火炬消烟蒸汽优化数学模型及控制应用

王鑫民

(中石化股份天津分公司炼油部，天津 300271)

炼化厂在日常生产和非正常状态下都会排放可燃气体，这些可燃气体一般是通过炼化厂的火炬燃烧后向大气排放。一个年产量1 000万t的炼化厂，一年向大气排放的可燃气体可达60 000t以上，对大气环境污染很大。由于火炬的燃烧是一个复杂的过程，火炬燃烧在产生大量二氧化碳的同时还会产生黑烟或有毒的烃类聚合物，因此，目前炼化厂火炬燃烧排放均采用向火炬头引射、喷射、漫射蒸汽的方法来达到消烟、降低火炬头温度和阻止烃类在高温(大于1 200℃)状态下反应生成有毒聚合物的目的。

为了尽量满足火炬系统需要无烟操作的要求，笔者通过分析，找出火炬消烟蒸汽与火炬气的流量、分子量之间存在的函数关系，以消烟蒸汽和火炬气燃烧后的二氧化碳质量比值满足最佳条件为依据得出其数学模型，并加以优化。

1 火炬系统设计简介①

在设计火炬系统的燃烧器时，通常要求火炬无烟操作。为使空气平稳地分布在整个火炬中，防止烟雾的形成，需要有能量产生紊流并在点燃火炬气时向火炬气中混合消烟蒸汽。因此，当火炬气从火炬头排放时，需往气体中注入高压蒸汽，并伴有助燃空气，以创造无烟燃烧的条件。

用水蒸气控制烟雾生成的火炬头是最常见的无烟火炬头，其有以下3种形式进行消烟：

a. 火炬中心喷射消烟蒸汽，水蒸气可通过安装在火炬中心的一根单独的管子的喷嘴向火炬顶部火焰中心喷射蒸汽。中心喷射蒸汽可抬升火焰高度，降低火炬头温度，保护火炬头。

b. 引射(空气)消烟蒸汽，气体在火炬圆形管筒中一系列的水蒸气与空气的混合气体管组(蒸汽、空气的引射管)内混合后，喷向顶部火焰，这些蒸汽、空气是在火炬头部以下的环形管汇喇叭喷口喷射水蒸气。利用文丘里管原理，向喇叭口内喷射的蒸汽会将周边空气引射进管内，使喷射蒸汽与引射进空气的混合气体进入火焰段。引射(空气)消烟蒸汽，将60%助燃空气送到火炬中心供氧，并稀释烃，抑制聚合反应，同时缩短火焰的高度、托高火焰。

c. 消烟、稳定蒸汽，安装在火炬头边缘周围的管汇注入蒸汽，这些蒸汽通过火炬头边缘的几十套水蒸气喷嘴向火焰喷射蒸汽并使火焰周边的空气产生紊流或借助水蒸气的喷射将空气引入火焰段。消烟和稳定蒸汽使火炬气充分均匀混合与扩散，进行水煤气反应，达到消烟、降温的目的。

以上3种消烟形式互相结合，改善了空气的分布，空气与水蒸气结合，水和气体移动相互作用，与火炬气的反应更迅速，因而消除了导致烟雾生成的富燃烧条件。所需的水蒸气量主要是气体组分、流量、水蒸气压力和火炬头设计的函数，一般范围是每0.45kg火炬气内含0.11～0.45kg的水蒸气量，而水蒸气的压力在1MPa左右[1]。

2 火炬无烟燃烧和消烟蒸汽的优化

火炬的无烟操作可以通过喷射水蒸气、引射空气来使火焰段产生紊流，使其在预混合燃烧器中燃烧。烟是由于富燃料燃烧产生的，利用充分空气与消烟蒸汽在整个火炬中均匀分布可达到无烟燃烧的目的。无烟燃烧需要的水蒸气量将取决于要获得无烟燃烧的消烟蒸汽的最大流量和火炬气混合物的组分。火炬气的组分包括非饱和物的质量分数和分子质量，可以用来确定水蒸气的需要量，消烟蒸汽需要量是非饱和物含量的函数。

笔者根据安装在火炬头里的一根管端开口的水蒸气管子的试验结果，绘出非饱和物的质量分数与每磅(1磅=0.45359kg)可燃火炬气体的水蒸气量(图1)。

图1 非饱和物的质量分数与每磅 可燃气体的水蒸气量

笔者给出火炬气燃烧的化学反应机理及其化学方程式。火炬气在空气中燃烧反应如下：

(1)

火炬气中注蒸汽时为水煤气反应：

(2)

(3)

(4)

将化学反应式(2)～(4)合并得：

(5)

从上述反应可以看出，就分子的影响来说，烃类物的相对分子量越大，水蒸气和二氧化碳的比值越小，则发烟的可能性越大。为保持水蒸气和二氧化碳比值不变，随着烃类物相对分子质量的增加，注入的水蒸气量也必须增加。

2.1 三参数优化函数

火炬气的流量、平均分子量、消烟蒸汽量三参数是一个函数关系。为了更加有效地消烟，同时又要考虑节省消烟蒸汽量，必须要有一个优化的函数关系。根据实验室结论与火炬系统的实际操作经验，以水蒸气和二氧化碳的质量比值大约为0.7作为依据，典型水蒸气流量操作统计得出优化函数数学模型：

