探析三元組分法的火炬氣燃燒機制范文
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摘要:為選擇合適的火炬氣空氣配比和助燃條件，提高火炬燃燒效率，減少火炬氣燃燒不完全等事故發(fā)生，開展含氮火炬氣燃燒實驗，研究可燃氣體與N2在不同配比條件下的火炬氣燃燒狀態(tài)，并采用三元組分圖法分析火炬氣熄滅的原因。研究表明:當火炬氣組分中丙烷(C3H8)與N2體積比≤1∶3時，火炬氣熄滅;火炬氣熄滅原因為火炬氣流速較快，卷吸空氣量大于火炬氣體積的12.02倍，氣云團中C3H8濃度小于最低燃燒極限1.92%。
關鍵詞:火炬氣;熱值;燃燒極限;三元組分圖
火炬系統(tǒng)是石油化工企業(yè)重要的安全環(huán)保設施，其主要作用是在開停工、非正常工況以及事故狀態(tài)下將含有烴類、硫化氫等各類火炬氣進行燃燒處理［1－3］?；鹁鏆馔ǔ２捎命c燃方式排入大氣中，火炬氣中混入大量N2，易造成火炬氣熱值降低，燃燒不完全，形成可燃及有毒氣云，給企業(yè)及周邊帶來安全和環(huán)境風險［4－5］，甚至會導致災難性事故。1996年，AlbertaResearchCouncil完成了加拿大Alberta省火炬排放狀況研究［6］。Castieira等［7］(2006)采用計算流體力學的方法研究了蒸汽助燃及空氣助燃時火炬燃燒效率與蒸汽量及空氣量的關系。國內(nèi)對燃燒的關注多見于加熱爐及燃煤爐，對于火炬燃燒效率的研究及相關報道極少。李級三［8］采用煙道氣分析儀提高燃燒效率與最佳燃燒點，給出了煙道氣中氧含量與能耗的曲線圖。焦沛［9］采用光纖及攝像機對火焰燃燒的狀況實施在線監(jiān)測，并對采集的光波進行頻譜分析，得到燃燒產(chǎn)物的成分。從國內(nèi)目前情況來看，現(xiàn)階段在提高燃燒效率控制方面采取的技術措施主要是燃料氣伴燒，但伴燒氣量缺乏科學的技術指導，從而造成能量的浪費，也帶來一定的安全隱患。近幾年國內(nèi)也發(fā)生了多起與火炬氣安全燃燒相關的事故，2016年6月，某石化廠300萬t煉油裝置，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)問題發(fā)生火炬氣排放，由于火炬氣含氮量較高，熱值較低，燃燒不充分造成嚴重環(huán)境污染。本文建立以C3H8和N2混合氣作為火炬氣的供氣裝置和火炬燃燒實驗裝置，采用實驗研究和三元組分圖法研究火炬氣高效燃燒所需的合適空氣配比和助燃條件，以減少火炬氣燃燒不完全引起的事故發(fā)生。
1火炬氣燃燒狀態(tài)實驗
為了研究不同熱值條件下的火炬氣燃燒狀態(tài)，設計了如圖1所示火炬實驗裝置?；鹁鏆獬煞謴碗s，平均分子量為30～50，而C3H8的分子量為44，因此，本文選擇C3H8和N2作為實驗中的火炬氣氣源，模擬火炬氣燃燒狀態(tài)。供氣裝置將C3H8和N2按照一定體積比混合后，通過阻火器在火炬上擴散式燃燒。C3H8和N2的流量都可通過管線上的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥和流量計實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，可調(diào)體積流速范圍均為0～100m3/h(標準狀況下，下同)。C3H8和N2的供氣管線和火炬如圖2所示。實驗中，長明燈配備有單獨的燃料氣源且一直處于燃燒狀態(tài)，確保實驗中有足夠大的點火能量。采用移動式氣象站監(jiān)測實驗場風速、風向、溫度等天氣條件?；鹁鏆庵蠧3H8與N2按照不同體積比混合時開展測試實驗，當火炬氣總體積流速為40和50m3/h時，火炬燃燒狀態(tài)實驗數(shù)據(jù)見表1和2。由表1和2可得:當可燃氣體流速增加時，可燃氣體最小點火能線性增加，同樣，也會使可燃氣體著火范圍變窄。這些影響主要表現(xiàn)在傳熱上，氣流速度加大，散熱損失變大，燃料更不易著火［10］。為此，本實驗火炬氣組分中C3H8和N2按照體積比1∶3混合，開展火炬氣總體積流速分別為20、60、80m3/h時的火炬燃燒狀態(tài)測試實驗，實驗結(jié)果如表3所示。影響火炬氣燃燒極限的主要因素有火炬氣初始溫度、火炬氣流速以及火炬氣組分。實驗中，火炬氣初始溫度都為常溫條件，風速較小且風向穩(wěn)定。當火炬氣組分中C3H8和N2的體積比≤1∶3(表1—3中的實驗工況4—5和工況11—13)，火炬氣體積流速在20～80m3/h時，火炬氣都不能正常燃燒，在本實驗條件下流速對火炬氣燃燒極限影響很小，因此，火炬氣熄滅的主要原因為火炬氣中可燃氣體積分數(shù)較低。針對上述實驗結(jié)果，本文采用三元組分圖法確定火炬氣的燃燒極限及燃燒條件。
2基于三元組分圖法研究燃燒極限與燃燒條件
