火炬系统设计 – 蒸汽辅助(Steam Assist)燃烧器简介

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火炬系统 (Flare System)是石油化工工业中用于安全处理和燃烧废气的关键设施;火炬系统主要用于在工厂工艺装置在因工艺紊乱或启动和关闭过程中出现装置过压情况,根据工艺控制条件要求,需要通过泄压阀释放的气体防止过压,以及处理非常规排放(如泄漏、净化、紧急事故排放);火炬系统通过各种管道和各种专业设备的配置置,用于收集泄压阀、排污阀、压力控制阀和手动通风口释放的碳氢化合物,并在远程安全位置通过燃烧方式低成本、安全、高效地处理泄放气体(液体)这些排放;火炬系统 (Flare System)是一套完整的工艺设施,通常包括火炬燃烧器、支撑结构、控制系统、以及可能的辅助设备;由于每个设施的设计要求和现场条件的差异,火炬系统通常需要定制设计;

一、概述

火炬燃烧器安装在火炬系统的末端,应是火炬系统设计中首先考虑的内容;文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/ideabank/wiki/22091.html

相对于工艺燃烧器及锅炉燃烧器,火炬燃烧器在高水平的过量空气和非常大的调节比下运行(从最大紧急释放流量到吹扫流量);此外,火炬燃烧器必须在没有维护的情况下长时间运行,通常为三到五年;文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/ideabank/wiki/22091.html

火炬燃烧器在整个火炬系统的配合下,需要实现减少黑烟排放、减少热辐射、减少噪音,低排放、更高效的燃烧,同时火炬燃烧器必须具备高安全性,包括防回火、确保可靠的点火系统和维持稳定的燃烧。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/ideabank/wiki/22091.html

二、蒸汽辅助燃烧器特性

在石油、化工等行业,生产过程中常产生大量含碳氢化合物的废气,这些废气如果不经过适当处理直接排放,会对环境和公众健康造成影响。蒸汽消烟火炬头通过向火炬气中喷入蒸汽,优化燃烧条件,促进完全燃烧,减少黑烟排放。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/ideabank/wiki/22091.html

蒸汽通过专门的喷嘴直接喷入火炬燃烧区域的高温部分,与燃烧过程中未完全燃烧而形成的碳黑发生化学反应。这一反应称为水煤气反应,其化学方程式为:H2O + C → CO + H2。通过这一反应,原本会形成黑烟的碳黑被转化为一氧化碳和氢气,从而减少了黑烟的生成,实现了消烟效果。更为重要的是当蒸汽高速喷射进入火炬燃烧区时蒸汽射流会因动压转换为静压而降低周围压力,从而吸入周围的空气进入燃烧区域。增加的空气供应提高了燃烧区域的氧气浓度,有助于促进燃料的完全燃烧,减少了不完全燃烧产物黑烟的形成。另一方面,蒸汽辅助增加了火焰中的动量和湍流。帮助产生无烟燃烧的火焰特性,产生更短、更强烈的火焰;同时,辅助蒸汽尤其是上部蒸汽环的设计,火炬的火焰对侧风有更大的抵抗力,可以有效的避免因侧风造成火焰翻转烧坏火炬;同时蒸汽可以降低火炬的辐射;文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/ideabank/wiki/22091.html

