬頭周圍的空氣進入火焰使更多的火炬氣進行氧化反應。

2) 除碳，即將生成的碳粒子在冷卻成煙之前再反應生成二氧化碳等無色氣體。目前最常見的消煙方法就是注入水蒸氣來補氧除碳。

水蒸氣的注入除引射大量空氣進入火焰以補充氧氣外，另外還有兩種理論支撐： 一種理論認為水蒸氣分離烴分子，從而使聚合作用減少到最低程度，并且形成可以低速燃燒的氧混合物，同時溫度不足以高到產生裂解和聚合反應;另一種理論則認為水蒸氣與碳粒子發生水煤氣反應，生產一氧化碳、二氧化碳和氫氣，在碳粒子冷卻形成黑煙之前將碳粒子去除。

實際應用中，水蒸氣一般通過中心蒸汽、引射蒸汽、頂部蒸汽三種方式進入火焰。利用高速噴射將大于自身質量10～30倍的空氣引射到火焰中。其作用是： 一方面加大了易產生黑煙氣體的擾動紊流，增大了其與空氣和水蒸氣的接觸，使其完全燃燒；另一方面水蒸氣的加入使火焰溫度維持在一個比較低的水平，降低了裂解結焦形成黑煙的可能性。

消煙所需的水蒸氣主要和火炬氣的組分、流量、蒸汽壓力及火炬頭結構形式等參數有關。一般配比關系是每0.45 kg火炬氣需要0.11～0.45 kg的水蒸氣。具體配比關系一般由火炬頭廠商根據火炬氣排放條件及火炬頭結構形式模擬計算給出。

1.3 火炬消煙控制現狀

火炬消煙控制的設計以兩種方案為主，以水蒸氣消煙為例： 一是火炬氣排放信號聯鎖開消煙蒸汽，再根據黑煙情況手動調節消煙蒸汽流量；另一種是火炬氣流量比值控制消煙蒸汽流量。根據以往工程經驗，這兩種設計在生產階段通常因不適用于實際生產工況而被簡化為操作人員視頻監控火炬氣燃燒冒黑煙情況而手動調節消煙蒸汽。此種控制方式自動化水平較低，往往由于操作人員視頻監測滯后或操作不精準，導致消煙蒸汽量或小或大，使得火炬不是冒黑煙就是冒白煙。該控制方式不僅不能及時應對各種擾動量產生的干擾，也不能有效快速地消除黑煙，而且會造成蒸汽的浪費并產生較大的噪聲，既影響了工廠效益，又污染了環境，使之逐漸成為工廠生產管理中比較棘手的一個難題。

2 火炬消煙控制的優化

2.1 控制方案優化

根據火炬消煙控制的現狀，不難發現，其控制質量低的主要原因是沒有采用自動控制方式。因此，優化控制首先增加煙霧檢測的反饋環節，使手動控制變為反饋閉環的自動控制，運用PID調節消除擾動產生的偏差，使煙霧黑度穩定在控制設定值上。然而，該控制方式也存在控制滯后、干擾量多等缺點，如： 黑煙是由火炬氣燃燒不充分生成的，存在一定滯后，且調節蒸汽后，消煙也是個較緩慢的過程。另外，控制回路的干擾量很多，如火炬氣流量、組分、火炬頭周圍的氧氣量、消煙蒸汽量、蒸汽所引射的氧氣量以及大氣條件等因素。這些量的變化都會造成干擾，其中火炬氣流量和組分的變化以及消煙蒸汽量的變化是主要干擾因素。

針對上述特點，為了補償火炬氣流量和組分變化所產生的干擾，抑制控制滯后，控制回路可增加火炬氣流量比例調節蒸汽流量的前饋環節，利用測量到的火炬氣變化量去補償其對被控對象煙霧的影響。另外，由于控制回路的操縱變量蒸汽和被控變量煙霧兩者之間是間接影響的關系，為了消除操縱變量變化對被控變量的干擾，提高操縱變量的控制精度，控制回路可增加蒸汽流量控制，使其作為副環與煙霧控制回路主環構成串級調節?；鹁嫦麩熥詣涌刂屏鞒倘鐖D1所示。

