高架火炬消煙結(jié)構(gòu)改進(jìn)

薛志村，李 宇，付永泉，趙玉龍，劉軼凡，劉曉旭，洪博巖

(1 中國船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 201108；2 中國石油大慶石化分公司化工一廠，黑龍江 大慶 163714)

高架火炬[1]是石化行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種火炬形式。火炬處理的氣體為石化裝置在開/停車、正常及緊急事故等狀態(tài)下泄放的各類易燃易爆氣體，通常以烴類居多。理論上，易燃和有害物質(zhì)充分燃燒后，分解為無害的不燃物質(zhì)，并且無黑煙產(chǎn)生。但實際運行中火炬燃燒器在處理高碳烴類廢氣時常出現(xiàn)燃燒不充分，產(chǎn)生黑煙的情況，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境[2-3]。

為解決火炬產(chǎn)生黑煙的問題，提出了蒸汽助燃型火炬和空氣助燃型火炬，蒸汽助燃型火炬能夠有效提高火炬燃燒效率，解決火炬黑煙問題，但由于火炬現(xiàn)場環(huán)境受限，蒸汽助燃型火炬不適用于水資源短缺或天氣寒冷等環(huán)境。因此提出了空氣助燃型火炬燃燒器[4]，此類火炬燃燒器能非常高效的處理惡劣環(huán)境或資源短缺環(huán)境中工廠排放氣燃燒產(chǎn)生黑煙的問題。

國外先進(jìn)火炬廠商在空氣消煙技術(shù)上起步較早。美國JOHNZINK公司、美國Callidus公司、美國Zeeco公司和意大利ITAS公司，在上個世紀(jì)就已開始對該技術(shù)的研究。美國的JOHNZINK公司早在1957年已在美國申請相關(guān)專利[5]，并在本世紀(jì)初將該技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)的項目中，并于2010年在國內(nèi)申請了相關(guān)專利[6]。

國內(nèi)該項技術(shù)起步較晚，以七一一研究所為代表的火炬供應(yīng)商，于本世紀(jì)初開始著手于該項技術(shù)的研究。1998年，七一一研究所研制的首套空氣消煙火炬系統(tǒng)在上海石油天然氣總公司東海平湖油氣田工程陸上天然氣處理廠項目中投運，標(biāo)志著該技術(shù)的國產(chǎn)化邁出成功的一步。

雖然國內(nèi)高架火炬工業(yè)應(yīng)用中已取得優(yōu)異的成果，但高架火炬仍存在著不足之處。當(dāng)火炬事故排放量較大時，火炬氣仍存在燃燒不充分的情況，產(chǎn)生大量黑煙，污染環(huán)境[7]。此外，對于火炬氣含有大量丙烯的高架火炬，其消煙性能常不滿足工業(yè)應(yīng)用需求。可見，改進(jìn)高架火炬結(jié)構(gòu)，提升其消煙性能，仍是火炬消煙技術(shù)發(fā)展的必然要求。

本文針對某廠高架火炬消煙結(jié)構(gòu)開展優(yōu)化研究，設(shè)計了一種高效消煙結(jié)構(gòu)，采用提高空氣引射量和強化火炬氣/空氣混合的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)火炬氣的高效燃燒，從而實現(xiàn)火炬消煙的目的。研究中通過搭建火炬燃燒試驗臺，開展原結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)高架火炬的燃燒試驗，對比不同結(jié)構(gòu)高架火炬消煙性能，分析高架火炬消煙結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性。

1 火炬燃燒試驗

1.1 火炬燃燒頭

圖1是原結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬燃燒頭的試驗樣機實物圖。兩種結(jié)構(gòu)樣機設(shè)計圖及參數(shù)如表1所示。原結(jié)構(gòu)火炬的火炬氣出口呈現(xiàn)環(huán)形分布，火炬氣出口與火炬外筒之間為強制鼓風(fēng)空氣通道。改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬，將火炬氣出口分割，呈“十”字分布，強制鼓風(fēng)空氣出口略低于火炬氣出口，呈圓筒形。相比于原結(jié)構(gòu)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬氣出口面積無變化，導(dǎo)致火炬氣出口分布圓更大。改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬氣出口與環(huán)境空氣接觸面更大，有利于引射環(huán)境空氣。