2.1三元組分圖法概述三元組分圖是利用一個等邊三角形表示3種成分組成不同濃度的混合氣體的燃燒極限。同時，三元組分圖也可反映不同組分濃度下混合氣體是否處于燃燒極限范圍內(nèi)［11］。
2.2火炬氣燃燒極限實驗中火炬出口處的氣云組分不只3種氣體，為了便于計算，把空氣看成O2和N2的混合氣體，即火炬出口處氣云由可燃氣C3H8、助燃氣O2和惰性氣體N2組成［12－13］。對于此類氣體，其三元組分圖如圖3所示。圖3中直線ab和與ab平行的直線、直線bc和與bc平行的直線、直線ac和與ac平行的直線分別代表C3H8、O2和N2濃度梯度。圖3中任意點處由不同比例的C3H8、O2和N2組成，體積分數(shù)總和是100%。在a、b、c頂點處分別為純的C3H8、O2、N2，ab、bc和ac邊緣線只含有兩種氣體，ab線上任意點為C3H8與O2不同體積比的混合氣體，bc線上任意點為O2與N2不同體積比的混合氣體，ac線上任意點為C3H8與N2不同體積比的混合氣體。中間區(qū)域任意點都包括3種氣體，如圖3中k點含有C3H8、O2、N2，體積分數(shù)分別為40%、30%和30%。離頂點越近代表所含此種氣體濃度越高，離頂點越遠代表所含此種氣體濃度越低。X1和X2是C3H8在O2中的爆炸下限5%和上限61%;ad是空氣組分線，在a點處不含O2，在d點處O2的體積分數(shù)為21%，連接兩點即為空氣組分線。Y1和Y2是C3H8在空氣中爆炸下限2.1%和上限9.5%［14］。直線X1Y1與直線X2Y2相交于e點，三角形X1X2e范圍內(nèi)就是含C3H8、O2、N2火炬氣的燃燒濃度范圍。三元組分圖中C3H8在空氣中的燃燒極限分析如圖4所示。圖4中e點處的O2濃度就是火炬氣燃燒所需要的最小O2濃度，在三元組分圖中，過e點做ac的平行線fX3，則f點為最小O2濃度點，經(jīng)計算，C3H8、O2和N2混合氣成為可燃混合氣時的O2最低體積分數(shù)約為16.06%。過e點作bc的平行線eX4，經(jīng)計算，C3H8、O2和N2混合氣成為可燃混合氣時的C3H8最低體積分數(shù)約為1.92%。因此，C3H8、O2、N2混合氣成為可燃混合氣時的N2最高體積分數(shù)約為82.02%。
2.3火炬氣燃燒熄滅條件實驗中，當火炬氣中C3H8與N2的體積比為1∶3時，火炬氣不能被點燃燃燒。根據(jù)圖4的三元組分圖，假設火炬氣體積為1，空氣體積為x，那么火炬氣中C3H8的體積為0.25，火炬氣中N2的體積為0.75，空氣中O2的體積為21%x，空氣中N2的體積為78%x。在可燃區(qū)域內(nèi)，混合氣中O2的體積分數(shù)符合式(1)。在可燃區(qū)域內(nèi)，混合氣中C3H8的體積分數(shù)符合式(2)。經(jīng)計算，x≤12.02。由式(1)和(2)計算結(jié)果可得:當火炬氣中C3H8與N2體積比為1∶3時，需要的空氣體積約為火炬氣的3.25～12.02倍才可以燃燒。通過三元組分圖計算得出了C3H8與N2不同混合比例條件下燃燒所需空氣量，如表4所示。從表4中可以看出:當C3H8與N2體積比越小，燃燒所需要空氣體積范圍越窄?；谌M分法計算實驗中火炬氣氣云團著火濃度范圍，研究C3H8和N2體積分數(shù)對火炬氣在空氣中燃燒條件的影響，見表4。從表4中可以看出:火炬氣中N2體積分數(shù)越高，火炬氣著火范圍越窄，火炬氣越不容易燃燒，而且火炬氣中C3H8和N2體積分數(shù)主要對著火上限有影響，對火下限影響不明顯。火炬出口處噴出的氣體為C3H8和N2混合氣體，一次空氣系數(shù)為0，火炬氣燃燒所需的空氣需在火炬氣噴出后才互相擴散混合。實驗中當火炬氣中C3H8與N2的體積比V(C3H8)∶V(N2)＞1∶3時，火炬處于正常燃燒狀態(tài)且無黑煙產(chǎn)生。這表明在此實驗條件下火炬氣出口處的燃料氣與空氣混合較好，C3H8處于燃燒極限范圍之內(nèi)(表4)。在火炬氣初始溫度和風速變化很小、火炬氣流速相同條件下火炬氣組分C3H8與N2體積比V(C3H8)∶V(N2)≤1∶3時，火炬氣燃燒熄滅。這是由于火炬氣流速較快，卷吸的空氣量過多(V(空氣)/V(火炬氣)＞12.02)，在火炬出口處C3H8濃度過低，造成火炬氣熄滅。
3結(jié)論
1)通過實驗發(fā)現(xiàn)，當火炬氣組分C3H8與N2體積比≤1∶3時，由于火炬氣流速較快，卷吸的空氣量較大，造成氣云團中C3H8濃度過低，火炬氣熄滅。2)當火炬氣中C3H8與N2體積比為1∶3時，需要的空氣體積約為火炬氣體積的3.25～12.02倍才可以高效燃燒。3)基于三元組分圖可得到不同熱值火炬氣的燃燒極限，可用于指導選擇合適的空氣配比和助燃條件，提高火炬燃燒效率，減少火炬氣燃燒不完全等事故發(fā)生。
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作者：葛安卡 張禮敬 張杰東 邢樹鵬 單位：南京工業(yè)大學