蒸汽量:蒸汽的消耗量因被处理废气情况和火炬燃烧器的设计会有很大差异;总体来说,无烟燃烧所需的蒸汽量由废气流量及组成、火炬燃烧器详细设计(因厂家而不同,在燃烧器尺寸相同情况下有最优化的理论计算)、及蒸汽的操作压力共同决定;后续文章详解计算;蒸汽注入流量应与废气流量成正比;通常,蒸汽量应比废气组成和流量的初始冒烟点略高。 最小蒸汽流量也需要考虑设置为在蒸汽系统中保持适当的温度,以避免在出口及蒸汽管道中发生冷凝,尤其是上部蒸汽环的燃烧器蒸汽的冷凝,过量的冷凝水在北方冬季甚至可以产生冰柱,对人员、火炬系统和管道构成安全隐患;同时,如果向火炬燃烧器添加的蒸汽太少,火焰会产生冒烟、柔软、火焰也可能被风吹偏;最小蒸汽流量是火炬燃烧器设计及操作必须考虑的内容;高的蒸汽流量会使火焰更刚直、燃烧更清洁、更不易被风吹偏;但是,过量的蒸汽流量会产生燃烧不稳定,并伴随着过度的火炬噪音。在极端情况下,过度蒸汽可能会熄灭火焰。 蒸汽辅助以不能干扰破坏火炬燃烧器的火焰稳定为前提,虽然蒸汽辅助可以消除废气的燃烧的黑烟,但它对高惰性气体的废气燃烧稳定性产生不利影响。一般情况可处理废气的最低热值要大于3000Kcal/Nm³为宜;文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/ideabank/wiki/22091.html

噪音:辅助蒸汽的注入有效增加了燃烧的湍流。由于额外的燃烧噪音和蒸汽喷嘴的射流噪音,与没有蒸汽辅助的火炬相比,蒸汽辅助火炬燃烧器的整体噪音水平会提高。蒸汽辅助燃烧器通常需要额外考虑增加降噪方面的设计;文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/ideabank/wiki/22091.html

各厂家都有各自的独特设计,以下为常见的蒸汽辅助燃烧器的类型,类型可能不够全面;文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/ideabank/wiki/22091.html

三、上部蒸汽辅助燃烧器

上部蒸汽辅助燃烧器是基于无辅助火炬燃烧器的改进;文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/ideabank/wiki/22091.html

采用多孔喷嘴以减少蒸汽喷射噪音,优化了喷射模式以提高蒸汽效率,并可选择中心蒸汽喷射以减少有害的内部燃烧。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/ideabank/wiki/22091.html

蒸汽辅助燃烧器

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如上图一个蒸汽集管,通常称为上部蒸汽集管或环,安装在火炬出口下部一段距离位置;

多个蒸汽喷嘴从集合管延伸出来,将蒸汽喷射到从火炬筒体流出的废气流中。蒸汽喷射器从周围大气中吸入空气,并以高湍流将其注入废气流中。蒸汽喷射器还起到一些引导从火炬头排出废气体的作用。这种设计防止了侧风在火炬头周围引起火焰下拉侧烧。

蒸汽、引射的空气和排放废气结合形成一种混合物,无烟燃烧处理废气。火炬燃烧器能达到的最大无烟燃烧的蒸汽流量取决于多种因素,包括气体成分、可用的蒸汽量和气体和蒸汽的压力;

然而,这种类型的火炬燃烧器存在先天的设计性能限制

1、噪音;蒸汽喷嘴位于火炬出口最高处附近,很难降低由高压喷射产生的蒸汽噪音。同时,设计用于上部蒸汽噪音的消声器都需要能够承受侧风中的直接火焰冲击,并且消音器需要考虑不能干扰蒸汽喷射器引射空气,造成引射效率降低,增加运行成本;

2、火炬规格;随着火炬筒尺寸的增加,蒸汽/空气混合物到达火焰中心变得更加困难。火炬筒的周长随着火炬头直径线性增加,而火炬头的废气流量面积随火炬直径的平方增加。因此,随着火炬头尺寸的增加,对空气的需求(火炬筒流量面积的函数)迅速超过了引射空气的能力(周长的函数)。这种上部蒸汽环辅助火炬的基本特征限制了这种火炬燃烧器的最大有效尺寸;

四、中心+上部蒸汽辅助燃烧器

背景:

为了克服上述上部蒸汽辅助燃烧器设计的局限性和其他缺点,持续改进开发出使用多个蒸汽喷射点,结合上部蒸汽环和中心辅助蒸汽(夹带引射空气)的蒸汽辅助火炬;

