高架火炬排放光学遥测技术的研究进展

第39卷，第2期红外
文章编号：1672-8785(2018)02-0001-07
高架火炬排放光学遥测技术的研究进展
管齐张静
(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海201108)
摘要：在石化工业中，高架火炬是一种用于燃烧上游生产过程中产生的废气
的重要装置。

然而火炬运行时通常存在不完全燃烧现象，主要表现为以下两种
形式：（1)由于热值低引起的未燃烧的可挥发性有机物（VolatileOrganicCom-
pounds，V0C)排放；（2)由于空气不足引起的黑烟排放。

近年来，火炬工业领域
开始尝试用光学方法对其燃烧状态进行遥测。

高架火炬排放中采用的几
种光学监测 ，式红外（PassiveFourierTTransform Infra-
red，PFTIR)光谱 、中红外超光谱相机监测 、自然光lU X O rn e-O--
SightAttenuationusingSky-light，Sky-LOSA)和双 红外测技术，并
、应用和进 方面对其进行 。

对光学遥测在高架火炬领域的 发 用进行。

关键词：高架火炬；光学监测；燃尽率；污染物排放
中图分类号：TN24 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.l672-8785.2Q18.02.001
Research Development of Remote Optical Measurement of
Elevated Flare Emission
G UANQ i，ZHANG Jing
(Shanghai MarineDiesel Engine Research Institute，Shanghai 201108，China)
Abstract：In petrochemicai industry，elevated flares are the important d evices to bum off the waste gas upstreamprocesses. However，there often exist incomplete combustions during flare operations. These are
mainly manifested as two forms ：O) unbumed volatile organic compound (VOC) emission due to low heat
values in the combustion zone；(2) smoke or soot emission due to insufficient a r supply.
flare industry has m ade an attempt to use opticaf methods on flares to monitor their combustion condtions.
Severaf opticaf monitoring technologies including passive Fourier Transform Infrared (PFTIR) spectroscopy，
nid-infrared hyper-spectraf imagery，sky-light lin^of-sight attenuation (sky-LOSA) and duaf wavelengh in­
frared sensor used in flare i ndustry are presented. Their operating principles，applications and developments
are discussed. Finally，the development trend and application prospect of remote optical monitorsin the field of
elevated flares are analyzed.
收稿日期：2017-10-23
基金项目：上海市浦江人才计划项目（16PJ1432000)
作者简=：管齐（1986-)，男，江苏宿迁人，博士，工程师，主要从事石化工程中的燃烧、流体力学、
安全环保等方面的设计和研发工作。

E-maf：Mech—GuanQi@
2红外2018年2月Key words：elevated flare ；optical monitoring ；combustion efficiency ；pollution emission
0引百
高架火炬是一种对石化工业生产过程中产 生的废气进行集中处理的重要安全装置。

在排 放过程中，废气经过筒体被输送到火炬头部，
燃烧后再排向大气。

高架火炬可以近似看作是
一种放空式燃烧系统。

火炬运行时通常会存在
因不完全燃烧而导致的污染排放问题，主要表
现为以 种形式：（1)日的VOC排放；（2)空气不足导致 。

VOC排
放会 温室效应并破坏高空臭氧层；黑烟排
放会导致 并 部 的气候，会 会 。

石化工业 ，火炬燃烧不
导致的污染问题 不可 。

，国
经针对高架火炬的污染物排放
法律规定。

例如，美国环保局（En viron m e n ta l P rotectio nA g e n c y，EPA)要求高架火炬的燃尽
率达到98%以上并且不 的排放。

