火炬消煙蒸汽優(yōu)化數(shù)學(xué)模型及控制應(yīng)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(chǎn)和非正常狀態(tài)下都會(huì)排放可燃?xì)怏w，這些可燃?xì)怏w一般是通過煉化廠的火炬燃燒后向大氣排放。一個(gè)年產(chǎn)量1 000萬t的煉化廠，一年向大氣排放的可燃?xì)怏w可達(dá)60 000t以上，對大氣環(huán)境污染很大。由于火炬的燃燒是一個(gè)復(fù)雜的過程，火炬燃燒在產(chǎn)生大量二氧化碳的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)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(dá)到消煙、降低火炬頭溫度和阻止烴類在高溫(大于1 200℃)狀態(tài)下反應(yīng)生成有毒聚合物的目的。

為了盡量滿足火炬系統(tǒng)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(shù)關(guān)系，以消煙蒸汽和火炬氣燃燒后的二氧化碳質(zhì)量比值滿足最佳條件為依據(jù)得出其數(shù)學(xué)模型，并加以優(yōu)化。

1 火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介①

在設(shè)計(jì)火炬系統(tǒng)的燃燒器時(shí)，通常要求火炬無煙操作。為使空氣平穩(wěn)地分布在整個(gè)火炬中，防止煙霧的形成，需要有能量產(chǎn)生紊流并在點(diǎn)燃火炬氣時(shí)向火炬氣中混合消煙蒸汽。因此，當(dāng)火炬氣從火炬頭排放時(shí)，需往氣體中注入高壓蒸汽，并伴有助燃空氣，以創(chuàng)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(jìn)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(dú)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(hù)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(nèi)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(huán)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(nèi)噴射的蒸汽會(huì)將周邊空氣引射進(jìn)管內(nèi)，使噴射蒸汽與引射進(jìn)空氣的混合氣體進(jìn)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(yīng)，同時(shí)縮短火焰的高度、托高火焰。

c. 消煙、穩(wěn)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(chǎn)生紊流或借助水蒸氣的噴射將空氣引入火焰段。消煙和穩(wěn)定蒸汽使火炬氣充分均勻混合與擴(kuò)散，進(jìn)行水煤氣反應(yīng)，達(dá)到消煙、降溫的目的。

以上3種消煙形式互相結(jié)合，改善了空氣的分布，空氣與水蒸氣結(jié)合，水和氣體移動(dòng)相互作用，與火炬氣的反應(yīng)更迅速，因而消除了導(dǎo)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(shè)計(jì)的函數(shù)，一般范圍是每0.45kg火炬氣內(nèi)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(yōu)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(chǎn)生紊流，使其在預(yù)混合燃燒器中燃燒。煙是由于富燃料燃燒產(chǎn)生的，利用充分空氣與消煙蒸汽在整個(gè)火炬中均勻分布可達(dá)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?；鹁鏆獾慕M分包括非飽和物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和分子質(zhì)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(shù)。

筆者根據(jù)安裝在火炬頭里的一根管端開口的水蒸氣管子的試驗(yàn)結(jié)果，繪出非飽和物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)與每磅 可燃?xì)怏w的水蒸氣量

筆者給出火炬氣燃燒的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及其化學(xué)方程式?；鹁鏆庠诳諝庵腥紵磻?yīng)如下：

(1)

火炬氣中注蒸汽時(shí)為水煤氣反應(yīng)：

(2)

(3)

(4)

將化學(xué)反應(yīng)式(2)～(4)合并得：

(5)

從上述反應(yīng)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(fā)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(zhì)量的增加，注入的水蒸氣量也必須增加。

2.1 三參數(shù)優(yōu)化函數(shù)

火炬氣的流量、平均分子量、消煙蒸汽量三參數(shù)是一個(gè)函數(shù)關(guān)系。為了更加有效地消煙，同時(shí)又要考慮節(jié)省消煙蒸汽量，必須要有一個(gè)優(yōu)化的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室結(jié)論與火炬系統(tǒng)的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，以水蒸氣和二氧化碳的質(zhì)量比值大約為0.7作為依據(jù)，典型水蒸氣流量操作統(tǒng)計(jì)得出優(yōu)化函數(shù)數(shù)學(xué)模型：

(6)

式中M——平均分子質(zhì)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(dāng)火炬氣平均分子量等于或小于15.9時(shí)，得出的消煙蒸汽量為零或負(fù)值。而實(shí)際運(yùn)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(fù)值。因此，一個(gè)切合實(shí)際的火炬消煙蒸汽函數(shù)必須由一個(gè)實(shí)際需要的函數(shù)關(guān)系確定。

