1 绪论
在石化行业迅猛发展的今天，炼油、化工、塑料等石化及其后续生产装置更加呈现出生产规模持续扩大、联建联产和公用工程集中供应的特点，使对生产装置的安全稳定运行提出了更高的要求。由于这些生产装置的规模化和相互之间的联系，在开停车、正常生产和事故排放时，都会有大量的火炬气排出。火炬气是石油化工行业生产过程中产生的废气，属于易燃易爆有毒有害的气体。由于其极具危害性，为保证生产装置的系统稳定和安全，不能采用直接放空的方式，应设置火炬系统将其进行及时、安全的燃烧处理，处理方式广泛采用的是高架火炬系统或者是地面火炬系统[ ]1。火炬系统是保障石油化工厂安全生产的必要措施，兼顾了生产、安全和环保三大功能。尽管人们对火炬烧掉大量可燃气体感到可惜，期望设置火炬气回收系统将这些火炬气全部回收起来加以利用，从而消灭火炬，全面熄灭长明灯，但由于火炬气的排放量变化很大，从几乎为 0 到每小时几百吨，而且气体组分变化也很大，很难将这些气体全部回收加以合理利用，因此现阶段火炬系统依然为生产工艺流程的有机组成部分之一。
如图 1-1 和图 1-2 所示，可以比较出高架火炬系统和地面火炬系统的主要性能特点（如表 1-1 所示）。
通过以上对地面火炬系统和高架火炬系统性能的比较分析，可以看出高架火炬较适合建在离厂区较远而且人口稀少的地方，这不但增加了建设投资，而且给操作维护带来了困难。近年来随着温室气体减排和二氧化碳国际交易进程的发展，需要将可燃废气在封闭式地面火炬中进行燃烧处理，以满足高效燃烧、燃烧状态可监控的目的，因此地面火炬与高架火炬相比，更为先进、更为有效、更为安全。无烟低噪音环保型地面火炬系统作为一种新型的封闭式火炬气处理装置，正逐步成为石化、炼油、乙烯、天然气等企业进行火炬气燃烧处理的首选。该地面火炬装置主要由多级燃烧器组构成，使排放气的压力始终控制在最佳范围内，以保证其有效的完全燃烧，燃烧火焰完全封闭在燃烧室内，且燃烧室内衬的陶瓷纤维材料具有极好的隔热降噪效果，使整个火炬系统达到真正意义上的无烟、低噪音、低热辐射和充分燃烧，但现有技术的火炬燃烧器只能无烟燃烧小排量的火炬气，因此研发一种适用于大排放量的废气处理系统的高燃尽率环保型燃烧器对该类企业的稳定生产、安全、环保意义重大。
2 火炬燃烧器结构设计
火炬燃烧器是地面火炬装置中的关键设备，通过上章对国内外现有技术燃烧器的比较分析，可以发现低噪音高燃尽率环保型燃烧器是火炬燃烧器的发展趋势。即便高架火炬有诸多缺点，但它仍在石化行业中有着不可替代的主体地位和应用，最主要的原因就是其处理量大，且投资成本较低，而在环境保护日益重视的今天，如何增大单个燃烧器的处理能力和燃烧效率对于地面火炬系统在石化行业的进一步推广应用有着极为重要的意义，因此本章设计了一种新型高燃尽率的燃烧器，并用理论验证了其可行性。
2.1 火炬燃烧器设计要求
特殊设计的燃烧器应确保火炬气燃烧的火焰稳定性好，且具有较高的燃尽率，保证对火炬气的燃烧处理满足安全和环保的要求。燃烧器的设计应满足以下关键要求：(1) 能完全并安全燃烧生产装置在各种工况下的火炬气（即能处理不同流量、不同参数、不同组成成分的火炬气），即无烟燃烧负荷范围大；(2) 在火炬气完全燃烧的前提下，要求能耗低（蒸汽用量少）；(3) 结构简单、制造容易，选材得当，使用寿命长，质量轻，便于安装和维护检修；(4) 燃烧产生的噪音和光污染小；(5) 燃烧的火焰稳定性好（火焰稳定性与火炬气出口流速及马赫数有关）。因此本次设计主要从以下几个方面来进行设计：增强预混室内空气与火炬气的预混效果，以提高其燃尽率；低噪音运行；增强燃烧火焰中心部分的空气紊流，以降低火焰包面的高度和宽度；降低蒸汽消耗量；提高燃烧器的处理量及对火炬气流量的适应性；火焰稳定性好。
2.2 拟采用的方案
目前地面火炬系统广泛采用的燃烧器均采用扩散燃烧的方式，这种燃烧方式由于排放气体未与空气进行预混合，燃烧所需要的空气完全依靠扩散作用从周围大气中获得，因此在生产装置大量排放火炬气时容易造成放空气体燃烧不完全而产生黑烟，对环境造成污染。根据燃尽率的要求进行燃烧器的选型，选择预混合燃烧器，采用无烟燃烧的方式，在常用方式如注射水蒸汽、强制空气助燃、夹带空气的高压天然气等方式中选取蒸汽助燃型火炬燃烧器，即按照火炬气排放量的大小，向燃烧器燃烧区域注入适量的蒸汽，起到助燃和消烟的作用。为增强火炬气和空气的预混合效果，引入“科安达效应”，将燃烧器的下部分制成科安达表面，采用圆弧过渡，利用“科安达效应”使其夹带更多的空气并加强火炬气和空气的混合（火炬气从喷射管喷射到科安达表面上，会引起燃料附着于并且随从于科安达表面，并且形成相对薄的薄膜，这就导致了更加高效的空气夹带和空气与火炬气的预混合），从而使预混室出口的混合气体富含空气并且混合更加均匀，提高燃烧器的燃烧处理效果。火炬气喷嘴有两种形式：管式和多孔径式，为增强空气引射量和提高空气的预混效果，选择多孔径式火炬气喷嘴，但在建模过程中，为建模方便，以管式喷嘴代替。地面火炬燃烧噪音主要来源于以下三个方面：火炬气喷射气流与周围空气相混合产生的噪音；消烟蒸汽与空气相混合产生的噪音；火炬气通过管道和阀门时产生的噪音。其中水蒸汽喷射产生的噪音占主要部分，因此本次设计考虑到火炬气处理量和燃尽率，在预混室内设置一个蒸汽环管。蒸汽喷管可以托高火焰，降低头部温度，延长燃烧器使用寿命，并可增强火焰中心高温区域的紊流度，将火焰包面的中央芯体划分为几个可燃性初始区，且内部燃烧区在燃烧热量作用下膨胀，将火焰割裂，使更均匀更快速的火焰燃烧发生，从而缩短整个火焰包面的长度，也就是说在相同的火焰高度下允许更多的火炬气被火焰燃烧，从而使燃烧器的处理能力更强。由于水煤气反应为吸热反应，蒸汽空气的混合物进入火焰的高温区，有利于反应向正方向进行，促进水蒸汽的分解，提高水蒸汽的利用率，从而提高燃烧器的消烟能力，并且降低了蒸汽消耗量。蒸汽和空气的同时引入可以明显增加火焰刚度，缩短火焰长度。水蒸汽和预混气体从预混室喷出还可以引射足量的二次空气参与火炬气燃烧，大大提高了燃烧器的燃烧效果，从而保证在大流量的情况下也可保证较高的燃尽率。在预混室的出口设置几个倾斜板，这种助燃导流板将高空横向流动的大量空气由横向力转向为垂直向上，使空气源源不断地集中导向燃烧着的火焰区域上方，使火炬燃烧器顶部的火焰不易倾倒，这种技术能使火炬无烟排放量在常规技术上大大提升，并且可以减少蒸汽消耗。
