低热值废气燃烧火炬
low calorific value exhaust gas combustion flare
化工制药、油墨涂料、半导体、锂电池膜、石油冶炼化等许多工业过程中，都有大量有机废气被排放。废气中大多数挥发性有机物（volatile organic compounds，vocs）具有毒性，甚至具有致癌作用。工业上有许多回收和破坏性消除vocs的工艺方法。作为上述工艺的补充和最后解决工艺手段，低热值废气燃烧火炬技术的应用，保证了整个环保治理工艺段的稳定性和达标排放。
图一 低热值废气燃烧火炬（low calorific value exhaust gas combustion flare）
1、低热值废气燃烧火炬是预混燃烧
燃烧过程的进行，首先取决于燃料氧化的化学动力过程。其次，还取决于燃料与氧化剂（助燃气体）混合的扩散过程。均匀预混合的可燃气体的燃烧过程，在化学反应动力区域内进行，是化学动力燃烧。如果燃料与氧化剂的气流速度，燃烧器尺寸等流体动力学的扩散因素决定燃烧速率，则被称之为扩散燃烧。低热值废气的燃烧采用充分预混的燃烧方式，是较为典型的化学动力燃烧。
无焰燃烧是指燃料与助燃气体在进入燃烧室之前就预先将其混合均匀。与有焰燃烧相比，无焰燃烧的燃烧速率快，火焰短，没有明显的火焰轮廓，属于动力燃烧。
预混燃烧的特点：
（1）由于燃料与助燃气体已预先混合，因此可精确控制燃烧温度。
（2）由于燃烧速率快，燃烧器容积热强度要比有焰燃烧高得多，且高温区较集中。
（3）燃尽率高，其化学不完全燃烧损失接近于零。
（4）启动迅速，几乎没有预热准备时间，即开即用。
2、防回火燃烧器（anti-flameback burner）
低热值vocs废气通常来自于无组织排放，或前端vocs源头回收处理装置后的残余尾气。特点是气体组份复杂，气体浓度低，不但有毒有害，而且易燃易爆。防回火燃烧器（anti-flameback burner）保证在安全稳定燃烧的条件下，对vocs的摧毁效率最高。
（1）金属熔喷燃烧头
金属熔喷燃烧头由多层密织的混合金属网状结构构成。均匀混合后的可燃气体以一定的气流速度通过多层密织的复合金属网，在金属网表面形成一层薄薄的火焰燃烧层，可燃烧气体的穿过速度大于该可燃气体的燃烧速度。
图二 防回火燃烧器的燃烧头
（2）低热值vocs废气、燃料气和空气的预混
我们将低热值vocs废气、燃料气、空气的混合室，分成预混室（premix chamber）和混合室（mixer chamber）。预混室（premix chamber）利用各种气体组分的浓度差，使气体相互混合。而在后端的混合室（mixer chamber），预混后的气体被再次强制深度混合，均匀分布。预混室（premix chamber）和混合室（mixer chamber）的结构设计与低热值vocs废气的种类和燃料气气体参数有关。
图三 防回火燃烧器（（anti-flame back burner）的混气室（premix and mixer chamber）
3、安全性设计
普通燃烧装置的爆燃、回火等运行安全事故多发生在燃烧装置点火、熄火这二个时间段，对这二个时间段的过程控制是燃烧火炬的安全重点。
（1）长明灯（permanent igniting）持续点火，低热值废气燃烧火炬利用长明灯作为点火装置，长明灯在火炬工作期间一直处于工作状态，保证火炬的持续燃烧。
（2）
燃烧状态监测使用uv探头和热电偶测温，uv探头是可靠的火焰探测装置，在点火和火炬燃烧过程中，uv探头一直对火焰保持监测。火炬燃烧筒体内，在不同的垂直高度上还有多个热电偶探头，测量火焰燃烧温度和烟气的温度。温度作为控制信号源，控制调节可燃气体的流量。
