探析三元组分法的火炬气燃烧机制范文

摘要:为选择合适的火炬气空气配比和助燃条件，提高火炬燃烧效率，减少火炬气燃烧不完全等事故发生，开展含氮火炬气燃烧实验，研究可燃气体与N2在不同配比条件下的火炬气燃烧状态，并采用三元组分图法分析火炬气熄灭的原因。研究表明:当火炬气组分中丙烷(C3H8)与N2体积比≤1∶3时，火炬气熄灭;火炬气熄灭原因为火炬气流速较快，卷吸空气量大于火炬气体积的12.02倍，气云团中C3H8浓度小于最低燃烧极限1.92%。

关键词:火炬气;热值;燃烧极限;三元组分图

火炬系统是石油化工企业重要的安全环保设施，其主要作用是在开停工、非正常工况以及事故状态下将含有烃类、硫化氢等各类火炬气进行燃烧处理［1－3］。火炬气通常采用点燃方式排入大气中，火炬气中混入大量N2，易造成火炬气热值降低，燃烧不完全，形成可燃及有毒气云，给企业及周边带来安全和环境风险［4－5］，甚至会导致灾难性事故。1996年，AlbertaResearchCouncil完成了加拿大Alberta省火炬排放状况研究［6］。Castieira等［7］(2006)采用计算流体力学的方法研究了蒸汽助燃及空气助燃时火炬燃烧效率与蒸汽量及空气量的关系。国内对燃烧的关注多见于加热炉及燃煤炉，对于火炬燃烧效率的研究及相关报道极少。李级三［8］采用烟道气分析仪提高燃烧效率与最佳燃烧点，给出了烟道气中氧含量与能耗的曲线图。焦沛［9］采用光纤及摄像机对火焰燃烧的状况实施在线监测，并对采集的光波进行频谱分析，得到燃烧产物的成分。从国内目前情况来看，现阶段在提高燃烧效率控制方面采取的技术措施主要是燃料气伴烧，但伴烧气量缺乏科学的技术指导，从而造成能量的浪费，也带来一定的安全隐患。近几年国内也发生了多起与火炬气安全燃烧相关的事故，2016年6月，某石化厂300万t炼油装置，在生产过程中出现问题发生火炬气排放，由于火炬气含氮量较高，热值较低，燃烧不充分造成严重环境污染。本文建立以C3H8和N2混合气作为火炬气的供气装置和火炬燃烧实验装置，采用实验研究和三元组分图法研究火炬气高效燃烧所需的合适空气配比和助燃条件，以减少火炬气燃烧不完全引起的事故发生。

1火炬气燃烧状态实验

为了研究不同热值条件下的火炬气燃烧状态，设计了如图1所示火炬实验装置。火炬气成分复杂，平均分子量为30～50，而C3H8的分子量为44，因此，本文选择C3H8和N2作为实验中的火炬气气源，模拟火炬气燃烧状态。供气装置将C3H8和N2按照一定体积比混合后，通过阻火器在火炬上扩散式燃烧。C3H8和N2的流量都可通过管线上的气动薄膜调节阀和流量计实现自动调节，可调体积流速范围均为0～100m3/h(标准状况下，下同)。C3H8和N2的供气管线和火炬如图2所示。实验中，长明灯配备有单独的燃料气源且一直处于燃烧状态，确保实验中有足够大的点火能量。采用移动式气象站监测实验场风速、风向、温度等天气条件。火炬气中C3H8与N2按照不同体积比混合时开展测试实验，当火炬气总体积流速为40和50m3/h时，火炬燃烧状态实验数据见表1和2。由表1和2可得:当可燃气体流速增加时，可燃气体最小点火能线性增加，同样，也会使可燃气体着火范围变窄。这些影响主要表现在传热上，气流速度加大，散热损失变大，燃料更不易着火［10］。为此，本实验火炬气组分中C3H8和N2按照体积比1∶3混合，开展火炬气总体积流速分别为20、60、80m3/h时的火炬燃烧状态测试实验，实验结果如表3所示。影响火炬气燃烧极限的主要因素有火炬气初始温度、火炬气流速以及火炬气组分。实验中，火炬气初始温度都为常温条件，风速较小且风向稳定。当火炬气组分中C3H8和N2的体积比≤1∶3(表1—3中的实验工况4—5和工况11—13)，火炬气体积流速在20～80m3/h时，火炬气都不能正常燃烧，在本实验条件下流速对火炬气燃烧极限影响很小，因此，火炬气熄灭的主要原因为火炬气中可燃气体积分数较低。针对上述实验结果，本文采用三元组分图法确定火炬气的燃烧极限及燃烧条件。

2基于三元组分图法研究燃烧极限与燃烧条件

2.1三元组分图法概述三元组分图是利用一个等边三角形表示3种成分组成不同浓度的混合气体的燃烧极限。同时，三元组分图也可反映不同组分浓度下混合气体是否处于燃烧极限范围内［11］。