2.4 小结
本章针对火炬燃烧器的设计要求，指出本次设计主要从六个方面来设计新型高燃尽率燃烧器，使其满足燃尽率高、低噪音、燃烧火焰短且稳定性好，蒸汽消耗量小的要求，并提出了设计方案，然后用理论依据对其进行技术支撑，接着根据设计的基础数据，按照火炬设计的相关标准和规范，计算出单个燃烧器的初始尺寸，为下章用 CFD 软件对其内部流体流动进行数值验证提供初始数据。
3 火炬燃烧器的数值模拟 ..................................................................................25-41
3.1 概述 ..................................................................................25-26
3.2 预混合燃烧器的数值模拟 ..................................................................................26-31
3.2.1 确定数学物理模型 ..................................................................................27-28
3.2.2 利用 GAMBIT 进行前 ..................................................................................28-29
3.2.3 利用 FLUENT 求解计算 ..................................................................................29-30
3.2.4 计算结果后处理 ..................................................................................30-31
3.3 模拟结果分析 ..................................................................................31-39
3.3.1 衡量预混合效果..................................................................................31-32
3.3.2 模拟结果分析 ..................................................................................32-36
3.3.3 火炬气喷嘴结构 ..................................................................................36-37
3.3.4 不同蒸汽喷嘴位置 ..................................................................................37-39
3.4 小结 ..................................................................................39-41
4 自动点火系统的改进 ..................................................................................41-51
4.1 火炬自动点火系统的.................................................................................. 41
4.2 自动点火系统的..................................................................................41-45
4.3 自动点火系统..................................................................................45-46
4.4 自动点火系统的.................................................................................. 46-47
