合成氨技术
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自20世纪70年代初，火炬就已用于处理氨蒸气。70年代和80年代安装的许多氨储罐均配有小火炬，这些小火炬用于燃烧因大储罐排气和卸载产生的蒸气。火炬尺寸通常较小（2英寸至4英寸），且设计流量也非常小。
在此期间，很少有关使用火炬消除氨蒸气的效率和有效性的明确信息。可用检测信息通常表明，不能在火炬系统内燃烧纯氨蒸气。关于处理制冷工艺氨蒸气的工程设计指导文件和手册几乎一致认为，因为不能使氨一直燃烧（除非与空气预混合），所以不可能火炬燃烧100%氨蒸气。
火炬卖方通常采用下列低热值气体（包括氨气）的火炬燃烧方案：
1. 根据在火炬头处可达到的压降和导致的蒸气速度，设计火炬头筒体直径和出口面积。
2. 设计中，在火炬头出口处配置某些类型的气体喷射辅助环，以产生氨蒸气可通过的火焰。
直到20世纪80年代初期，这对大多数火炬卖方来说，是火炬燃烧低热值和氨蒸气的基本设计理念，也是某些火炬卖家至今仍在使用的理念。已经完全证明该理念在消除氨蒸气方面无效。研究表明，在火炬头出口处注入辅助气体确实降低了氨蒸气的消除效率。
20世纪80年代中期，美国环境保护局就消除火炬中的低热值气体进行了多次试验。使用CO2和氮气作为惰性气体对各种气体进行试验。基本结论是，可在明火火炬系统中高效燃烧具有200 btu/scf或更高低热值的气体。
2 氨测试
20世纪80年代初期，首次对火炬头内的氨蒸气燃烧进行了明确测试。专为位于美国德克萨斯州休斯顿附近的大多数化学公司进行此次测试。化学公司扩建其设施，需要修改火炬燃烧许可证来增加允许排放总量。
当地环保部门不允许该装置增加火炬的氨排放量。因此，为了扩大该设施的能力，公司必须为排放氨蒸气提供焚烧处理设备，或者证明火炬的氨消除效率实际上比有效许可证所示的效率更高。
安装在该设施内的火炬系统为具有气体辅助环的标准设备，以在火炬头出口点处制造湍流和燃烧区。化学公司签订合同，以确定该火炬头布置与其他可能性选项的有效性。
对100%氨气进行测试。为了评估火炬头排放点的出口速度对燃烧效率的影响，气体流速不同。
具体测试方法如下：
• 测试在具有全火焰止动环、且公称直径为12英寸的公用火炬头上进行。以下是作为评估工作的组成部分，装到火炬头上的部件选项。
• 包围火炬头和引燃器排放口的大直径延伸防风组件。
• 设置在火炬头出口点处的的气体气体喷射辅助环助推器注入环，用以在燃烧区产生制造湍流和增加空气的吸入燃烧区量进气。
• 多个引燃器（最多3个）可用于确定点火火焰对燃烧过程的影响。
测试包括通过各种不同氨流量、1至3个引燃器、一个气体喷射辅助环、延伸的挡风部件或以上选项的组合分析火炬头组件的性能。通过热探头确定火炬羽烟中的氨量，在相对于测量温度的位置对该热探头进行取样（以确保探头位于羽烟的最热部分）。
参见下图的典型氨试验焰色。
> 如果火炬头排放点的出口速度一直非常低，氨在技术上会完全燃烧（99%或更高）。可接受速度是火炬头公称直径的一个函数。指导性出口速度，参见附图。
> 较高的火炬出气口速度使太多环境空气进入燃烧区，将氨/空气混合物稀释到可燃限度以下。氨的爆炸/可燃极限较低，在空气中为16%。与爆炸下限值为1%至3%的大多数碳氢化合物相比。这意味着，可轻易地将氨与空气的混合物稀释到氨不会燃烧的点。
> 氨需要具有很好的点燃火源。该点燃火源通常由非常可靠的引燃火焰提供，也可由火炬头周围的足量引燃器提供。在测试过程中，如果移除点燃火源，氨就不能维持稳定的火焰。
> 挡风部件对限制进入氨火炬气流的空气量非常有效，因为挡风部件可防止侧风侵入点火区域，使气体的点燃更容易成功。
