火炬消煙蒸汽優化數學模型及控制應用

王鑫民

(中石化股份天津分公司煉油部，天津 300271)

煉化廠在日常生產和非正常狀態下都會排放可燃氣體，這些可燃氣體一般是通過煉化廠的火炬燃燒后向大氣排放。一個年產量1 000萬t的煉化廠，一年向大氣排放的可燃氣體可達60 000t以上，對大氣環境污染很大。由于火炬的燃燒是一個復雜的過程，火炬燃燒在產生大量二氧化碳的同時還會產生黑煙或有毒的烴類聚合物，因此，目前煉化廠火炬燃燒排放均采用向火炬頭引射、噴射、漫射蒸汽的方法來達到消煙、降低火炬頭溫度和阻止烴類在高溫(大于1 200℃)狀態下反應生成有毒聚合物的目的。

為了盡量滿足火炬系統需要無煙操作的要求，筆者通過分析，找出火炬消煙蒸汽與火炬氣的流量、分子量之間存在的函數關系，以消煙蒸汽和火炬氣燃燒后的二氧化碳質量比值滿足最佳條件為依據得出其數學模型，并加以優化。

1 火炬系統設計簡介①

在設計火炬系統的燃燒器時，通常要求火炬無煙操作。為使空氣平穩地分布在整個火炬中，防止煙霧的形成，需要有能量產生紊流并在點燃火炬氣時向火炬氣中混合消煙蒸汽。因此，當火炬氣從火炬頭排放時，需往氣體中注入高壓蒸汽，并伴有助燃空氣，以創造無煙燃燒的條件。

用水蒸氣控制煙霧生成的火炬頭是最常見的無煙火炬頭，其有以下3種形式進行消煙：

a. 火炬中心噴射消煙蒸汽，水蒸氣可通過安裝在火炬中心的一根單獨的管子的噴嘴向火炬頂部火焰中心噴射蒸汽。中心噴射蒸汽可抬升火焰高度，降低火炬頭溫度，保護火炬頭。

b. 引射(空氣)消煙蒸汽，氣體在火炬圓形管筒中一系列的水蒸氣與空氣的混合氣體管組(蒸汽、空氣的引射管)內混合后，噴向頂部火焰，這些蒸汽、空氣是在火炬頭部以下的環形管匯喇叭噴口噴射水蒸氣。利用文丘里管原理，向喇叭口內噴射的蒸汽會將周邊空氣引射進管內，使噴射蒸汽與引射進空氣的混合氣體進入火焰段。引射(空氣)消煙蒸汽，將60%助燃空氣送到火炬中心供氧，并稀釋烴，抑制聚合反應，同時縮短火焰的高度、托高火焰。

c. 消煙、穩定蒸汽，安裝在火炬頭邊緣周圍的管匯注入蒸汽，這些蒸汽通過火炬頭邊緣的幾十套水蒸氣噴嘴向火焰噴射蒸汽并使火焰周邊的空氣產生紊流或借助水蒸氣的噴射將空氣引入火焰段。消煙和穩定蒸汽使火炬氣充分均勻混合與擴散，進行水煤氣反應，達到消煙、降溫的目的。

以上3種消煙形式互相結合，改善了空氣的分布，空氣與水蒸氣結合，水和氣體移動相互作用，與火炬氣的反應更迅速，因而消除了導致煙霧生成的富燃燒條件。所需的水蒸氣量主要是氣體組分、流量、水蒸氣壓力和火炬頭設計的函數，一般范圍是每0.45kg火炬氣內含0.11～0.45kg的水蒸氣量，而水蒸氣的壓力在1MPa左右[1]。

2 火炬無煙燃燒和消煙蒸汽的優化

火炬的無煙操作可以通過噴射水蒸氣、引射空氣來使火焰段產生紊流，使其在預混合燃燒器中燃燒。煙是由于富燃料燃燒產生的，利用充分空氣與消煙蒸汽在整個火炬中均勻分布可達到無煙燃燒的目的。無煙燃燒需要的水蒸氣量將取決于要獲得無煙燃燒的消煙蒸汽的最大流量和火炬氣混合物的組分。火炬氣的組分包括非飽和物的質量分數和分子質量，可以用來確定水蒸氣的需要量，消煙蒸汽需要量是非飽和物含量的函數。

筆者根據安裝在火炬頭里的一根管端開口的水蒸氣管子的試驗結果，繪出非飽和物的質量分數與每磅(1磅=0.45359kg)可燃火炬氣體的水蒸氣量(圖1)。

圖1 非飽和物的質量分數與每磅 可燃氣體的水蒸氣量

筆者給出火炬氣燃燒的化學反應機理及其化學方程式。火炬氣在空氣中燃燒反應如下：

(1)

火炬氣中注蒸汽時為水煤氣反應：

(2)

(3)

(4)

將化學反應式(2)～(4)合并得：

(5)

從上述反應可以看出，就分子的影響來說，烴類物的相對分子量越大，水蒸氣和二氧化碳的比值越小，則發煙的可能性越大。為保持水蒸氣和二氧化碳比值不變，隨著烴類物相對分子質量的增加，注入的水蒸氣量也必須增加。

2.1 三參數優化函數

火炬氣的流量、平均分子量、消煙蒸汽量三參數是一個函數關系。為了更加有效地消煙，同時又要考慮節省消煙蒸汽量，必須要有一個優化的函數關系。根據實驗室結論與火炬系統的實際操作經驗，以水蒸氣和二氧化碳的質量比值大約為0.7作為依據，典型水蒸氣流量操作統計得出優化函數數學模型：