火炬头一般都在150 m左右的高空中，且 燃烧 的温 高，一 的应种工况。

因、快速、而 一种的。

，在国 石化 业
中，而 种 被应
在高架火炬的污染排放研究中；而国内的 ：国存在一定差距，在高架 火炬测量中的应 少。

但随着近年来 ：要求的提高，国量也取较快发 ，被开 来。

本文主要介绍当下火炬工业中几种常用的和新型的 I 及产品，并比较 的不同 优缺，最后分析未来火炬排放 的发
趋势。

1高架火炬排放的污染源
高架火炬是一种放空式废气处理系统。

可燃废气经其筒体被传输到头部，燃烧后直接排向外界大气。

这种燃烧方式使得人们非常难以 量化排放。

根据卫星数据统计[1]，在全球范 围内，每年有超过1350亿立方米的废气会通 过火炬燃烧处理掉。

因此，高架火炬污染排放 的测量需求一直存在。

火炬废气主要由碳氢化合物组成。

若能充 分燃烧，其产物应该是C〇2和压0;若燃烧不 ，则会有未裂解或部分裂解的废气排 出。

工业上，一般用燃尽率（Combustion Effi­ciency，CE)来衡量燃烧的 程度，其表达式为[2]
犆犈（％)=
[C02]+[C0] +[THC]+[Soot]1
式中，[C〇2]、[C0]和[Soot]分别为烟气羽流 中的C〇2、C0和碳黑的体积含量；[THC]为其他所有碳氢化 的体积含量，如甲烷、乙烯或V0C气体。

图1所示，燃 实验中常用采样抽取测量 作为其他各种测量 的参照依据[3]。

试验中，在羽流顺风方向上设置一个 抽取管并配备抽风机。

抽取管对羽流中的各种 组分进行采样，最后通过烟气分析 到某段时的燃 。

图1抽取采样测量方法及装备
废气燃烧过程中产生的黑烟排放是另一大 污染源。

人们很难对其进行量化，主要是
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用林格曼系数来标定黑烟的不透明度。

尽管有 研究表明，排放 所有燃烧不 排放量的0.5%或更少M，但该研究受制
实验条件的限定，因此其结论需要得到 深入的探讨。

美国 提出的 9中规定[5]，量要由经专 的观测人员
，以不 。

这种：很较强的主 因素，，因此 量地对黑烟排放进行测量。

2光学遥测技术
2.1被动式傅里叶变换红外光谱技术
P FT IR光谱仪用于分析气体成分的光谱 信息。

该 直接以高温燃烧气体的、辐作为系统所需 ，根据气体对
的大 气体组分及 。

图2
PFTIR量火炬羽流燃 的示图。

图2基于P F T IR光谱仪的火炬燃尽率测量实验气体 对 的。

PFTIR是种来量气
体的种 。

在 A、温 了的条件下，燃烧区的 气体 到的能量
[6]
KA，T)=[l-r(A，T)].4(A，T)⑵
式中，r(A，T)为气体的透射率；犐犫（A，T)为该 件 的体 。

到的 不 来 燃烧
的热气体 ，而 空背景
和大气 。

所以在测量时，要先进行标定和校准，以去除背景和大气辐射的干扰。

根据比 ，气体浓度c存在指数关系：
—K X X)•c•犔()
^p lu m e犲、3 J 式中，K(A)为该波长下的吸光系数；犔为气体 的光程长度。

由式（3)即可得到 气体中的组。

如图3和图4所示，自2004年以来，美 国德克萨斯环境质量委员会(TexasCommission on Environmental Quality，TCEQ)与IMACC、U R S等公司合作展开了一系列火炬燃尽率监 测研究[7-8]。

中，IM ACC公司生产的PFT-IR高（约0.125 cm-1)、时间较 优点，但 需专业人员进行解读。

另一 ，与火焰羽流的变化 比，该 的是较慢，及时捕捉燃 的变化。

最后，在利用PFTIR
图3 IM ACC公司的P F T IR光谱仪
图4用P F T IR光谱仪测量火炬燃尽率
4红外2018年2月
光谱仪进行测量时，要保证烟气羽流的飘动方 向尽量 向垂直。

因此，在实 量中，通常 120°配 以风向变化，但这也会 本。

2.2中红外超光谱成像监测技术
随着红外成像技术的发展，超光谱探测仪 器也 污染物排放 。

如图5所示，美国SurfaceOptics公司的SOC750型中红外超 集 高 的高速中 探测、以及 系统。

该 在2〜5范围内具有42个光谱波段，其光谱分辨率约为73 nm，像素数为256X240，每秒 钟可处理11〜30帧图片。

图5SurfaceO ptics 公司的SOC750
型中红外超
ZengY等人M基于SOC750型成像仪开 发了一种新型火炬燃尽率监测设备。

如图6所 示，在配备50 m m定焦镜头后，该设备可以 在距离火炬90 m处监测一个视场角为8. 8°的的燃烧 。

如图7所示，在 碳黑
的，该 量了4个波段的 ‘能(分别对应于CO2、CO、未燃烧的碳氢化物 TH C以及一种参考气体），并反推出了气体的
相对浓度值C (如C02在4. 26 p m处有辐射峰值）：
犆=^犐(4
犆B(Tg^)a(X)L V4将各像素上的各个组分浓度代入式（1)，即可计算出各像素上的燃 ：
-____犐1____I___犐2____|___犐____(5)
B(Tg，A1)a(1)B(Tg，A2)(2) B(Tg，A3)(3)
式中，疗为碳氢化物中的碳原子个数；B与气 体 温度犜犵及 A，其具体表达式为B T g，X)=犺犺犽犜—工;犐为探测器所接收的辐射能；a。