表1 兩種火炬頭結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖1 原結(jié)構(gòu)(a)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)(b)火炬試驗樣機實物圖

1.2 火炬燃燒試驗臺

為開展火炬燃燒試驗，搭建了1套丙烯氣火炬燃燒試驗平臺。火炬空氣消煙試驗流程示意圖如下所示。試驗系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備包括：風(fēng)機、控制臺工作站、液化丙烯罐、蒸汽氣化器、蒸汽鍋爐、熱式流量計、手持式差壓流量計、火炬頭及相關(guān)管路、攝像機。

(1)風(fēng)機最大供風(fēng)量為3600 Nm3/h，可滿足兩臺火炬頭同時運行需求；

(2)工作站內(nèi)PLC控制程序可對火炬系統(tǒng)所有設(shè)備進(jìn)行控制以及顯示儀表示數(shù)，并進(jìn)行后臺記錄，試驗后可導(dǎo)出數(shù)據(jù)；

(3)液化丙烯罐輸送液態(tài)丙烯至蒸汽氣化器進(jìn)行氣化，供氣穩(wěn)定；

(4)蒸汽氣化器利用蒸汽換熱對丙烯進(jìn)行氣化；

(5)蒸汽鍋爐提供蒸汽；

(6)試驗中通過熱式流量計測定火炬頭燃?xì)饬浚?/p>

(7)手持式差壓流量計可測定火炬頭進(jìn)風(fēng)量；

(8)攝像機可對火炬燃燒狀態(tài)進(jìn)行記錄并存儲至云端；

(9)此外火炬系統(tǒng)管路中配備有壓力表、熱電偶、閥門及流量調(diào)節(jié)閥等未在流程示意圖2中詳細(xì)示意。

圖2 火炬試驗流程示意圖

1.3 試驗方案

火炬空氣消煙試驗以兩種結(jié)構(gòu)火炬頭開展燃燒試驗，以丙烯為燃?xì)猓ㄟ^風(fēng)機強制鼓風(fēng)，測試不同鼓風(fēng)空氣系數(shù)α條件下的火焰燃燒情況，對比不同結(jié)構(gòu)火炬頭黑煙產(chǎn)生情況，探究不同火炬頭產(chǎn)生黑煙時的臨界鼓風(fēng)空氣系數(shù)α。

α=V鼓風(fēng)/V理論

試驗工況調(diào)節(jié)中基本參照單一變量法進(jìn)行調(diào)節(jié)。本次試驗工況基本涵蓋了0～2000 kg/h燃?xì)饬恳约?～3000 Nm3/h空氣量的試驗范圍，能夠基本反映兩結(jié)構(gòu)火炬頭燃燒狀態(tài)差異以及消黑煙性能區(qū)別。具體試驗條件根據(jù)試驗過程中測試過程決定，具體參數(shù)見表3。

由于黑煙的產(chǎn)生受到燃?xì)饬亢涂諝饬康墓餐饔茫^量空氣系數(shù)是衡量燃燒過程是否充分的主要標(biāo)準(zhǔn)，空氣消煙技術(shù)采用強制鼓風(fēng)提高參與燃燒的過量空氣系數(shù)，因此強制鼓風(fēng)空氣是空氣消煙的決定性因素，所以本次試驗主要以鼓風(fēng)空氣系數(shù)α作為核心影響因素，探究鼓風(fēng)空氣系數(shù)α對不同結(jié)構(gòu)火炬頭黑煙產(chǎn)生的影響。

試驗系統(tǒng)配置有實時攝像系統(tǒng)，實時記錄火炬頭的燃燒情況。攝像機安裝與火炬的正對位置，確保圖像保持水平，且兩種結(jié)構(gòu)火炬在攝制畫面內(nèi)保持較高的可對比度，即保持距離和角度大致相同。