(6)

式中M——平均分子質量；

W水蒸氣——消煙蒸汽量，kg/s；

WHC——烴類(火炬氣)流量，kg/s。

從式(6)可以看出，當火炬氣平均分子量等于或小于15.9時，得出的消煙蒸汽量為零或負值。而實際運行中，消煙蒸汽還要抬升火焰高度、降低火炬頭的溫度、延長火炬頭的使用壽命，不允許為零或負值。因此，一個切合實際的火炬消煙蒸汽函數必須由一個實際需要的函數關系確定。

2.2 實際應用型火炬消煙蒸汽的數模

目前，煉化廠的火炬消煙蒸汽操作是由操作工根據火炬的火焰燃燒或冒煙情況手動遙控水蒸氣的閥門開度來調節的。根據實際經驗可知，靠人的眼睛通過觀察火焰燃燒的情況來判斷消煙蒸汽量是不可取的，過量的消煙蒸汽固然能消煙，但是1MPa蒸汽在DN250mm口徑的管道上閥門過量開度浪費很大；而調節量過少不但會造成冒黑煙污染大氣，還會燒壞火炬頭。實際應用的火炬消煙蒸汽數學模型為[2]：

(7)

式中K——比例系數，根據火炬頭的內部結構和火炬氣組分而定，其數值根據分子量與介質在0.2～0.5之間變化。

根據實際火焰消煙蒸汽數學模型確定建議注入的水蒸氣量，并列于表1。

表1 建議注入的消煙水蒸氣量

(續表1)

3 消煙蒸汽優化模型控制應用

實際應用消煙蒸汽模型的建立是通過計算機在優化平臺上進行自動控制實現的。該平臺通過數模向各路消煙蒸汽回路建立設定值。其控制步驟如下：

a. 火炬氣流量與火炬氣平均分子量的采集。該參數是通過一臺火炬氣專用超聲波流量計來測量的，超聲波流量計的安裝及其量程比要求都極為嚴格。

b. 防振蕩控制。火炬氣流量和分子量隨時都在變，通過數模而設定的消煙蒸汽量也會有很大的變化頻率，通過PID控制會產生振蕩。因此要求進行防振蕩控制來實現。

c. 消煙蒸汽流量計寬量程比。消煙蒸汽量是隨著火炬氣流量和分子量的變化而定，變化范圍大。其蒸汽流量計應該是寬量程比的專用火炬氣消煙蒸汽流量計，實際應用中往往在小流量測量因而誤差較大。

d. 無泄漏高壓差比蒸汽調節閥。消煙蒸汽工作壓力在1MPa，當火炬氣流量等于零時，調節閥應關閉，而普通的蒸汽調節閥在壓力差為1MPa以下時會產生大量泄漏造成浪費，所以火炬氣消煙蒸汽調節閥應選用無泄漏調節閥。

由此可見，一個無煙操作的火炬控制系統應該具備的條件，除了計算機優化平臺外，還需有一套可靠、有效的參數控制儀表，火炬氣大量程比超聲波流量計、寬量程比，滿足精度在0.5%蒸汽流量計、無泄漏或者低泄漏抗壓差調節閥。

4 應用實例

筆者對某年產1 000萬t煉油廠在正常運行時火炬氣的回收以及流量與消煙蒸汽流量進行統計，將火炬氣無回收直接排放、消煙蒸汽人工操作(優化前，3～6月)和火炬氣回收、消煙蒸汽優化控制(優化后，7～10月)的數據列于表2。

表2 某煉油廠火炬氣優化前后數據對比

注：火炬氣的流量與分子量用火炬氣專用超聲波流量計測量，消煙蒸汽流量用標準噴嘴進行測量，高低壓火炬氣消煙蒸汽特性為1.1MPa，250℃。

從表2可以看出，采用人工手動遙控蒸汽狀態時，消煙蒸汽與火炬氣流量之比為0.51；而采用了消煙蒸汽優化控制后(用計算機優化數學模型計算)，消煙蒸汽與火炬氣流量比為0.39。在同等條件下，優化后可節省12%的消煙蒸汽。

一個年產1 000萬t的煉油廠(燃料油型)，如果每年排放60 000t火炬氣，以0.51的消煙蒸汽比例來計算，每年會消耗30 600t蒸汽。投用了火炬氣回收FRS裝置和消煙蒸汽優化后每年可回收排放量的76%；消煙蒸汽可以節省(包括消煙蒸汽優化所節省蒸汽)88%。按上述煉油廠規模，每年可以節省3 670t蒸汽(蒸汽壓力1.0MPa，溫度250℃)，按每噸156元計，年效益57萬余元；同時可以回收火炬氣45 600t，以民用天然氣價格每立方米2.2元，密度以2.3kg/m3計，每年經濟效益4 360余萬元。兩項合計年效益4 400余萬元，同時也極大地減少了碳排量，社會效益凸顯。

5 結束語

通過統計數據可以看出，一個煉化廠如果投用火炬氣回收系統FRS，同時投運火炬氣消煙蒸汽優化控制，在FRS運行和管理方面的費用投資在較短時間內即可回收。對經濟效益，上文已有明確計算，筆者認為碳排量的減少以及空氣污染的改善所帶來的社會效益更有積極意義。