> 氨蒸气的燃烧消除了氨的所有气味。此过程还会产生NOX，一摩尔氨会产生一摩尔NOX。氨火焰的燃烧温度实际上远低于烃火焰的燃烧温度。产生的NOX，例如NO和NO2，通常无色。
从这个测试得出的结论是，如果正确设计火炬系统，氨可以非常高的效率在火炬系统内燃烧。
请注意，该行业中还有显示不同结果的其他测试。美国环保局在1986年左右在其火炬筛选设施中进行的能效比测试显示，氨不能点燃，也不会燃烧。然而，对直径为1/16英寸的孔进行该试验，氨以高速流出该孔，且没有任何连续引燃。因此，该试验不能反映实际火炬头组件的性能。
其他低热值混合物的测试确认了有效燃烧混合气体的下限（约为200 btu/scf）。氨可与惰性气体混合至约200 btu/scf的最低热值。如果在最低水平处不能维持低热值，辅助气体必须注入/加入火炬总管，以确保将低热值维持在200 btu/scf或更高。应控制辅助气体来确保该最小低热值。可根据火炬气体流率通过比例控制器控制气体。
压力指示器、温度指示器和氨分析仪均安装在主火炬头的火炬气总管内，以检测火炬总管内任何压力安全阀的开度。上述任何一个工艺传感器激活时，辅助气体会自动注入适当位置处的火炬气总管，以确保充分混合释放出的NH3-CO2-H2O混合气体和用于完全消除氨的辅助气体。
激活上述联锁后，约3000 Kg/hr辅助气体会瞬时注入火炬气总管。在一种压力安全阀排放情况下（其低热值低于200 btu/scf的阈值）需要最大流量为3000 Kg/hr的辅助气体。为了促进辅助气体瞬时注入压力安全阀排气管上的火炬总管，将快开阀门安装在辅助气体管线内。此外，管线内也设置热控阀，以便操作员通过专用摄像机监控主火炬头处的焰色，从而从远程调节辅助气体。一旦操作人员确认不会再有氨流入火炬气总管，就应完全隔离辅助气体。
为了避免操作人员在快速关闭阀仍关闭时不慎关闭热控阀，一个新增加的联锁已安装到位。该联锁可确保快速关闭阀处于关闭位置时，在操作人员通过抑制热控阀（HCV）在正常操作过程中热控阀仍处于完全打开的状态。
4 科威特石化工业公司的火炬燃烧设备
科威特石化工业公司应用两台独立装置，即尿素装置A和装置B。考虑到尿素装置A和B的位置及压降限制，我们决定每台装置应具有专用火炬燃烧系统。此外，每台装置均具有三个氨蒸气收集系统：压力安全阀的NH3-CO2-H2O混合物、压力安全阀的纯氨蒸气和常压排放槽的NH3-CO2-H2O混合物。每个火炬系统（装置A和装置B）由三个火炬头和一个收集系统专用火炬头组成。
■ 用于压力安全阀排风集管NH3-CO2-H2O混合物的主火炬头；
■ 用于压力安全阀100%氨的公用火炬头1；
■ 用于常压排放槽出口NH3-CO2-H2O混合物的公用火炬头2。
对科威特石化工业公司来说，在既有尿素装置中确定新火炬系统的合适位置是一项重大挑战，由于装置内或邻近区域都没有具有足够空间的明显位置。分析可用的有限替代方案的优缺点后，科威特石化工业公司决定将火炬系统安装在位于尿素装置A和尿素装置B内的既有塔顶部。过去，造粒塔在该工艺中用于制粒。造粒塔为大直径混凝土结构，离地总高度约为45-60m。该结构约16-21m（直径），且具有混凝土平顶。进行的一项工程研究确定，造粒塔具有支撑火炬烟囱的足够强度。通过将火炬烟囱放置在造粒塔顶部，消除了因火炬火焰对同一平面的作业人员的辐射热造成的任何和所有可能性问题，此外，免去了使用精巧结构将高自承重结构安装在基层位置的需要。
