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?；鹁嫣幚淼臍怏w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(shí)際運(yùn)行中火炬燃燒器在處理高碳烴類廢氣時(shí)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(chǎng)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(gè)世紀(jì)就已開始對(duì)該技術(shù)的研究。美國的JOHNZINK公司早在1957年已在美國申請(qǐng)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(xiàng)目中，并于2010年在國內(nèi)申請(qǐng)了相關(guān)專利[6]。

國內(nèi)該項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)目中投運(yùn)，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(shí)，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(duì)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?？梢?，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(duì)某廠高架火炬消煙結(jié)構(gòu)開展優(yōu)化研究，設(shè)計(jì)了一種高效消煙結(jié)構(gòu)，采用提高空氣引射量和強(qiáng)化火炬氣/空氣混合的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)火炬氣的高效燃燒，從而實(shí)現(xiàn)火炬消煙的目的。研究中通過搭建火炬燃燒試驗(yàn)臺(tái)，開展原結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)高架火炬的燃燒試驗(yàn)，對(duì)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(yàn)

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(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖。兩種結(jié)構(gòu)樣機(jī)設(shè)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖

1.2 火炬燃燒試驗(yàn)臺(tái)

為開展火炬燃燒試驗(yàn)，搭建了1套丙烯氣火炬燃燒試驗(yàn)平臺(tái)?；鹁婵諝庀麩熢囼?yàn)流程示意圖如下所示。試驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備包括：風(fēng)機(jī)、控制臺(tái)工作站、液化丙烯罐、蒸汽氣化器、蒸汽鍋爐、熱式流量計(jì)、手持式差壓流量計(jì)、火炬頭及相關(guān)管路、攝像機(jī)。

(1)風(fēng)機(jī)最大供風(fēng)量為3600 Nm3/h，可滿足兩臺(tái)火炬頭同時(shí)運(yùn)行需求；

(2)工作站內(nèi)PLC控制程序可對(duì)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(tái)記錄，試驗(yàn)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(duì)丙烯進(jìn)行氣化；

(5)蒸汽鍋爐提供蒸汽；

(6)試驗(yàn)中通過熱式流量計(jì)測(cè)定火炬頭燃?xì)饬浚?/p>

(7)手持式差壓流量計(jì)可測(cè)定火炬頭進(jìn)風(fēng)量；

(8)攝像機(jī)可對(duì)火炬燃燒狀態(tài)進(jìn)行記錄并存儲(chǔ)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(yàn)流程示意圖

1.3 試驗(yàn)方案

火炬空氣消煙試驗(yàn)以兩種結(jié)構(gòu)火炬頭開展燃燒試驗(yàn)，以丙烯為燃?xì)?，通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)制鼓風(fēng)，測(cè)試不同鼓風(fēng)空氣系數(shù)α條件下的火焰燃燒情況，對(duì)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(shí)的臨界鼓風(fēng)空氣系數(shù)α。

α=V鼓風(fēng)/V理論

試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)條件根據(jù)試驗(yàn)過程中測(cè)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(qiáng)制鼓風(fēng)提高參與燃燒的過量空氣系數(shù)，因此強(qiáng)制鼓風(fēng)空氣是空氣消煙的決定性因素，所以本次試驗(yàn)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(duì)不同結(jié)構(gòu)火炬頭黑煙產(chǎn)生的影響。

試驗(yàn)系統(tǒng)配置有實(shí)時(shí)攝像系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄火炬頭的燃燒情況。攝像機(jī)安裝與火炬的正對(duì)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(duì)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(xiàng)指標(biāo)，通常以林格曼黑度圖作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，采用視覺評(píng)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(jí)，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(jí)，占比20%為1級(jí)，以此類推，占比100%為5級(jí)。因此，林格曼黑度一定程度上可近似等同于對(duì)背景的遮蔽度。

圖3 林格曼黑度圖

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

2 結(jié)果與討論

2.1 火炬大負(fù)荷燃燒黑煙情況

為了測(cè)試所搭建試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)性能，并初步了解改進(jìn)火炬的消煙性能，以便對(duì)試驗(yàn)流程、試驗(yàn)條件和黑煙情況對(duì)比方法進(jìn)行完善，開展了大負(fù)荷燃燒試驗(yàn)。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(yàn)的林格曼黑度視覺評(píng)判體系，為后續(xù)試驗(yàn)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(yàn)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(píng)判法，大負(fù)荷燃燒試驗(yàn)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(píng)判法，可根據(jù)實(shí)際情況在兩個(gè)林格曼級(jí)數(shù)間增加0.5或0.25級(jí)數(shù)。

表2 大負(fù)荷燃燒試驗(yàn)結(jié)果

圖4 火炬大負(fù)荷燃燒情況

后續(xù)試驗(yàn)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(yàn)中將以此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)是否產(chǎn)生黑煙進(jìn)行判斷，從而對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的消煙性能。

2.2 火焰形態(tài)對(duì)比

火焰形態(tài)能夠有效反映火炬燃燒頭的流場(chǎng)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(yàn)中有限對(duì)火焰形態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷改進(jìn)型結(jié)構(gòu)火炬燃燒頭組織流場(chǎng)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(duì)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(shí)際為四簇。而當(dāng)負(fù)荷提高后，原結(jié)構(gòu)火炬火焰較長(zhǎng)，而改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬火焰較短。結(jié)合所設(shè)計(jì)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(qiáng)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(zhǎng)。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(duì)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(chǎng)，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(shí)，實(shí)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(yàn)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(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)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(shí)，兩火炬均產(chǎn)生大量黑煙。強(qiáng)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(duì)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(shí)，黑煙基本消失；對(duì)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(shí)，黑煙已基本消失。由此可見，改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬頭對(duì)于消除黑煙具有較為顯著的效果。

表3 兩種火炬燃燒試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)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(diǎn)在消煙臨界鼓風(fēng)空氣線以上的區(qū)域?yàn)橄麩焻^(qū)域。該曲線為某廠火炬運(yùn)行工況操作提供理論依據(jù)，當(dāng)運(yùn)行工況點(diǎn)位于臨界鼓風(fēng)空氣線以上區(qū)域時(shí)，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(yàn)推測(cè)，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(yàn)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(duì)高架火炬燃燒頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并搭建試驗(yàn)臺(tái)開展對(duì)比試驗(yàn)，分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)火炬的性能和可行性。對(duì)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(chǎng)，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。