工业火炬

13.5 工业火炬

13.5.1 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。

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(NO x)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。

13.5.2 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NO X。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