1.4 林格曼黑度判斷依據(jù)

林格曼黑度[8]是反映煙塵黑度的一項指標(biāo)，通常以林格曼黑度圖作為評估標(biāo)準(zhǔn)，采用視覺評判法。圖3為標(biāo)準(zhǔn)的林格曼黑度圖，以視覺方法將煙氣黑度分為六級，以黑色條格的面積占比作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，占比為0%為0級，占比20%為1級，以此類推，占比100%為5級。因此，林格曼黑度一定程度上可近似等同于對背景的遮蔽度。

圖3 林格曼黑度圖

由于本次研究中，試驗條件受限，無法完全滿足林格曼黑度視覺評判法的要求，但同樣能夠以林格曼黑度圖為基準(zhǔn)，將對背景的遮蔽度作為本次試驗的林格曼黑度值。遮蔽0%為0級，遮蔽20%為1級，以此類推，遮蔽100%為5級。

2 結(jié)果與討論

2.1 火炬大負(fù)荷燃燒黑煙情況

為了測試所搭建試驗臺的試驗性能，并初步了解改進(jìn)火炬的消煙性能，以便對試驗流程、試驗條件和黑煙情況對比方法進(jìn)行完善，開展了大負(fù)荷燃燒試驗。此外，開展火炬大負(fù)荷燃燒黑煙情況研究可建立本次試驗的林格曼黑度視覺評判體系，為后續(xù)試驗黑煙情況判斷提供參照。

如圖4為火炬大負(fù)荷燃燒圖像。燃燒負(fù)荷為3.5～5.6 t/h，鼓風(fēng)空氣為2700 Nm3/h。由于燃燒負(fù)荷較高，試驗初期便出現(xiàn)大量黑煙，黑煙在圖像中呈現(xiàn)為霧狀，即灰色區(qū)域。當(dāng)負(fù)荷增大，黑煙量顯著增加后，黑煙在圖像中愈加顯著，呈現(xiàn)為濃郁的黑團(tuán)。參考林格曼黑度視覺評判法，大負(fù)荷燃燒試驗不同工況下的林格曼黑度結(jié)果如表2所示，根據(jù)林格曼黑度視覺評判法，可根據(jù)實際情況在兩個林格曼級數(shù)間增加0.5或0.25級數(shù)。

表2 大負(fù)荷燃燒試驗結(jié)果

圖4 火炬大負(fù)荷燃燒情況

后續(xù)試驗中主要集中在臨界消煙負(fù)荷，所產(chǎn)生黑煙量較少，在圖像中呈現(xiàn)為霧狀區(qū)域，即低林格曼黑度區(qū)間。因此，試驗中將以此標(biāo)準(zhǔn)對是否產(chǎn)生黑煙進(jìn)行判斷，從而對比兩種結(jié)構(gòu)的消煙性能。

2.2 火焰形態(tài)對比

火焰形態(tài)能夠有效反映火炬燃燒頭的流場特征，并且在一定程度上能夠間接反映燃燒效果。因此，火炬燃燒試驗中有限對火焰形態(tài)進(jìn)行對比分析，判斷改進(jìn)型結(jié)構(gòu)火炬燃燒頭組織流場的合理性是否優(yōu)于原結(jié)構(gòu)火炬燃燒頭。

圖5是兩種結(jié)構(gòu)火炬火焰形態(tài)對比圖像，可見原結(jié)構(gòu)火炬火焰集中為一簇火焰，而改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬火焰分為多簇，實際為四簇。而當(dāng)負(fù)荷提高后，原結(jié)構(gòu)火炬火焰較長，而改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬火焰較短。結(jié)合所設(shè)計火炬的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可得，由于原結(jié)構(gòu)火炬氣沿圓周均勻分布，且與環(huán)境空氣接觸面呈現(xiàn)圓形，因此火炬氣較為集中，靠近火炬中心的火炬氣難以與環(huán)境空氣接觸，僅靠強制鼓風(fēng)空氣作為助燃劑，從而導(dǎo)致燃燒不夠充分，火焰較長。而改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬的火炬氣噴射區(qū)域呈分割狀分布，與環(huán)境空氣接觸面呈花瓣形，因此改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬火焰呈分割火焰，且負(fù)荷提高后由于接觸面更大，空氣供給充足，燃燒充分，導(dǎo)致火焰較短。