(6)

式中M——平均分子质量；

W水蒸气——消烟蒸汽量，kg/s；

WHC——烃类(火炬气)流量，kg/s。

从式(6)可以看出，当火炬气平均分子量等于或小于15.9时，得出的消烟蒸汽量为零或负值。而实际运行中，消烟蒸汽还要抬升火焰高度、降低火炬头的温度、延长火炬头的使用寿命，不允许为零或负值。因此，一个切合实际的火炬消烟蒸汽函数必须由一个实际需要的函数关系确定。

2.2 实际应用型火炬消烟蒸汽的数模

目前，炼化厂的火炬消烟蒸汽操作是由操作工根据火炬的火焰燃烧或冒烟情况手动遥控水蒸气的阀门开度来调节的。根据实际经验可知，靠人的眼睛通过观察火焰燃烧的情况来判断消烟蒸汽量是不可取的，过量的消烟蒸汽固然能消烟，但是1MPa蒸汽在DN250mm口径的管道上阀门过量开度浪费很大；而调节量过少不但会造成冒黑烟污染大气，还会烧坏火炬头。实际应用的火炬消烟蒸汽数学模型为[2]：

(7)

式中K——比例系数，根据火炬头的内部结构和火炬气组分而定，其数值根据分子量与介质在0.2～0.5之间变化。

根据实际火焰消烟蒸汽数学模型确定建议注入的水蒸气量，并列于表1。

表1 建议注入的消烟水蒸气量

(续表1)

3 消烟蒸汽优化模型控制应用

实际应用消烟蒸汽模型的建立是通过计算机在优化平台上进行自动控制实现的。该平台通过数模向各路消烟蒸汽回路建立设定值。其控制步骤如下：

a. 火炬气流量与火炬气平均分子量的采集。该参数是通过一台火炬气专用超声波流量计来测量的，超声波流量计的安装及其量程比要求都极为严格。

b. 防振荡控制。火炬气流量和分子量随时都在变，通过数模而设定的消烟蒸汽量也会有很大的变化频率，通过PID控制会产生振荡。因此要求进行防振荡控制来实现。

c. 消烟蒸汽流量计宽量程比。消烟蒸汽量是随着火炬气流量和分子量的变化而定，变化范围大。其蒸汽流量计应该是宽量程比的专用火炬气消烟蒸汽流量计，实际应用中往往在小流量测量因而误差较大。

d. 无泄漏高压差比蒸汽调节阀。消烟蒸汽工作压力在1MPa，当火炬气流量等于零时，调节阀应关闭，而普通的蒸汽调节阀在压力差为1MPa以下时会产生大量泄漏造成浪费，所以火炬气消烟蒸汽调节阀应选用无泄漏调节阀。

由此可见，一个无烟操作的火炬控制系统应该具备的条件，除了计算机优化平台外，还需有一套可靠、有效的参数控制仪表，火炬气大量程比超声波流量计、宽量程比，满足精度在0.5%蒸汽流量计、无泄漏或者低泄漏抗压差调节阀。

4 应用实例

笔者对某年产1 000万t炼油厂在正常运行时火炬气的回收以及流量与消烟蒸汽流量进行统计，将火炬气无回收直接排放、消烟蒸汽人工操作(优化前，3～6月)和火炬气回收、消烟蒸汽优化控制(优化后，7～10月)的数据列于表2。

表2 某炼油厂火炬气优化前后数据对比

注：火炬气的流量与分子量用火炬气专用超声波流量计测量，消烟蒸汽流量用标准喷嘴进行测量，高低压火炬气消烟蒸汽特性为1.1MPa，250℃。

从表2可以看出，采用人工手动遥控蒸汽状态时，消烟蒸汽与火炬气流量之比为0.51；而采用了消烟蒸汽优化控制后(用计算机优化数学模型计算)，消烟蒸汽与火炬气流量比为0.39。在同等条件下，优化后可节省12%的消烟蒸汽。

一个年产1 000万t的炼油厂(燃料油型)，如果每年排放60 000t火炬气，以0.51的消烟蒸汽比例来计算，每年会消耗30 600t蒸汽。投用了火炬气回收FRS装置和消烟蒸汽优化后每年可回收排放量的76%；消烟蒸汽可以节省(包括消烟蒸汽优化所节省蒸汽)88%。按上述炼油厂规模，每年可以节省3 670t蒸汽(蒸汽压力1.0MPa，温度250℃)，按每吨156元计，年效益57万余元；同时可以回收火炬气45 600t，以民用天然气价格每立方米2.2元，密度以2.3kg/m3计，每年经济效益4 360余万元。两项合计年效益4 400余万元，同时也极大地减少了碳排量，社会效益凸显。

5 结束语

通过统计数据可以看出，一个炼化厂如果投用火炬气回收系统FRS，同时投运火炬气消烟蒸汽优化控制，在FRS运行和管理方面的费用投资在较短时间内即可回收。对经济效益，上文已有明确计算，笔者认为碳排量的减少以及空气污染的改善所带来的社会效益更有积极意义。