2.2火炬气燃烧极限实验中火炬出口处的气云组分不只3种气体，为了便于计算，把空气看成O2和N2的混合气体，即火炬出口处气云由可燃气C3H8、助燃气O2和惰性气体N2组成［12－13］。对于此类气体，其三元组分图如图3所示。图3中直线ab和与ab平行的直线、直线bc和与bc平行的直线、直线ac和与ac平行的直线分别代表C3H8、O2和N2浓度梯度。图3中任意点处由不同比例的C3H8、O2和N2组成，体积分数总和是100%。在a、b、c顶点处分别为纯的C3H8、O2、N2，ab、bc和ac边缘线只含有两种气体，ab线上任意点为C3H8与O2不同体积比的混合气体，bc线上任意点为O2与N2不同体积比的混合气体，ac线上任意点为C3H8与N2不同体积比的混合气体。中间区域任意点都包括3种气体，如图3中k点含有C3H8、O2、N2，体积分数分别为40%、30%和30%。离顶点越近代表所含此种气体浓度越高，离顶点越远代表所含此种气体浓度越低。X1和X2是C3H8在O2中的爆炸下限5%和上限61%;ad是空气组分线，在a点处不含O2，在d点处O2的体积分数为21%，连接两点即为空气组分线。Y1和Y2是C3H8在空气中爆炸下限2.1%和上限9.5%［14］。直线X1Y1与直线X2Y2相交于e点，三角形X1X2e范围内就是含C3H8、O2、N2火炬气的燃烧浓度范围。三元组分图中C3H8在空气中的燃烧极限分析如图4所示。图4中e点处的O2浓度就是火炬气燃烧所需要的最小O2浓度，在三元组分图中，过e点做ac的平行线fX3，则f点为最小O2浓度点，经计算，C3H8、O2和N2混合气成为可燃混合气时的O2最低体积分数约为16.06%。过e点作bc的平行线eX4，经计算，C3H8、O2和N2混合气成为可燃混合气时的C3H8最低体积分数约为1.92%。因此，C3H8、O2、N2混合气成为可燃混合气时的N2最高体积分数约为82.02%。

2.3火炬气燃烧熄灭条件实验中，当火炬气中C3H8与N2的体积比为1∶3时，火炬气不能被点燃燃烧。根据图4的三元组分图，假设火炬气体积为1，空气体积为x，那么火炬气中C3H8的体积为0.25，火炬气中N2的体积为0.75，空气中O2的体积为21%x，空气中N2的体积为78%x。在可燃区域内，混合气中O2的体积分数符合式(1)。在可燃区域内，混合气中C3H8的体积分数符合式(2)。经计算，x≤12.02。由式(1)和(2)计算结果可得:当火炬气中C3H8与N2体积比为1∶3时，需要的空气体积约为火炬气的3.25～12.02倍才可以燃烧。通过三元组分图计算得出了C3H8与N2不同混合比例条件下燃烧所需空气量，如表4所示。从表4中可以看出:当C3H8与N2体积比越小，燃烧所需要空气体积范围越窄。基于三元组分法计算实验中火炬气气云团着火浓度范围，研究C3H8和N2体积分数对火炬气在空气中燃烧条件的影响，见表4。从表4中可以看出:火炬气中N2体积分数越高，火炬气着火范围越窄，火炬气越不容易燃烧，而且火炬气中C3H8和N2体积分数主要对着火上限有影响，对火下限影响不明显。火炬出口处喷出的气体为C3H8和N2混合气体，一次空气系数为0，火炬气燃烧所需的空气需在火炬气喷出后才互相扩散混合。实验中当火炬气中C3H8与N2的体积比V(C3H8)∶V(N2)＞1∶3时，火炬处于正常燃烧状态且无黑烟产生。这表明在此实验条件下火炬气出口处的燃料气与空气混合较好，C3H8处于燃烧极限范围之内(表4)。在火炬气初始温度和风速变化很小、火炬气流速相同条件下火炬气组分C3H8与N2体积比V(C3H8)∶V(N2)≤1∶3时，火炬气燃烧熄灭。这是由于火炬气流速较快，卷吸的空气量过多(V(空气)/V(火炬气)＞12.02)，在火炬出口处C3H8浓度过低，造成火炬气熄灭。

3结论

1)通过实验发现，当火炬气组分C3H8与N2体积比≤1∶3时，由于火炬气流速较快，卷吸的空气量较大，造成气云团中C3H8浓度过低，火炬气熄灭。2)当火炬气中C3H8与N2体积比为1∶3时，需要的空气体积约为火炬气体积的3.25～12.02倍才可以高效燃烧。3)基于三元组分图可得到不同热值火炬气的燃烧极限，可用于指导选择合适的空气配比和助燃条件，提高火炬燃烧效率，减少火炬气燃烧不完全等事故发生。

参考文献:

［1］中国石化工程建设公司．石油化工企业燃料气系统气体排放设计规范:SH3009—2011［S］．北京:中华人民共和国工业和信息化部，2011．

［3］韩钧．炼油厂火炬系统工艺设计探讨［J］．石油化工安全技术，2002，18(2):21．

［4］白永忠．HAZOP技术在炼油火炬系统工艺危害分析中的应用［J］．中国安全生产科学技术，2011，7(10):106.

［5］马卫东，李冰晶，付金杯，等．高架火炬污染源事故状态预测模式的参数确定及应用［J］．工业安全与环保，2013，39(3):73．

［8］李级三．提高燃烧效率与最佳燃烧点的确定-烟道气分析仪的应用［J］．中国仪器仪表，2000(4):38．

［9］焦沛．实时监控锅炉燃烧状态的火焰在线监测系统［J］．西北电力技术，2004(3):39．

［10］姜正侯，郭文博，傅忠诚，等．燃气燃烧与应用(第四版)［M］．北京:中国建筑工业出版社，2011:34．

［11］刘沛华，张金锁，张璇，等．浮顶罐双层密封圈环空燃爆危险性与惰化控制［J］．消防科学与技术，2015，34(11):1419．

［12］董文庚，苏昭桂．三元组分图在储罐退役惰性化过程设计中的应用［J］．中国安全生产科学技术，2007，3(4):37．

［13］王淑兰，毕明树，李岳．工业多元混合气体爆炸极限计算［J］．化工装备技术，2000，21(6):28．

［14］王广生，张海峰．石油化工原料与产品安全手册［M］．北京:中国石化出版社，2010:351．

作者：葛安卡 张礼敬 张杰东 邢树鹏 单位：南京工业大学