圖5 原結(jié)構(gòu)(a)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)(b)火炬火焰形態(tài)對比

綜上所述，根據(jù)火焰形態(tài)可初步判斷，改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬具備優(yōu)化火炬氣流場，促進(jìn)火炬氣與空氣混合，提高火炬氣燃燒效率的能力。

2.3 空氣消煙臨界

火炬空氣消煙臨界鼓風(fēng)空氣系數(shù)可表征火炬燃燒頭的消煙性能，臨界鼓風(fēng)空氣系數(shù)越小代表火炬氣量相同時，實現(xiàn)消煙所需的鼓風(fēng)空氣量越少，即火炬燃燒頭的消煙性能越好。

表3為兩種火炬燃燒試驗黑煙情況，并結(jié)合圖像以及上文所述的林格曼黑度視覺評判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評判。林格曼黑度隨鼓風(fēng)空氣系數(shù)的增加而減少。圖6為兩種結(jié)構(gòu)火炬頭黑煙產(chǎn)生情況隨鼓風(fēng)空氣系數(shù)α變化。當(dāng)鼓風(fēng)空氣系數(shù)為0時，兩火炬均產(chǎn)生大量黑煙。強制鼓風(fēng)后，黑煙明顯減少，隨著鼓風(fēng)量增加，鼓風(fēng)空氣系數(shù)增大后，黑煙逐漸減少。對于原結(jié)構(gòu)火炬頭，當(dāng)鼓風(fēng)空氣系數(shù)增大到0.13～0.14時，黑煙基本消失；對于改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬頭，當(dāng)鼓風(fēng)空氣系數(shù)達(dá)到0.10～0.11時，黑煙已基本消失。由此可見，改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬頭對于消除黑煙具有較為顯著的效果。

表3 兩種火炬燃燒試驗數(shù)據(jù)記錄表

圖6 黑煙產(chǎn)生情況隨鼓風(fēng)空氣系數(shù)變化

圖7為將數(shù)據(jù)記錄表中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的火炬消煙試驗數(shù)據(jù)，并對消煙臨界鼓風(fēng)空氣系數(shù)進(jìn)行示意，消煙臨界鼓風(fēng)空氣系數(shù)擬合線可作為火炬燃燒頭的消煙特征線。該圖可顯著表示數(shù)據(jù)點在消煙臨界鼓風(fēng)空氣線以上的區(qū)域為消煙區(qū)域。該曲線為某廠火炬運行工況操作提供理論依據(jù)，當(dāng)運行工況點位于臨界鼓風(fēng)空氣線以上區(qū)域時，火炬可滿足消煙需求。

圖7 火炬消煙臨界鼓風(fēng)空氣系數(shù)曲線

根據(jù)本次試驗推測，火炬的臨界消煙鼓風(fēng)空氣系數(shù)曲線應(yīng)為斜率逐漸增加的曲線，但由于本次試驗條件受限，深入研究仍待進(jìn)一步開展。

3 結(jié) 論

為改進(jìn)某廠高架火炬燃燒頭消煙性能，對高架火炬燃燒頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并搭建試驗臺開展對比試驗，分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬的性能和可行性。對火焰形態(tài)和消煙臨界鼓風(fēng)空氣系數(shù)進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

(1)改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬具備優(yōu)化火炬氣流場，促進(jìn)火炬氣與空氣混合，提高火炬氣燃燒效率的能力；

(2)改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬通過提高環(huán)境空氣引射能力，降低了消煙臨界鼓風(fēng)空氣系數(shù)，提高了火炬燃燒頭消煙性能；

(3)改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬具備工業(yè)應(yīng)用可行性。