高架火炬消烟结构改进

2022-12-22薛志村付永泉赵玉龙刘轶凡刘晓旭洪博岩

广州化工 2022年21期

薛志村，李宇，付永泉，赵玉龙，刘轶凡，刘晓旭，洪博岩

(1 中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201108；2 中国石油大庆石化分公司化工一厂，黑龙江大庆 163714)

高架火炬[1]是石化行业中广泛应用的一种火炬形式。火炬处理的气体为石化装置在开/停车、正常及紧急事故等状态下泄放的各类易燃易爆气体，通常以烃类居多。理论上，易燃和有害物质充分燃烧后，分解为无害的不燃物质，并且无黑烟产生。但实际运行中火炬燃烧器在处理高碳烃类废气时常出现燃烧不充分，产生黑烟的情况，严重污染大气环境[2-3]。

为解决火炬产生黑烟的问题，提出了蒸汽助燃型火炬和空气助燃型火炬，蒸汽助燃型火炬能够有效提高火炬燃烧效率，解决火炬黑烟问题，但由于火炬现场环境受限，蒸汽助燃型火炬不适用于水资源短缺或天气寒冷等环境。因此提出了空气助燃型火炬燃烧器[4]，此类火炬燃烧器能非常高效的处理恶劣环境或资源短缺环境中工厂排放气燃烧产生黑烟的问题。

国外先进火炬厂商在空气消烟技术上起步较早。美国JOHNZINK公司、美国Callidus公司、美国Zeeco公司和意大利ITAS公司，在上个世纪就已开始对该技术的研究。美国的JOHNZINK公司早在1957年已在美国申请相关专利[5]，并在本世纪初将该技术应用在国内的项目中，并于2010年在国内申请了相关专利[6]。

国内该项技术起步较晚，以七一一研究所为代表的火炬供应商，于本世纪初开始着手于该项技术的研究。1998年，七一一研究所研制的首套空气消烟火炬系统在上海石油天然气总公司东海平湖油气田工程陆上天然气处理厂项目中投运，标志着该技术的国产化迈出成功的一步。

虽然国内高架火炬工业应用中已取得优异的成果，但高架火炬仍存在着不足之处。当火炬事故排放量较大时，火炬气仍存在燃烧不充分的情况，产生大量黑烟，污染环境[7]。此外，对于火炬气含有大量丙烯的高架火炬，其消烟性能常不满足工业应用需求。可见，改进高架火炬结构，提升其消烟性能，仍是火炬消烟技术发展的必然要求。

本文针对某厂高架火炬消烟结构开展优化研究，设计了一种高效消烟结构，采用提高空气引射量和强化火炬气/空气混合的结构实现火炬气的高效燃烧，从而实现火炬消烟的目的。研究中通过搭建火炬燃烧试验台，开展原结构和改进结构高架火炬的燃烧试验，对比不同结构高架火炬消烟性能，分析高架火炬消烟结构改进的有效性。

1 火炬燃烧试验

1.1 火炬燃烧头

图1是原结构和改进结构火炬燃烧头的试验样机实物图。两种结构样机设计图及参数如表1所示。原结构火炬的火炬气出口呈现环形分布，火炬气出口与火炬外筒之间为强制鼓风空气通道。改进结构火炬，将火炬气出口分割，呈“十”字分布，强制鼓风空气出口略低于火炬气出口，呈圆筒形。相比于原结构，改进结构火炬气出口面积无变化，导致火炬气出口分布圆更大。改进结构火炬气出口与环境空气接触面更大，有利于引射环境空气。

表1 两种火炬头结构及参数

图1 原结构(a)和改进结构(b)火炬试验样机实物图

1.2 火炬燃烧试验台

为开展火炬燃烧试验，搭建了1套丙烯气火炬燃烧试验平台。火炬空气消烟试验流程示意图如下所示。试验系统关键设备包括：风机、控制台工作站、液化丙烯罐、蒸汽气化器、蒸汽锅炉、热式流量计、手持式差压流量计、火炬头及相关管路、摄像机。

(1)风机最大供风量为3600 Nm3/h，可满足两台火炬头同时运行需求；

(2)工作站内PLC控制程序可对火炬系统所有设备进行控制以及显示仪表示数，并进行后台记录，试验后可导出数据；

(3)液化丙烯罐输送液态丙烯至蒸汽气化器进行气化，供气稳定；

(4)蒸汽气化器利用蒸汽换热对丙烯进行气化；

(5)蒸汽锅炉提供蒸汽；

(6)试验中通过热式流量计测定火炬头燃气量；

(7)手持式差压流量计可测定火炬头进风量；

(8)摄像机可对火炬燃烧状态进行记录并存储至云端；

(9)此外火炬系统管路中配备有压力表、热电偶、阀门及流量调节阀等未在流程示意图2中详细示意。

图2 火炬试验流程示意图

1.3 试验方案

火炬空气消烟试验以两种结构火炬头开展燃烧试验，以丙烯为燃气，通过风机强制鼓风，测试不同鼓风空气系数α条件下的火焰燃烧情况，对比不同结构火炬头黑烟产生情况，探究不同火炬头产生黑烟时的临界鼓风空气系数α。

α=V鼓风/V理论

试验工况调节中基本参照单一变量法进行调节。本次试验工况基本涵盖了0～2000 kg/h燃气量以及0～3000 Nm3/h空气量的试验范围，能够基本反映两结构火炬头燃烧状态差异以及消黑烟性能区别。具体试验条件根据试验过程中测试过程决定，具体参数见表3。