由于造粒塔很旧，且最初设计中没有考虑火炬烟囱的额外重量和引起的风载荷，塔顶火炬烟囱的可能高度受到了限制。根据既有造粒塔（包括新的火炬烟囱）的载荷稳定性计算，新火炬烟囱的高度限定为10m（尿素装置A）和15m（尿素装置B）。尿素装置B的造粒塔顶部安装有其他工艺设备、仪表和电气设备，因此，会出现工厂人员的频繁流动。由于造粒塔顶部的火炬烟囱高度因结构限制受限，造粒塔顶部的辐射强度可能相当高。此外，根据减压情况的持续时间，相关温度也可能相当高。
通过Zeeco专利软件和行业可用的FlareSim软件对辐射进行了分析。对几种不同的火炬燃烧卸载负荷、火炬燃烧卸载负荷的几种组合和几种风速进行了分析。对于某西火炬燃烧情况，造粒塔顶部火炬烟囱底部的辐射强度可高达3,000 btu/hr-ft2。
请注意，API RP-521《泄压和减压系统指南》推荐实施规程的最新版本中对人员出入和设备安装的火炬系统热辐射建议限制距离进行了规定。
最新版本是2007年1月发行的第五版。下表显示设计和应用火炬系统的推荐热辐射强度。注意，对作业时间只持续几秒的操作人员的热辐射强度最大允许值为3,000 btu/hr-ft2。实际上，预测辐射强度极高，因此，科威特石化工业公司决定将辐射屏蔽应用到装置的所有区域，包括辐射强度会危及人员安全的造粒塔顶部。此外，应对可能受火炬火焰热辐射强度或随之发生的温度升高影响的仪表和电气产品采取附加防护措施。
表9 对人员的建议设计热辐射强度
从位于造粒塔底部地面处的引燃架组件点燃和监控引燃器。点燃架组件用于手动点燃引燃器，同时还监控引燃器的状态，并自动重新点燃指示未燃烧的任何引燃器。点燃架组件包括调节引燃燃气压力的控制器，还包括安装在火炬烟囱上的飞机警示灯控制器。架组件包括保护操作员的遮阳板，该遮阳板使控制器外壳和控制部件不受阳光直射。在FFG架组件断电的情况下，压电火花装置可用于产生火花，并生成火焰峰，该火焰峰可到达并点燃引燃器。
|
允许设计强度 K Kw/m2 (Btu/h-ft2) |
条件 |
| 9,46 (3 000) |
要求人员采取紧急行动的任何位置处的最大辐射热强度。人员进入辐射热强度可能大于6.31 Kw/m2 (2000 Btu/h-ft2)的区域或在该区域工作时，应考虑提供辐射屏蔽和/或特殊防护服（例如隔热服）。 安全预防措施—意识到穿着适当防护服a的人员经不住6.31 Kw/m2 (2000 Btu/h-ft2)的热辐射超过几秒，这是很重要的。 |
| 6,31 (2 000) | 针对无辐射屏蔽但穿着适当防护服a的人员，且紧急行动持续时间可达30秒的区域内的最大热辐射强度。 |
| 4,73(1 500) | 针对无辐射屏蔽但穿着适当防护服a的人员，且紧急行动持续时间可达2-3分钟的区域内的最大热辐射强度。 |
| 1,58 (500) | 针对穿着适当防护服a的、可能持续暴露在任何位置处的人员之最大热辐射强度。 |
| a适当防护服由安全帽、带袖扣的长袖衬衫、工作手套、长腿裤和工作鞋组成，能最大程度减少皮肤直接接触热辐射。 | |
上图显示FlareSim软件输出的一种氨火炬燃烧情况的典型辐射图，辅助气体以公称14m/s的风速注入。尽管氨具有低热值和低放射值，辐射强度可能非常高。
如前所述，每台装置的火炬系统均由三个独立的火炬头组成。向每台装置提供的实际设备包括：
❖ 带引燃器和挡风部件的火炬头组件。
0 公称直径为78英寸的主火炬头；
0 公称直径为48英寸的公用火炬头1；
0 公称直径为14英寸的公用火炬头2。
❖ 适用于三个火炬头的火炬支撑结构。
❖ 吹扫气流减少密封装置。
0 用于主火炬头的分子式密封装置；
0 用于公用火炬头的速度式密封装置。
❖ 沿火炬烟囱至火炬烟囱座的公用管道和支架。
❖ 从每个引燃器至烟囱座的伸缩式热电偶组件。
❖ 位于造粒塔底部地面处的火炬引燃和状态监控架组件。FFG型引燃系统用于控制所有火炬头上的所有引燃器。