结构:

除了上部蒸汽集管外,还利用一组从外部到内部管道将蒸汽/空气混合物输送到废气出口的中心区域;

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从火炬筒外部到内部的管道,通过火炬燃烧器筒体下部侧壁上的开口,向上转弯,并一直上升到在火炬头出口位置即废气出口位置,内部辅助蒸汽管道分布在火炬头出口;;辅助蒸汽管道穿越火炬筒体位置需要完全密封焊接;

蒸汽喷嘴将蒸气喷入管道的入口,同时携带大量空气。蒸汽/空气混合物以高速从管道出口位置排出,将动量、稀释蒸汽、燃烧空气和湍流带入火焰根部。

性能特点:

新的结构设计提高了蒸汽消烟的效果,允许更大的无烟废气流量。内外蒸汽喷射器在火炬头尺寸一定的情况下(对空气的需求),极大的增加引射空气的效率(周长的函数);

同时,上部蒸汽环喷射通过增加湍流和混合以及减轻侧风影响,进一步提高了无烟燃烧;

中心+上部蒸汽辅助火炬燃烧器的设计结合了几种消烟技术:更高动量、更多燃烧空气、更大湍流混合、蒸汽稀释和化学相互作用,以及成功提高了火焰以抵抗风效应。这些消除减少黑烟技术结合起来,此设计一般认为是单点火炬中可用的最高无烟能力;

中心+上部蒸汽辅助火炬燃烧器配合火炬整个系统能够实现超过200T/小时的高烃废气无烟排放;

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同时,改进的消声器设计和蒸汽的重新分配可以使噪音降低到很低水平。随着此类型火炬燃烧器不同负荷、不同尺寸和无烟能力的大量开发及现场应用,现在可以总结出计算预测噪音和无烟性能的设计;

五、多点蒸汽辅助燃烧器

背景:

上述提到的中心+上部蒸汽辅助燃烧器是单点火炬的最高无烟废气处理能力;后续结合多点燃烧理念,进一步开发多点蒸汽辅助火炬燃烧器,进一步提升燃烧器的无烟处理能力;

后续关于多点燃烧理念在火炬燃烧器(火炬系统)的应用,我会在后续文章专题讲解;

结构:

将需要处理排放的废体分成多个较小流股。废气排放流量越小,火炬筒越小,其周长与面积比越大,因此空气可以更快更有效的进入废气流中,促进无烟燃烧;

每个排放废气筒都有一个的外部-内部的夹层管道,类似于中心蒸汽辅助(夹带空气)设计中的管道,与中心+上部蒸汽辅助燃烧器的区别在于,多点蒸汽辅助燃烧器的设计的管道是直的;

火炬头设计

性能特性:

因没有转向损失,直管道比弯曲管道更有效地引射夹带空气(见《燃烧器设计计算--详解引射器基础结构、应用及原理》)。更高的引射效率允许用相同量的蒸汽引射更多的空气,或者用更少流量的蒸汽引射相同量的空气。

另一个特点是辅助蒸汽和空气混合物在点燃之前与需要处理的废气设计有预混合。在燃烧前与排放气体预混空气大大提高了无烟性能;

处理物性相同的废气排放,达到无烟燃烧,多点辅助火炬燃烧器只需要中心+上部蒸汽辅助燃烧器的80%蒸汽消耗量;

同时,多点蒸汽辅助火炬燃烧器的设计结构要简单得多,只要一根蒸汽管线。操作维护也相对简单,消耗更少的蒸汽量,实现更大的无烟燃烧;

蒸汽辅助火炬燃烧器在工业火炬系统中已经广泛应用并发挥着重要作用,各家通过技术创新积累并不断优化设计,各具特点,性能也越来越好;

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  • 版权声明 本文源自 燃烧器技术, 大V快跑 整理 发表于 2024年6月2日09:52:04
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匿名

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匿名网友
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