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工业火炬全面介绍

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发表于 2022-3-15 16:44:26 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
工业火炬全面介绍
总述
   火炬焚烧是一个高温氧化过程,用于燃烧工业生产所排放废气中的可燃组分(大部分是烃),其中,天然气、丙烷、乙烯、丙烯、丁二烯和丁烷占火炬气总量的95%以上。在燃烧过程中,气态烃与空气中的氧气反应,生成二氧化碳(CO2)和水。在某些火炬废气中,一氧化碳(CO)是主要的可燃组分。下式举例给出了丙烷燃烧反应的反应式:
C3H8 + 5 O2 > 3 CO2 + 4 H2O
    在燃烧反应过程中,会生成几种中间产物,但最后,大部分中间产物都会转化为CO2和水,只有一定数量稳定的中间产物,例如:一氧化碳、氢气和烃类会做为排放物进入大气中。
    火炬广泛的用于处理:(1)炼厂吹扫气和废气;(2)油井中与原油一起排出的不可回收气体;(3)鼓风炉排放的气体;(4)焦炉产生的不能利用的气体;(5)化工过程产生的废气。来自炼厂、原油生产、化学工业以及焦炉(所占比重较小)的火炬气,主要由低分子量、高热值的烃组成。来自鼓风炉的火炬气,主要由低热值的惰性组分和CO组成。火炬也用于燃烧处理下水道、煤气化、火箭发动机试验、配有钠/水换热器的核电厂、重水工厂以及氨肥厂所产生的废气。
    火炬分两种,高架火炬和地面火炬。更常使用的高架火炬的处理能力要大于地面火炬。对于高架火炬,废气从火炬烟囱的10至100米高度之间的某处进入,并在火炬头的顶端燃烧,火焰暴露在大气中,会受周围环境如风和降雨等的影响。对于地面火炬,燃烧在地面附近发生,地面火炬的型式多种多样,可能是未封闭的传统火炬烧嘴,水平排放,也可能是带耐火衬里的钢制封闭结构内的多个烧嘴组成。
    典型的火炬系统包括:(1)集气总管和从各工艺单元收集气体的管道;(2)用于脱除和储存可凝缩和夹带液体的缓冲罐(脱夹带罐);(3)专用的密封罐、水封罐或用于防止排放气倒流的设施;(4)单个或多个燃烧器和火炬筒;(5)如果需要,还要配置气体引燃器和点火器,以引燃废气和空气的混合物;(6)对于无烟火炬,还要提供外部输送力(蒸汽吹扫或强制通风),天然气、燃料气、惰性气或氮气都可用做吹扫气。图13.5-1是一个典型的蒸汽消烟高架火炬系统图。
    完全燃烧需要足够的助燃空气和恰当比例混合的废气和空气,燃烧可能会产生烟,这取决于废气的气体组成、流量以及助燃空气的分布。通常,含有甲烷、氢气、CO和氨的废气,燃烧时不会产生烟;而含有重烃,如:高于甲烷的直链烷烃、烃和芳烃,燃烧时会产生烟。外部辅助,如:蒸汽吹扫或鼓风,用于气体/废气的更有效混合和扰动,因此,才有了烧重烃废气的无烟火炬。其它辅助措施也用于这个目的,包括:喷水、高速涡流或注入天然气。地面火炬很少使用辅助措施进行消烟。
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图 13.5-1. 一个典型的蒸汽辅助无烟高架火炬系统图
    蒸汽吹扫或者通过围绕顶部火炬头的环形喷嘴进行,或者通过位于火炬头内与之同一中心的单喷嘴进行,在两种喷嘴都配备的情况下,当火炬气流量变化时,两个喷嘴都使用。内部喷嘴在火炬气流量低时供给蒸汽,外部喷嘴在火炬气流量大时使用。还有其它几种特殊用途的火炬头,其中之一是可同时喷射蒸汽和空气,且典型的蒸汽/空气重量比在7:1 到 2:1之间。
    送到火炬的废气需具有至少7500~9300千焦每立方米kJ/m3的热值(每立方英尺200~250英制热量单位),以完全燃烧,否则,必须另外补加燃料。需要向废气补充提供燃料的火炬称为助燃火炬或蓄热式火炬,在某些情况下,即使火炬气有所需的热值,但也需要补充燃料。燃烧热值低于13,600 kJ/m3 (365 Btu/ft3)的含氨火炬气就需要补充燃料,以使(Nox)的生成量最小(空气中含有氮气)。
    在大多数情况下,处理正常情况连续排放低流量废气的火炬,都设计为能够处理装置紧急情况下产生的大流量废气(间歇排放)。火炬的处理能力可以从正常工况下的每小时几立方米,高至大的装置故障工况下的每小时几千立方米。炼厂火炬处理量可以从正常处理泄放阀泄漏量每小时45 到 90 公斤 (kg/hr) (每小时100 - 200 磅 [lb/hr]),到全厂紧急停车工况下的每小时700Mg(750 tons/hr)。正常的工艺排放量约450 到 900 kg/hr (1000 - 2000 lb/hr),局部单元维修或小的故障工况下,排放量约25到35 Mg/hr (27 - 39 tons/hr)。一个典型的分子量为40的火炬气流速可以从每秒0.012 立方纳米(nm3/s) (每分钟25 标准立方英尺 [scfm]),高至115 nm3/s (241,000 scfm),在这种典型情况下,火炬的高低处理量之比是15,000 :1。
    许多火炬系统都配备两组火炬,平行布置或串联布置,对于平行布置的火炬,一个火炬停工维修时,可使用另一个火炬;对于串联布置的火炬,通常,一个是高度较低的地面火炬,用于处理正常情况下较少流量的气体,另一个是高架火炬,用于处理紧急故障工况下的大流量气体。
排放物
    火炬运行的噪音和热量是我们最不想要的负面影响。火炬通常位于远离居民区的地方或充分隔离,以使其负面影响降到最低。
    火炬的排放物包括:含碳颗粒(烟灰)、未燃烧的烃、CO及其它部分燃烧和发生了转化的烃,以及NOX。如果火炬气中有含硫物质,如硫化氢或硫醇,则排放物中还会含有二氧化硫(SO2)。火炬排放物中烃的含量与燃烧程度有关,而燃烧程度很大程度上取决于燃料/空气的配比和混合程度,也就是取决于火焰能达到的温度及温度的稳定保持情况。正确操作的火炬可实现燃尽率98%以上,也就是说排放物中的烃和CO的含量是总烃气体流量的2%以下。
    燃料转化为烟或烟灰的倾向,受燃料特性以及燃烧区域内氧气的量和氧气的分布影响。对于完全燃烧,燃烧区域内至少要提供等化学当量的氧气,所需氧气的理论数量随燃烧气体分子量的增加而增加,氧气的供给量按空气计算,空气(风)的供给范围:一单位甲烷配9.6单位的风,而一单位戊烷要配38.3单位的风,按体积计量,供给火焰的空气分为一次风和二次风。一次风在燃烧前与火炬气混合,而二次风送进火焰内。对于无烟燃烧,必须供给足够的一次风,一次风的风量范围是:对直链烃是等化学当量的20%,对其它烃类是等化学当量的30%。如果一次风量不足,进入火焰根部的气体就会被燃烧区域预热,从而使大的烃分子裂解,形成氢、不饱和烃和碳,碳颗粒可能飘逸而未能进一步燃烧,冷却后就形成烟灰或烟。烃和其它不饱和烃会部分聚合,形成可裂解的大分子,从而形成更多的碳。
    燃料的特性影响烟灰的生成,包括:燃料中碳和氢的比例(C-:-H)以及被燃烧气体的分子结构。所有甲烷以上的烃,也就是碳氢比大于0.33的烃,都有生成烟灰的倾向。带支链的烷烃比其对应的异构体更少生成烟,烷烃支链化程度越高,生成烟的倾向更大。不饱和烃比饱和烃更易生成烟。烟一般通过加入蒸汽或空气来消除,因此,大部分工业火炬是用蒸汽消烟或用空气消烟的。所需蒸汽的量主要由火炬气的组成决定。
    由于火炬不适合于传统的污染物排放监测技术,因此,只有少数机构曾试图监测和描述火炬的排放特性。最近的EPA测试,使用丙烯做为火炬气,表明当火炬气的热值在11,200 kJ/m3 (300 Btu/ft3)以上时,燃烧效率可以达到98%。测试在蒸汽消烟的火炬上进行时,气体流速在每分钟39.6 米 (m/min) (130 ft/min) 到 1140 m/min (3750 ft/min);测试在空气消烟的火炬上进行时,气体流速在每分钟180 m/min (617 ft/min)到 3960 m/min (13,087 ft/min),试验表明,火炬气进料流量的变化对燃烧效率没有影响。热值低于16,770 kJ/m3 (450 Btu/ft3)的火炬气不产生烟。
    表13.5-1给出了火炬排放因数,表13.5-2给出了从EPA测试1获得的火炬排放组成数据,测试过程用丙烯做为火炬气。甲烷是火炬排放气所含烃中的主要组分,而乙炔是主要的中间烃类,许多其它关于火炬的报告表明,乙炔总是生成稳定的中间产品,在燃烧过程中生成的乙炔可能会与其它烃进一步完全反应,生成多炔,进而生成多环烃。
    即使火炬气中不含有含氮化合物,NO也会由空气中的氮与氧反应而生成,或由火炬气中的烃完全燃烧产物与大气中的氮反应而生成。反应的中间产物是HCN,、CN和 OCN2。火炬气中的含硫化合物在燃烧过程中生成SO2,SO2的量直接取决于火炬气中硫的量。