图8所示为火炬羽流燃尽率的空间分布情况。

由于SOC750型的数据采集周期（仅为91〜33 ms)，可以近似认为烟气羽流的光程长度在 这段时间内是不变的。

图6火炬燃烧试验及红外图像
中红外超光谱成像监测技术能够在二维平
气羽流的动态变化，因此可有 效抵抗风速风向变化对测量的 ，并可提供
第39卷，第2期红外
图8火炬羽流燃尽率的空间分布情况
比P F T IR光谱仪更全面、更有效的信息。

另外，由于集 燃尽率计算功能，该 I设备需 人员专门进行 析，因此更加便于现场监测。

2.3 Sky-LOSA方法
消光法是在实验室尺度下测量火焰中碳黑 生成量的方法之一 [1Q]。

近年来，JohnsonM R 等人将这种方法拓展到了现场火炬黑烟生成量 的测量之中[1112]。

他们 瑞利-德拜-甘氏分形凝聚理论（Rayleigh-Debye-G ansFractalA g-gregate，RD O FA)将穿透羽流的散射自然光的 单色光透射率测量与碳 联系起来，即Sky-L〇S A方法。

根据比尔-朗伯定律，波长为A的光穿过 羽流的透射率rA与该波长所对应的消光系数 拉之间存在以下关系：
T^=J^=exp[―Ke x dxJ(6)
式中，犐。

和犐分别为波长A的光穿透羽流前后 的。

根据RDG~F A理论，瞬态下某一垂直于 羽流飘散方向上的透射率T(W与碳黑流量之 间存在以下关系：
狅狋6n(1+pl)犈(犿)
X u(y)\n[T X(y))dy(7)式中，P狅为碳黑密度；P:为烟气羽流对光的 散 比；u(y)为烟气羽流的平均速度；E(m)A为吸收折射率。

通过对式（7)作时间上的平均，可以得到平均碳黑排放流量的表 式：
犿狅二犃1H U(y)ln[T(y)Jd y (8)
式中，A=P w A)/[6n(1+P:)E(rn)A]是个常 数；U(y)为数据处理周期内羽流的 3速;犖犳段周期 机拍摄的帧数。

图9所示为Sky-L〇S A方法用于乌兹别克 斯坦现场的 置。

测量装备距离火炬216 m。

在测量过程中，由Casio EX-F1高速 摄像机获取火焰羽流的动态变化数据并计算羽 流 。

该摄像机每 可以拍摄300帧照片，并配有一个36〜432 mm镜头。

在这样 的拍摄速度下，相机可以保持512X324像素。

中每个 代表的空间精 55 mm。

羽流的透射率由美国Princeton仪器公司生产的 PIXIS 1024B R型16位CCD相机获得。

该相机 每50毫秒可以拍摄1000帧照片，并配有一个 105 mm可见光镜头。

其每个像素代表的空间 精度为23.8 mm。

它通过在镜头前加装一个 532±3 n m的单色光滤光片来实现单色光量。

图9 Sky-L〇S A方法的实验设置图
2.4双波长红外传感器监测技术
由于傅里叶红外光谱仪和超光谱成像仪价 格昂贵，且现 经常伴随雨雪风沙等恶劣气，因此它们并不 期的室 应用。

美国Williamson公司和德国LumaSense Technologies公司都基于双波长红外传感器技
红外2018年2月
术研制了用于监测燃烧时黑烟排放情况的火炬
燃烧 ，并可根据测量信号调节和控制消
蒸气或空气。

