一种紧凑型低能耗开放式地面火炬系统的制作方法

1.本发明涉及一种石油化工行业可燃性气体排放技术，尤其是一种火炬燃烧器技术，具体地说是一种紧凑型低能耗开放式地面火炬系统。


背景技术：

2.常规开放式地面火炬系统的第一级作为常开级，用于处理平时小流量排放工况的火炬气，小流量工况时火炬气压力低于无烟燃烧压力会导致燃烧不完全、冒黑烟、污染物超标、辐射超标和积碳等问题。除第一级之外，常规开放式地面火炬系统的第二级和第三级受界区压力的限制，设计的分级阀起跳压力也往往低于无烟燃烧压力而产生同样的问题。实际工程应用中为了解决上述问题往往需采用蒸汽消烟，另外常规开放式地面火炬系统为了防止回火需要持续用氮气对第一级分级管和燃烧器进行吹扫，这些消烟蒸汽和吹扫氮气无疑增加了系统日常的运行成本。
3.此外，近年来随着开放式地面火炬的应用越来越多，其设计规模也越来越大，动辄上千吨的处理量或上千套的燃烧器限制了其在一些用地受限场合的使用，为了减小系统占地，拓展开放式地面火炬的应用场合，可以通过提高单套燃烧器的处理量和减少相邻燃烧器的布置间距来实现，但提高单套燃烧器的处理量又会造成火焰变长，出现冒火现象，缩小相邻燃烧器的布置间距又可能会造成相邻燃烧器火焰黏附导致燃烧不完全、冒火冒黑烟的情况。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有常规开放式地面火炬系统运行成本高、占地面积大的缺点，发明一种紧凑型低能耗开放式地面火炬系统，可有效降低消烟蒸汽和吹扫氮气的消耗量，节省运行成本，同时可缩小相邻燃烧器之间的布置间距，使燃烧区域更紧凑，从而节省占地面积。
5.本发明的技术方案是：一种紧凑型低能耗开放式地面火炬系统，其特征在于，包括火炬气总管、防辐射屏、分级管、分级阀、自变径火炬燃烧器、微旋燃烧器、长明灯和分级控制系统，分级管从火炬总管上支出后穿过防辐射屏进入燃烧区，燃烧区内各分级管连接若干级火炬燃烧器，第一级火炬燃烧器按比例同时设置自变径火炬燃烧器和微旋燃烧器，其余各级火炬燃烧器全部设置微旋燃烧器；第一级火炬燃烧器为常开级，该级火炬燃烧器分级管上不设置分级阀，其余各级火炬燃烧器的分级管上都设置分级阀，由分级控制系统根据火炬气总管的流量或压力大小控制分级阀的开启或关闭；第一级火炬燃烧器采用自变径火炬燃烧器，其憋压效果能在同样氮气吹扫速度的情况下消耗更少的氮气，降低运行成本；所述的微旋燃烧器的间距小，在实现燃烧器之间传焰的同时，节省占地面积，降低建设成本。
6.所述的微旋燃烧器燃气管顶部设置4～8个枝杈，每个枝杈上开1～3排燃气喷孔，靠近燃烧器中心的喷孔数量少，远离中心的喷孔数量多，枝杈采用流线型，即每根枝杈从中
心到端部横截面积不断减小，枝杈顶面与水平面有10
°
～20
°
夹角，枝杈尾端上翘，与水平面形成5
°
～10
°
夹角。
7.所述的微旋燃烧器的枝杈分为a型和b型两种，区别在于b型枝杈末端设置了引火孔用于相邻燃烧器之间的传焰。
8.所述的微旋燃烧器设置有蒸汽消烟结构，该蒸汽消烟结构包括蒸汽管、支撑架、蒸汽环管、蒸汽立管、蒸汽喷头、蒸汽喷孔，蒸汽管与安装在支撑架上的蒸汽环管相连，蒸汽立管与蒸汽环管相连，蒸汽喷头与蒸汽立管相连，枝杈和蒸汽喷头成对布置，且尽量将蒸汽喷头靠近枝杈。
9.所述自变径火炬燃烧器，具体结构如发明专利“音速自动可调火炬燃烧系统”（zl201310479810.5）所述，其靠头部的重力将火炬气压在管道内，从而使小流量火炬气只能从其它非自变径燃烧器喷孔排出进行燃烧，可以使管道内压力被憋高到无烟压力，从而减少甚至完全不需要消耗蒸汽，降低系统运行成本。
10.所述微旋燃烧器，其枝杈采用流线型，每根枝杈从燃烧器中心到端部横截面积逐渐减小，以此保证远离中心的燃气喷孔依然可以获得与靠近中心的燃气喷孔相同的出口流速。
11.所述微旋燃烧器，其枝杈上燃气喷孔的数量靠近燃烧器中心较少、远离中心较多，在保证燃气喷孔出口流速相同的情况下，燃气量在靠近中心的位置较少、远离中心的位置较多，可避免火焰中心因供氧不足导致不完全燃烧，避免冒烟积碳和火焰偏长的问题，使得微旋燃烧器形成细矮的火焰。