2.2 實(shí)際應(yīng)用型火炬消煙蒸汽的數(shù)模

目前，煉化廠的火炬消煙蒸汽操作是由操作工根據(jù)火炬的火焰燃燒或冒煙情況手動(dòng)遙控水蒸氣的閥門開度來調(diào)節(jié)的。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(fèi)很大；而調(diào)節(jié)量過少不但會(huì)造成冒黑煙污染大氣，還會(huì)燒壞火炬頭。實(shí)際應(yīng)用的火炬消煙蒸汽數(shù)學(xué)模型為[2]：

(7)

式中K——比例系數(shù)，根據(jù)火炬頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和火炬氣組分而定，其數(shù)值根據(jù)分子量與介質(zhì)在0.2～0.5之間變化。

根據(jù)實(shí)際火焰消煙蒸汽數(shù)學(xué)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(xù)表1)

3 消煙蒸汽優(yōu)化模型控制應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用消煙蒸汽模型的建立是通過計(jì)算機(jī)在優(yōu)化平臺上進(jìn)行自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的。該平臺通過數(shù)模向各路消煙蒸汽回路建立設(shè)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(shù)是通過一臺火炬氣專用超聲波流量計(jì)來測量的，超聲波流量計(jì)的安裝及其量程比要求都極為嚴(yán)格。

b. 防振蕩控制?；鹁鏆饬髁亢头肿恿侩S時(shí)都在變，通過數(shù)模而設(shè)定的消煙蒸汽量也會(huì)有很大的變化頻率，通過PID控制會(huì)產(chǎn)生振蕩。因此要求進(jìn)行防振蕩控制來實(shí)現(xiàn)。

c. 消煙蒸汽流量計(jì)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(jì)應(yīng)該是寬量程比的專用火炬氣消煙蒸汽流量計(jì)，實(shí)際應(yīng)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(diào)節(jié)閥。消煙蒸汽工作壓力在1MPa，當(dāng)火炬氣流量等于零時(shí)，調(diào)節(jié)閥應(yīng)關(guān)閉，而普通的蒸汽調(diào)節(jié)閥在壓力差為1MPa以下時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量泄漏造成浪費(fèi)，所以火炬氣消煙蒸汽調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用無泄漏調(diào)節(jié)閥。

由此可見，一個(gè)無煙操作的火炬控制系統(tǒng)應(yīng)該具備的條件，除了計(jì)算機(jī)優(yōu)化平臺外，還需有一套可靠、有效的參數(shù)控制儀表，火炬氣大量程比超聲波流量計(jì)、寬量程比，滿足精度在0.5%蒸汽流量計(jì)、無泄漏或者低泄漏抗壓差調(diào)節(jié)閥。

4 應(yīng)用實(shí)例

筆者對某年產(chǎn)1 000萬t煉油廠在正常運(yùn)行時(shí)火炬氣的回收以及流量與消煙蒸汽流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將火炬氣無回收直接排放、消煙蒸汽人工操作(優(yōu)化前，3～6月)和火炬氣回收、消煙蒸汽優(yōu)化控制(優(yōu)化后，7～10月)的數(shù)據(jù)列于表2。

表2 某煉油廠火炬氣優(yōu)化前后數(shù)據(jù)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(jì)測量，消煙蒸汽流量用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴進(jìn)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(dòng)遙控蒸汽狀態(tài)時(shí)，消煙蒸汽與火炬氣流量之比為0.51；而采用了消煙蒸汽優(yōu)化控制后(用計(jì)算機(jī)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型計(jì)算)，消煙蒸汽與火炬氣流量比為0.39。在同等條件下，優(yōu)化后可節(jié)省12%的消煙蒸汽。

一個(gè)年產(chǎn)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(jì)算，每年會(huì)消耗30 600t蒸汽。投用了火炬氣回收FRS裝置和消煙蒸汽優(yōu)化后每年可回收排放量的76%；消煙蒸汽可以節(jié)省(包括消煙蒸汽優(yōu)化所節(jié)省蒸汽)88%。按上述煉油廠規(guī)模，每年可以節(jié)省3 670t蒸汽(蒸汽壓力1.0MPa，溫度250℃)，按每噸156元計(jì)，年效益57萬余元；同時(shí)可以回收火炬氣45 600t，以民用天然氣價(jià)格每立方米2.2元，密度以2.3kg/m3計(jì)，每年經(jīng)濟(jì)效益4 360余萬元。兩項(xiàng)合計(jì)年效益4 400余萬元，同時(shí)也極大地減少了碳排量，社會(huì)效益凸顯。

5 結(jié)束語

通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，一個(gè)煉化廠如果投用火炬氣回收系統(tǒng)FRS，同時(shí)投運(yùn)火炬氣消煙蒸汽優(yōu)化控制，在FRS運(yùn)行和管理方面的費(fèi)用投資在較短時(shí)間內(nèi)即可回收。對經(jīng)濟(jì)效益，上文已有明確計(jì)算，筆者認(rèn)為碳排量的減少以及空氣污染的改善所帶來的社會(huì)效益更有積極意義。