双 传感器使用两块窄带滤光片选
来自燃烧区的 。

图10所
示为Williamson公司生产的FM-17-N4型火炬。

它测量的是火焰中C O和O H的相对
[13]，反映燃烧 的残
氧量和碳氧比。

燃烧区中的O H优 碳 ：生氧化反应[14]。

因此，当火 碳黑较多 时，O H的相对含量低；当火 碳黑较少 时，O H的相对含量高。

基于燃烧区内C O与O H的比值，该 可输 燃烧是否
有黑烟生成的信号。

图10 W illiamson公司的FM-17-N4型火炬监测仪
仪器信号并不与黑烟的能见度或浓度有直 接的对应关系，的是 位 并使
燃烧处在 附近，持较高的燃烧效
率[78]。

图11所示为FM-17-N4型火炬监测仪 的视场角范围。

在现场使用该仪器之前，应将 瞄对准火炬头，并 的测量位置，以使视场角至少为火炬头直径的3倍，从 而尽可能 集燃烧区的 能量。

傅里叶 超 〖成像仪相比，双 传感器造价便宜，在配备吹扫、加热、防爆等装备后适于长期现场工作，需专业人员解读数据，可大大节省人工费 用。

但其缺点是 计算的是视场范围
图11F M-17-N4型火炬监测仪的视场角范围
内的平均辐射。

因此，如果监测视场内含有多 个火炬头或其他 火源，那么双 传感器就 排放的具体来源。

，该 只能相对 反映 的变化，并不量纲，所以没有明确的物理定义。

3国内光学遥测技术及其应用
与欧美发达国家相比，我国的光学遥测技 差距，应用主要集中在 气体 [15]、火灾防范[16]和大气 [17]。

高架火炬污染排放 研究及应用还 比较缺 。

中国石油化工股份有限公司的赵日峰和刘 琎等人 火炬 ，态图 式识别计了一种由摄像机、硬盘录像机和图形 服务 构成的火炬排放流量实时监测系 统[1819]。

该系统通过图像处理火焰大 ，进而测量火炬流量排放。

量精度在 10%以内，因此可以 控制火炬排放。

武汉 大学的 文等人 可见光辐以及图 处理 ，计 一种高架火 炬火 控系统[2021]。

通过分析摄像机拍摄的火焰图片中 积与火焰积的比值，可以 火焰的燃烧状态并 调节消烟蒸气量。

如图12所示，在获得拍摄的火焰图像之 后，火 及 的差别
，并对图像进行二值化处理。

其中，色 部分可近似认为是 。

近两年来，中国船舶重工集团公司第七一一
第39卷，第2期红外
图12用二值化阈值法提取火焰黑烟面积
研究所展开了火炬火焰燃烧光学遥测产品的研制 工作。

他们采用可见 结合图像处理的方法提取火炬火焰的颜色 ，并 帧差分等算 析火焰的动态变化。

中比，可见光成像在能见 的(女或雨雾等天气）1 到的能少，受到的 ，所以需要 图
作进一步处理。

但 造价、算 ，该技术是一种
的段，并 的推广前景。

4结语及展望
自20世纪80年代以来，针对高架火炬废 气燃烧的 ，
种 在现 到了应用。

但 一
术点需要继续探索，比如：
(1) ^要朝被动接收、低成本、专业化的方向 ，集成数据处理功能，以省去专业人员现场解读数据的工作；
(2) 监测仪器要能适应现 量条件，以抵御天气和气候变化对信号 带来的 或
;
(3) 随着数字信号处理技术、图像处理技术和嵌入式系统 的，的性能、量精度以及算法处理都将会得到不断优化。