12.所述微旋燃烧器，其头部枝杈分为a型和b型，每套燃烧器有2～6个a型枝杈和2个b型枝杈，b型枝杈除了实现火炬气的燃烧还可实现火焰在燃烧器之间的传递。
13.所述微旋燃烧器的蒸汽消烟结构中的蒸汽喷头和枝杈成对布置，蒸汽喷头靠近枝杈布置，燃烧器工作时，可使消烟蒸汽和火炬气快速混合，使得火炬气在尽量短的时间内即可完成燃烧，进一步缩短火焰长度。
14.所述紧凑型低能耗开放式地面火炬系统，第一级中，自变径火炬燃烧器以及第一个微旋燃烧器旁均设置有长明灯，其余微旋燃烧器靠b型枝杈实现传焰；火炬系统其余各级中，第一个微旋燃烧器旁设置有长明灯，其余微旋燃烧器靠b型枝杈实现传焰；如此可以减少占地面积，降低建设成本。
15.本发明的有益效果是：1、解决了常规开放式地面火炬系统小流量排放工况时燃烧不完全的缺点，保证稳定的细矮火焰，从而减少消烟蒸汽量降低运行成本；2、采用常规开放式地面火炬系统，小流量工况下为了防止回火需要对第一级一直通氮气进行吹扫，本发明第一级采用部分自变径火炬燃烧器，其憋压效果可以在同样氮气吹扫速度的情况下消耗更少的氮气，从而降低运行成本。
16.3、本发明系统采用微旋燃烧器，缩小燃烧器布置间距，可实现燃烧器之间的传焰，节省占地面积，降低建设成本。
附图说明
17.图1为本发明紧凑型低能耗开放式地面火炬系统的结构示意图。
18.图2为自变径燃烧器的结构示意图。
19.图3为微旋燃烧器的一个可选实施例的结构示意图。
20.图4为微旋燃烧器的一个可选实施例结构的俯视图。
21.图5为微旋燃烧器枝杈的两种不同结构示意图。 图中c区表示靠近中心喷孔数量少，d区表示枝杈外端喷孔数量多。
22.图6为相邻微旋燃烧器之间的布置形式图。
23.其中，1-自变径火炬燃烧器、2-微旋燃烧器、3-燃气管、4-枝杈、5-蒸汽管、6-支撑架、7-蒸汽环管、8-蒸汽立管、9-蒸汽喷头、10-蒸汽喷孔、11-燃气喷孔、12-引火孔、13-火炬总管、14-防辐射屏、15-分级管、16-分级阀、17-长明灯，18为a型枝杈（无引火也），19为b型枝杈（有引火孔）。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
25.图2所示自变径火炬燃烧器1的具体工作原理和结构可参考专利“音速自动可调火炬燃烧系统”（专利号：zl 2013 1 0479810.5）。
26.如图1所示。
27.一种紧凑型低能耗开放式地面火炬系统，包括火炬气总管13、防辐射屏14、分级管15、分级阀16、自变径火炬燃烧器1、微旋燃烧器2、长明灯17和分级控制系统（现有常规技术），分级管15从火炬气总管13上支出后穿过防辐射屏14进入燃烧区，燃烧区内各分级管连接若干级火炬燃烧器，第一级火炬燃烧器按比例（图1中为1：1，具体实施时可根据需要计算设置）同时设置自变径火炬燃烧器1和微旋燃烧器2，其余各级火炬燃烧器全部设置微旋燃烧器2；第一级火炬燃烧器为常开级，该级火炬燃烧器分级管15上不设置分级阀16，其余各级火炬燃烧器的分级管15上都设置分级阀16，由分级控制系统根据火炬气总管的流量或压力大小控制分级阀16的开启或关闭；第一级火炬燃烧器上采用的自变径火炬燃烧器1，其憋压效果能在同样氮气吹扫速度的情况下消耗更少的氮气，降低运行成本；所述的微旋燃烧器2的间距小，在实现燃烧器之间传焰的同时，节省占地面积，降低建设成本。
28.如图3～5所示，图3-5为微旋燃烧器结构示意图，它的工作原理是：火炬气从燃气管3进入燃烧器头部枝杈4，枝杈4分为a型和b型，两者的区别在于b型枝杈19末端设置了引火孔12用于相邻燃烧器之间的传焰，如图5所示。每套燃烧器有2～6个a型枝杈和2个b型枝杈，每根枝杈4上都开有1～3排燃气喷孔11，见图5。火炬气从燃气喷孔11喷出后进行燃烧。通过如下设计可使微旋燃烧器2形成细矮的火焰：（1）燃气喷孔11差异化布置，如图4～5所示，靠近燃烧器中心的燃气喷孔11数量少，远离中心的燃气喷孔数量多，即火炬气流量内少外多，如此设计可避免因火焰中心供氧不足导致燃烧不完全从而造成冒烟积碳和火焰偏长的问题。