表 13.5-1 (英制单位). 火炬运行的排放因数a
额定排放因数: B
组分
排放因数  (lb/106 Btu)
总烃b
一氧化碳
氮氧化物
烟灰c
0.14
0.37
0.068
0--274
a 注释1. 测试是基于含80%丙烯、20%丙烷的火炬气。
b 以甲烷等效物来测量。
c 烟灰浓度数值: 对应无烟火炬,每升0毫克 0 (μg/L); 轻度排烟火炬,40 μg/L; 排烟火炬的平均烟灰浓度177 μg/L;;重度排烟火炬,274 μg/L。
表 13.5-2. 火炬排放物中的各烃类组分的含量a

组成
体积含量%
平均值
范围
甲烷
乙烷/乙烯
乙炔
丙烷
丙烯
55
8
5
7
25
14~83
1~14
0.3~23
0~16
1~65
a 注释1. 表中的各烃类组成数据是按下述试验条件测出的多个试验数据的平均值,试验条件:供给高热值火炬气的蒸汽消烟火炬,供给低热值火炬气的蒸汽消烟火炬;供给高热值火炬气的空气消烟火炬,供给低热值火炬气的空气消烟火炬。在所有试验中,火炬“废气”都是含丙烯和丙烷的合成气。

这一部分的说明:
1.火炬效率研究 , EPA-600/2-83-052, 美国环境保护署,辛辛那提,俄亥俄州, 1983年7月。
2. K. D. Siegel, 炼厂高架火炬中火炬气的转化程度, 专题论文,卡尔斯鲁厄大学,卡尔斯鲁厄市,德国,1980年2月。
3. 炼厂废弃物处置指南,大气排放物卷,, API 出版 931, 美国石油学会, 华盛顿, DC, 1977年6月。

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