由于黑烟的产生受到燃气量和空气量的共同作用，而过量空气系数是衡量燃烧过程是否充分的主要标准，空气消烟技术采用强制鼓风提高参与燃烧的过量空气系数，因此强制鼓风空气是空气消烟的决定性因素，所以本次试验主要以鼓风空气系数α作为核心影响因素，探究鼓风空气系数α对不同结构火炬头黑烟产生的影响。

试验系统配置有实时摄像系统，实时记录火炬头的燃烧情况。摄像机安装与火炬的正对位置，确保图像保持水平，且两种结构火炬在摄制画面内保持较高的可对比度，即保持距离和角度大致相同。

1.4 林格曼黑度判断依据

林格曼黑度[8]是反映烟尘黑度的一项指标，通常以林格曼黑度图作为评估标准，采用视觉评判法。图3为标准的林格曼黑度图，以视觉方法将烟气黑度分为六级，以黑色条格的面积占比作为划分标准，占比为0%为0级，占比20%为1级，以此类推，占比100%为5级。因此，林格曼黑度一定程度上可近似等同于对背景的遮蔽度。

图3 林格曼黑度图

由于本次研究中，试验条件受限，无法完全满足林格曼黑度视觉评判法的要求，但同样能够以林格曼黑度图为基准，将对背景的遮蔽度作为本次试验的林格曼黑度值。遮蔽0%为0级，遮蔽20%为1级，以此类推，遮蔽100%为5级。

2 结果与讨论

2.1 火炬大负荷燃烧黑烟情况

为了测试所搭建试验台的试验性能，并初步了解改进火炬的消烟性能，以便对试验流程、试验条件和黑烟情况对比方法进行完善，开展了大负荷燃烧试验。此外，开展火炬大负荷燃烧黑烟情况研究可建立本次试验的林格曼黑度视觉评判体系，为后续试验黑烟情况判断提供参照。

如图4为火炬大负荷燃烧图像。燃烧负荷为3.5～5.6 t/h，鼓风空气为2700 Nm3/h。由于燃烧负荷较高，试验初期便出现大量黑烟，黑烟在图像中呈现为雾状，即灰色区域。当负荷增大，黑烟量显著增加后，黑烟在图像中愈加显著，呈现为浓郁的黑团。参考林格曼黑度视觉评判法，大负荷燃烧试验不同工况下的林格曼黑度结果如表2所示，根据林格曼黑度视觉评判法，可根据实际情况在两个林格曼级数间增加0.5或0.25级数。

表2 大负荷燃烧试验结果

图4 火炬大负荷燃烧情况

后续试验中主要集中在临界消烟负荷，所产生黑烟量较少，在图像中呈现为雾状区域，即低林格曼黑度区间。因此，试验中将以此标准对是否产生黑烟进行判断，从而对比两种结构的消烟性能。

2.2 火焰形态对比

火焰形态能够有效反映火炬燃烧头的流场特征，并且在一定程度上能够间接反映燃烧效果。因此，火炬燃烧试验中有限对火焰形态进行对比分析，判断改进型结构火炬燃烧头组织流场的合理性是否优于原结构火炬燃烧头。

图5是两种结构火炬火焰形态对比图像，可见原结构火炬火焰集中为一簇火焰，而改进结构火炬火焰分为多簇，实际为四簇。而当负荷提高后，原结构火炬火焰较长，而改进结构火炬火焰较短。结合所设计火炬的结构进行分析可得，由于原结构火炬气沿圆周均匀分布，且与环境空气接触面呈现圆形，因此火炬气较为集中，靠近火炬中心的火炬气难以与环境空气接触，仅靠强制鼓风空气作为助燃剂，从而导致燃烧不够充分，火焰较长。而改进结构火炬的火炬气喷射区域呈分割状分布，与环境空气接触面呈花瓣形，因此改进结构火炬火焰呈分割火焰，且负荷提高后由于接触面更大，空气供给充足，燃烧充分，导致火焰较短。

图5 原结构(a)与改进结构(b)火炬火焰形态对比

综上所述，根据火焰形态可初步判断，改进结构火炬具备优化火炬气流场，促进火炬气与空气混合，提高火炬气燃烧效率的能力。

2.3 空气消烟临界

火炬空气消烟临界鼓风空气系数可表征火炬燃烧头的消烟性能，临界鼓风空气系数越小代表火炬气量相同时，实现消烟所需的鼓风空气量越少，即火炬燃烧头的消烟性能越好。

表3为两种火炬燃烧试验黑烟情况，并结合图像以及上文所述的林格曼黑度视觉评判标准进行评判。林格曼黑度随鼓风空气系数的增加而减少。图6为两种结构火炬头黑烟产生情况随鼓风空气系数α变化。当鼓风空气系数为0时，两火炬均产生大量黑烟。强制鼓风后，黑烟明显减少，随着鼓风量增加，鼓风空气系数增大后，黑烟逐渐减少。对于原结构火炬头，当鼓风空气系数增大到0.13～0.14时，黑烟基本消失；对于改进结构火炬头，当鼓风空气系数达到0.10～0.11时，黑烟已基本消失。由此可见，改进结构火炬头对于消除黑烟具有较为显著的效果。

表3 两种火炬燃烧试验数据记录表

图6 黑烟产生情况随鼓风空气系数变化

图7为将数据记录表中数据进行拟合的火炬消烟试验数据，并对消烟临界鼓风空气系数进行示意，消烟临界鼓风空气系数拟合线可作为火炬燃烧头的消烟特征线。该图可显著表示数据点在消烟临界鼓风空气线以上的区域为消烟区域。该曲线为某厂火炬运行工况操作提供理论依据，当运行工况点位于临界鼓风空气线以上区域时，火炬可满足消烟需求。