29.（2）如图5所示，枝杈4采用流线型，即每根枝杈4从中心到端部横截面积不断减小，以此保证远离中心的燃气喷孔11依然可以获得与靠近中心的燃气喷孔相同的出口流速，避免局部火炬气流量过高导致火焰变长。
30.（3）枝杈4顶面与水平面有一夹角θ，如图5所示，θ大小为10
°
～20
°
，该设计可将燃气一部分垂直方向的动能转变为水平方向的动能，垂直方向动能减小可降低火焰高度，水
平方向动能增加可使燃气喷出时获得一个切向速度，形成微弱旋流，可强化火炬气与空气的混合，使燃烧更完全，进一步确保火焰不会过长。
31.（4）枝杈4尾端上翘，与水平面形成一夹角ψ，如图3所示，ψ大小为5
°
～10
°
，该设计可以起到聚火的作用，使火焰变细。
32.（5）微旋燃烧器2细矮的火焰在环境风速较大时可能会导致相邻燃烧器之间传焰不稳定，但如果对每套微旋燃烧器2都设置长明灯17会大幅增加投资成本。为了解决该问题，微旋燃烧器2上设置了a型和b型两种枝杈，其中b型枝杈一般设置两个，如图4所示；a型和b型的区别在于b型枝杈4末端设置了引火孔12用于保证相邻燃烧器之间的传焰效果，在实际应用中，微旋燃烧器2的布置如图6所示，即相邻微旋燃烧器的b型枝杈相互配合接力完成传焰。
33.（6）微旋燃烧器2还设置了蒸汽消烟结构，如图3所示，包括蒸汽管5、支撑架6、蒸汽环管7、蒸汽立管8、蒸汽喷头9、蒸汽喷孔10。其中蒸汽喷头9和枝杈4成对布置，且尽量将蒸汽喷头9靠近枝杈4，这么设计可以使消烟蒸汽和火炬气快速混合，使火炬气在尽量短的时间内即可完成燃烧，缩短火焰长度。
34.图1所示为紧凑型低能耗开放式地面火炬系统一个实施例，它包括火炬总管13、防辐射屏14、分级管15、分级阀16、自变径燃烧器1、微旋燃烧器2、长明灯17。该实施例中火炬系统共分为五级，其中第一级为常开级，该级分级管15上不设置分级阀16，该级布置4套自变径燃烧器1和4套微旋燃烧器2。其余各级分级管15都设置分级阀16，由分级控制系统根据火炬气总管13流量或压力的大小控制分级阀16的开启或关闭，二～五级全部设置微旋燃烧器2。
35.这样配置有如下优点：1）如果第一级全部采用常规燃烧器，当火炬总管13来流为小排放工况时，压力较低，达不到无烟燃烧压力，此时燃烧会产生黑烟，为了防止黑烟产生需要设置蒸汽进行消烟。而这里将第一级部分燃烧器替换为自变径火炬燃烧器1，它可以靠头部的重力将火炬气压在管道内，从而使小流量火炬气只能从其它非自变径燃烧器喷孔排出进行燃烧，这样就可以使管道内压力被憋高到无烟压力，从而可以减少甚至完全不需要消耗蒸汽，降低了运行成本。
36.2）采用常规燃烧器时小流量工况下为了防止回火需要对第一级一直通氮气进行吹扫，而采用可自变径火炬燃烧器1后，它的憋压效果可以使达到同样氮气吹扫速度的情况下消耗更少的氮气，同样可以降低运行成本。
37.3）由于火炬在运行时绝大多数情况下都是小流量排放工况，因此虽然只在第一级设置自变径燃烧器1，仍然可以大幅降低运行成本。值得注意的是，如果把第一级全部设置为自变径燃烧器1，则可能导致整个火炬系统压力憋得过高，可能会有安全风险，因此本实施例仅在第一级采用部分自变径燃烧器1，实际应用中可以根据实际需要调整自变径燃烧器的数量，达到最优效果。
38.4）第一级采用部分微旋燃烧器2，第一级之外其余各级全部采用微旋燃烧器2，则可以利用微旋燃烧器燃烧时形成细矮火焰的特点，缩小相邻燃烧器之间的布置间距且不会发生火焰黏附，进而可以节省占地。值得指出的是，整个开放式地面火炬系统的占地可以分为燃烧区域占地（即燃烧器部分占地）和非燃烧区域占地，本发明属于减小了燃烧区域占
地，因此系统处理量越大，其节省占地的优势越明显。
39.以上所述仅为本发明的一个实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有多种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰等，均仍属于本发明技术方案的范围内。
40.本发明未涉及部分与现技术相同或可采用现有技术加以实现。