圖1 火炬消煙自動控制流程示意

2.2 相關控制變量的檢測

控制回路的優化基于被控、擾動、操縱等變量的可測量性。如果相關變量不可測或測不準，控制優化則無法實現。近年來煙霧及火炬氣檢測技術的發展為消煙控制的優化創造了條件。

2.2.1 煙霧檢測

火炬火焰煙霧檢測技術雖然理論上很多，但是通過工程驗證可行的卻很少。火焰煙霧的檢測主要有紅外和成像兩種技術。普通的紅外檢測儀和成像儀僅適用于燃料氣組分和相對穩定的常規火焰，而對于組分變化大、火焰不穩定以及受環境因素干擾大的火炬氣火焰，常規檢測儀的測量效果均不理想，火炬煙霧成像檢測技術目前還處在開發驗證階段，工程應用偏少。火炬煙霧紅外檢測技術已在國外有所應用，國內由于市場推廣少、價格高等因素幾乎沒有應用。

目前，國外應用較好的火炬火焰煙霧紅外檢測技術主要有兩種： 一種是利用紅外儀檢測火炬火焰中碳黑粒子的濃度，這種技術需要基于大量的火炬燃燒試驗測出各類火炬氣燃燒時火焰中碳黑粒子特有的紅外波段;另一種是利用專有的窄波技術檢測火焰中的碳氧比例，間接給出將要產生黑煙的趨勢濃度。該種技術既要針對各類火炬氣試驗測出碳氧原子的特有紅外波段，又要試驗擬合出碳氧比例對煙霧產生的影響關系。前一種是形成碳黑粒子后直接檢測，后一種是形成碳黑粒子前間接檢測并預測煙霧濃度。

2.2.2 火炬氣流量檢測

火炬氣流量作為消煙控制回路主要的干擾變量參與前饋比值調節，該比值受火炬氣流量和組分雙重影響，因而要求其流量和組分均可測。但由于火炬氣管線口徑較大、組分復雜且變化、量程比大以及介質臟等特殊性，傳統的流量計均無法滿足其測量要求，只有針對火炬氣測量工況的特點專門開發的超聲波質量流量計可適用該工況?；鹁鏆獬暡ㄙ|量流量計既可以測量火炬氣的質量流量，又可以測量其平均相對分子質量，該2個量都是蒸汽火炬氣消煙配比比值的函數變量。

2.2.3 蒸汽流量檢測

蒸汽流量作為操縱變量參與串級調節，蒸汽流量的測量技術已經相對成熟，可選用的流量計種類很多。考慮到火炬系統一般處于全廠公用工程管網的末端，蒸汽的壓力溫度容易波動，建議蒸汽流量的測量增加溫度壓力補償以提高測量的準確性。

3 結束語

隨著煙霧和火炬氣流量檢測技術的發展，火炬氣消煙控制可以針對被控對象煙霧以及各干擾量的特點，在原有手動控制的基礎上優化設計成前饋串級自動控制。該優化使得消煙蒸汽可以跟隨火炬氣流量的變化快速動態地消除黑煙，在保持火炬氣高效燃燒的同時，節約了蒸汽消耗，降低了黑煙、噪聲等環境污染。該優化控制的應用，有助于企業提高火炬煙霧控制的生產管理水平，同時有助于改善火炬的環保形象。

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鄭萬里(1983—)，男，江蘇連云港人，2005年畢業于南京師范大學自動化專業，獲學士學位，現就職于江蘇中圣高科技產業有限公司電儀室，從事石油化工自動化設計工作，任工程師。

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1007-7324(2017)02-0071-03

稿件收到日期： 2016-09-27，修改稿收到日期： 2016-12-20。