国比，我国在高架火炬污染排放监
不足。

要提 主研工制造 ，我们还需要.环保识，大力推 在现 ：境中的应用。

参考文献
[1] Elvidge C D, Ziskin D, Baugh K E, et al. A Fif­
teen Year Record of Global Natural Gas Flaring
Derived from Satellite Data [J]. Energies,2009,
2(3)：595-622.
[2] Allen D T, Torres V M. TCEQ 2010 Flare Study
Final Report [R]. Texas ：TCEQ, 2011.
[3] Pohl J H，Tichenor B A, Lee J, et al .Combus­
tion Efficiency of Flares [J]. Combust Sci Techn-
ol, 1986, 50(4-6)：217-231.
[4] McDaniel M D. Flare Efficiency Study [R]. North
Carolina：US EPA, 1983.
[5] US Environmental Protection Agency. Method 9-
Visual Determination of the Opacity of Emissions
from Stationary Sources [S]. Code of Federal
Regulations (Part 60, Title 40) , 1991.
[6] Clean Air Engineering Inc. Performance Test of a
Steam-assisted Elevated Flare with Passive FTIR-
Detrott [R]. Detroit：Marathon Petroleum Com­
pany, 2010.
[7] URS Corporation. Passive FTIR Phase I Testing
of Simulated and Controlled Flare Systems Final
Report [R]. Texas ：TCEQ, 2004.
[8] ENVIRON .Cost Analysis of HRVOC Controls on
Polymer Plants and Flares [R]. Texas ：TCEQ,
2008
[9] ZengY, Morris J, DombrowskiM. Validation of
a New Method for Measuring and Continuously
Monitoring the Efficiency of Industrial Flares [J].
J A ir Waste Manage Assec,2015, 66(1)：76­
86
[10] JohnsonM R, DevillersRW, YangC, et al. Sky-
scattered Solar Radiation Based Plume Transmis­
sivity Measurement to Quantify Soot Emissions
from Flares [J]. Environ Scc Technil, 2010, 44
(21)：8196-8202.
[11] Johnson M R, Devillers R W, Thomson K A.
Quantitative Field Measurement of Soot Emission
from a Large Gas Flare Using Sky-LOSA [J].
Environ Sci Technol, 2011, 45(1)：345—350.
(下转第27页）
第39卷，第2期红外27
动电路能使本实验中的320X256二类超晶格 探 稳定工作，实现了符合探 能的驱动控制。

本文驱 的设计能为二类超探 的驱 计提供参考。

参考文献
[1]马文全.InA s/G aSb二类超晶格红外探测材料
件[R].第十六届全国晶体生长与材料学术会议，2012.
[]杨利鹏.G a S b基丨丨类超晶格双色红外探测器研
究[D].北京：北京工业大学，2014.
[3] Smith D L, McGill T C, Schulman J N .Advanta­
ges of the HgTe-CdTe Superlattice As an Infrared
Detector Material [J]. ，
1983, 43(2) ：180-182.[]史衍丽，余连杰，田亚芳.InA s/(In)G aSbII类 超晶格红外探测器研究现状[].红外技术，2007, 29(11) ：621-626.
[]杨国政，唐广.非制冷红外焦平面阵列的非均匀 性校正及其实现[].红外，2004, 25(8): 1-5. []徐志成.InAs/GaSb I I类超晶格探测器结构M BE生长研究[D].上海：中国科学院上海技
术物理研究所，2014.
[]许佳佳，陈建新，周易，等.320 X 256元-nAs/GaSb I 超探
[].红外与毫米波学报，2014, 33(6)：598­
601
[]刘云芳，李建伟，李玉敏，等.640X 512 In- GaAs探测器驱动电路设计[].红外技术，
2012, 34(3)：146-150.
(上接第7页）
[12] Johnson M R, Devillers R W, Thomson K A.A
Generalized Sky-LOSA Method to Quantify Soot/
black Carbon Emission Rates in Atmospheric
Plumes of Gas Flares [J]. and
Technology , 2013, 47(9) ：1017—1029. [13] D itm oreJD, BoleyT M, Holm H, etal. IR
Technology for Automatic Flare Steam Control
[C]. Denver：American Fuel & Petrochemical
Manufactures ( AFPM) Environmental Confe--
ence, 2013.
[14] Puri R, Santoro R J. The Oxidation of Soot and
Carbon Monoxide in Hydrocarbon Diffusion
Flames [J]. Combustion 牔Flame,1994, 97(2)：
125-144
[5]李家琨，金伟其，王霞，等.气体泄露红外成
像检测技术发展综述[].红外技术，2014, 36
(7)：513-520.[6]徐琼，程晓舫，袁宏永.火灾烟雾光学探测技
术原理的数学分析[].火灾科学，2002, 11
(4) ：217-221.
[7]刘文清，陈臻懿，刘建国，等.环境污染与环
境安全在线监测技术进展[].大气与{境光
学学报，2015, 10(2) ：82-92.
[8]中国石油化工股份有限公司.基于火炬视频实
时测量火炬排放系统流量的方法：102645246B
[P] 2014-04-23
[9]刘琎.石化火炬排放实时监测和分析管理系统
的实施[].化工管理，2013, 12(6)：36-38. [0]王昶文，刘振兴.一种基于图像处理的火炬监
测方法[].武汉科技大学学报，2014, 37(3)：
219-222
[21］文数图处理的工业火炬火控系统的研究[D].武汉：武汉科技大学，
2014。