支撑结构用于支撑所有火炬头组件（三个）。此外，检查现场，并获得每个现场的起风信息，以确保火炬头的方位提供一个火炬头至邻近火炬头的最少火焰冲击。三个火炬头呈直线安装在烟囱上，中心线与工地的主要风向垂直。参见下图（立视图和俯视图），了解烟囱的布置。
如前所述，每台装置的火炬系统均由三个独立的火炬头组成。向每台装置提供的实际设备包括：
❖ 带引燃器和挡风部件的火炬头组件。
0 公称直径为78英寸的主火炬头；
0 公称直径为48英寸的公用火炬头1；
0 公称直径为14英寸的公用火炬头2。
❖ 适用于三个火炬头的火炬支撑结构。
❖ 吹扫气流减少密封装置。
0 用于主火炬头的分子式密封装置；
0 用于公用火炬头的速度式密封装置。
❖ 沿火炬烟囱至火炬烟囱座的公用管道和支架。
❖ 从每个引燃器至烟囱座的伸缩式热电偶组件。
❖ 位于造粒塔底部地面处的火炬引燃和状态监控架组件。FFG型引燃系统用于控制所有火炬头上的所有引燃器。
支撑结构用于支撑所有火炬头组件（三个）。此外，检查现场，并获得每个现场的起风信息，以确保火炬头的方位提供一个火炬头至邻近火炬头的最少火焰冲击。三个火炬头呈直线安装在烟囱上，中心线与工地的主要风向垂直。参见下图（立视图和俯视图），了解烟囱的布置。
火炬烟囱配有梯子和平台，以便维修人员接近火炬头和引燃器，以及飞机警示灯和防热罩，飞机警示灯用以警告该区域内的飞机，火炬烟囱还配有热电偶，该热电偶可在烟囱底座上插入和拔出，以方便维护和更换。包括火炬头的火炬烟囱的各方面均相同，除高度外。如上文所述，造粒塔上方的高度为10m（尿素装置A）和15m（尿素装置B）。
所有火炬头组件均包括吹扫气流减少装置，主火炬头具有扩散型或分子式吹扫气体密封装置，所有公用火炬头均具有速度式吹扫气体密封装置。根据火炬总管的运行情况、火炬气减压频率、每个火炬的所需防护等级、指定火炬头组件所需的吹扫气量、吹扫气体成本等应用这些装置。
最新版API RP-521第4.4.3.4.2节详细描述了吹扫气体密封装置。速度式密封装置设计成单个火炬头组件的组成部分，主火炬的扩散型密封装置设计成支撑火炬烟囱结构的组成部分。将在本论文中详细讨论。
下文描述密封装置的类型：
所有火炬头组件均包括吹扫气流减少装置，主火炬头具有扩散型或分子式吹扫气体密封装置，所有公用火炬头均具有速度式吹扫气体密封装置。根据火炬总管的运行情况、火炬气减压频率、每个火炬的所需防护等级、指定火炬头组件所需的吹扫气量、吹扫气体成本等应用这些装置。
最新版API RP-521第4.4.3.4.2节详细描述了吹扫气体密封装置。速度式密封装置设计成单个火炬头组件的组成部分，主火炬的扩散型密封装置设计成支撑火炬烟囱结构的组成部分。将在本论文中详细讨论。
下文描述密封装置的类型：
火炬头组件设计有延伸挡风部件、搬运吊环、用于稳定火焰的全火焰止动环及多个引燃组件。
参见下图。
参见下图。
Zeeco引燃组件用于在达到67m/s（包括67m/s）的风速或夹杂100mm/h暴雨的50m/s风速中保持点燃和燃烧。Zeeco引燃组件是采用不锈钢材料和铸件设计制造的，非常适合大火炬系统可能产生的预期极端温度。通过铸造热电偶套管中的K型热电偶监控每个引燃器。
从位于造粒塔底部地面处的引燃架组件点燃和监控引燃器。点燃架组件用于手动点燃引燃器，同时还监控引燃器的状态，并自动重新点燃指示未燃烧的任何引燃器。点燃架组件包括调节引燃燃气压力的控制器，还包括安装在火炬烟囱上的飞机警示灯控制器。架组件包括保护操作员的遮阳板，该遮阳板使控制器外壳和控制部件不受阳光直射。在FFG架组件断电的情况下，压电火花装置可用于产生火花，并生成火焰峰，该火焰峰可到达并点燃引燃器。
Zeeco自动/手动FFG引燃架组件