4.5 自动点火系统的 ..................................................................................47-49
4.6 小结.................................................................................. 49-51
5 地面火炬总体方案 ..................................................................................51-69
5.1 火炬系统设计 ..................................................................................51
5.2 火炬系统主要.................................................................................. 51
5.3 地面火炬系统的 ..................................................................................51-54
6 结论
本文主要从以下四方面对地面火炬系统进行了研究与设计：(1) 新型火炬燃烧器的设计根据火炬燃烧器的设计要求，提出本次设计的立足点，采用预混合式结构的燃烧器，取代传统意义上的扩散燃烧结构的燃烧器，采用无烟燃烧的方式，利用蒸汽助燃和消烟，通过改变预混室入口的结构以引入“科安达效应”，选用多孔径的火炬气喷头，用中央蒸汽环管取代常用的燃烧器头部的蒸汽环管及其喷嘴以及中央喷管的结构，助燃导流板的合理设计，这些均为新型高燃尽率燃烧器的设计奠定了坚实的基础。(2) 火炬燃烧器预混室内的数值模拟预混室内火炬气与空气的混合过程是一个无物理化学反应和热传导的二维稳态湍流扩散问题，在确立计算模型时，粘性模型选用标准 κ - ε双方程模型，组分模型选用通用有限速率模型。在用 GAMBIT 对计算区域建模和划分网格时，网格质量在很大程度上决定了计算结果的准确度。本设计对喷嘴附近的计算区域进行了局部加密网格，很大程度上加快了计算速度，同时提高了计算精度和稳定性。对用经验公式所计算出的初始尺寸的燃烧器预混室内流体流动进行了数值模拟。根据数值计算结果，通过调整喷嘴位置，喷管直径、预混合室的尺寸对燃烧器的结构进行了优化。
结果表明：直径为 300mm、长度为 400mm 的预混室，火炬气喷管直径为 60mm、伸入预混室 20mm 时，在同等压力条件下，火炬气喷嘴出口速度最大，速度峰值也最大，则火炬气射流的影响区域也最大，火炬气和空气的预混合效果最好，且最大排放量的情况下也能引射 12 倍的空气量，燃烧效率高，燃烧火焰长度最短，符合本次设计的初衷；蒸汽喷管伸入预混室 100mm 时，在同等压力条件下，其引射的空气量最多，且预混均匀性最好，加剧了火炬气和空气的预混合效果，符合设计要求。(3) 自动点火系统的改进根据自动点火系统的控制要求和实际情况，设计出自动点火系统的逻辑控制程序图，并实现了自动点火过程的全自动控制。针对点火设施中经常故障的部分和不足之处，提出了几点整改措施：为使点火触发信号取值更为全面和可靠，同时更易采集到，在水封罐后增设插入式热值流量计，并在水封罐前设置微差压变送器和侧装磁翻板液位计；为确保点火成功率为 100%，除了配备高空点火系统外，还增设了一套内传焰点火系统作为高空点火系统的备用点火装置；为响应全面熄灭长明灯的节能降耗要求，配备了 2 台紫外线探测器用于检测火炬气燃烧的火焰信号；为防止燃料气管线供应不稳定，考虑从火炬气管线开支路引入燃料气管线，保障整个火炬系统能安全稳定地运行。(4) 整套地面火炬系统的设计根据火炬气的参数和火炬系统的主要技术指标，确定了地面火炬系统的工艺流程及总体方案，并根据火炬系统相关标准和规范进行地面火炬主要装置的选型和设计，最终确定总体方案。本次所设计的地面火炬系统具有 4 重安全保护措施，防回火防爆性好，且对火炬气流量的适应性好，点火成功率高，环保性和安全性好。与某扩散燃烧方式的多级燃烧器地面火炬系统相比，本次设计的地面火炬占地面积较小，且燃烧室和防辐射消音屏的规格较小，建设投资和成本均降低，达到了设计要求。
本文主要是提出了一种新型燃烧器的设计方案，并从理论上分析了其可行性，接着分析了燃烧器预混室内火炬气和空气的预混合过程，并用 CFD 软件对其内部流体流动情况进行了数值模拟，然后分析了燃烧器预混室内蒸汽和空气的预混合过程，并用 CFD 软件对其内部流体流动情况进行了数值模拟，但是在这两次数值模拟过程中，并未考虑火炬气喷嘴和蒸汽环管对彼此在计算区域建模时的影响，并且在几何建模过程中对火炬气喷嘴和蒸汽环管进行了结构简化，即不能在一次数值模拟过程中直观的反映出预混室内火炬气、蒸汽和一次空气的总混合情况，不能计算出预混室出口总混合气体的压力，也就无法计算出二次引射空气量和燃烧火焰的长度及热辐射影响区域，因此对未来工作的展望如下：(1) 考虑蒸汽喷管和火炬气喷嘴对预混室内计算区域建模的影响，通过一次数值模拟直观展现预混室内流体流动情况。(2) 对燃烧器出口的混合气与引射的二次空气的混合过程进行数值模拟，利用燃烧模型和辐射模型最终模拟出火炬气燃烧产生的火焰长度和形状，同时计算出火焰对周围的热辐射值，以直观验证其燃尽率高，处理量大的优点。