（3）耐高温陶瓷纤维（ceramic fiber）的作用是隔热，火炬筒体内的耐高温陶瓷纤维将热量隔断在火炬筒体内，降低热辐射和热传导，保持火炬筒壁的温度，不超过设计温度。同时也降低热辐射对周围设备、建筑和设施的影响，保护人员安全。耐高温陶瓷纤维还对火炬筒体内的管道、设备提供必要的隔热保护。
图四 耐高温陶瓷纤维（ceramic fiber）
4、低热值废气燃烧火炬的气体流程
图五 vocs的源头回收装置
挥发性有机物（vocs）气体即有机废气，由废气管路接入火炬预混室（premix chamber）。燃料气（管道天然气）由燃气管路接入预混室（premix chamber）。配风气（空气）由配风风机送入预混室（premix chamber）。废气，燃料气和配风气在预混室（premix chamber）混合后进入混气室（mixer chamber），进一步均匀混合。混合均匀后的气体，即我们称之为可燃气体，经防回火燃烧器（anti-flameback burner）进入火炬筒腔体（flare chamber）被点火燃烧。
长明灯（permanent igniting）为独立的支路，外接一路燃料气（管道天然气）进入火炬筒腔体，与点火元件构成长明灯组件。
长明灯在防回火燃烧器（anti-flameback burner）上点燃可燃气体。低热值废气燃烧火炬开始燃烧。
5、低热值废气燃烧火炬（low calorific value exhaust gas combustion flare）装置
图六 1500nm3/h低热值废气燃烧火炬
(1) 低热值废气燃烧火炬类型：落地封闭式火炬，单台处理气量为1500nm3/h。可调节燃烧负荷比可达到20%-100%。内燃式，外部无可见火焰。
(2) 系统安装结构：撬座式 单塔结构。
(3) 火炬（flare）主体：采用双层隔热筒结构。内层采用陶瓷纤维组块，具有环保、质量轻、耐火性能好、耐温可达1400℃等特点。火炬筒体外壁2米以下温度小于60℃。
(4) 防回火燃烧器（anti-flameback burner），采用金属熔喷丝网结构，供气均匀。孔隙直径小，孔隙均匀。
（5）长明灯（permanent igniting）：为独立支路。采用高压双点火电极点火，高压点火能力7.5kv。点火成功率高。
（6）火焰和焰温监测：采用紫外火焰（uv）探测探头（工作温度范围-40℃ 120℃）。紫外探头对阳光、红外线不敏感，在火焰信号中设计有抗干扰和防短路的保护，测量范围190～270nm，防护等级ip65。多点焰温和烟温探头，监测火炬燃烧状态及监测烟气温度。
（7）plc控制：由燃烧状态控制燃料气气量，保证燃烧温度和对废气组分的摧毁效率。流量控制，保证空燃比，提高能效。
(8) 自动计量功能：根据燃气量反馈控制二级配风量，优化调节助燃空气量，实现洁净燃烧。
图七 低热值废气燃烧火炬阀组
6、低热值废气燃烧火炬的功能单元
（1） 火炬筒体单元：火炬筒体部件含隔热层。
（2） 防回火燃烧器（anti-flameback burner）单元：由预混室（premix chamber）,混气室（mixer chamber）和燃烧器（burner）组成。
（3） 燃气阀组：由调压阀，调节阀，切断阀，压力传感器，流量计，过滤器，阻火器，废气、燃料气和空气管路组成，撬式安装。
（4）长明灯支路：由长明灯管路，点火电极，阀组组成。
（5）火焰监测和温度测量单元：由紫外火焰（uv）探头，热电偶组成。
（6）配风风机单元：由风机，变频器，弹性连接器，过滤器组成。
（7）控制柜和控制单元：由plc柜，就地控制柜，控制和测量元件组成。
（8）远端信号接入：可将前端废气气柜高度信号，或废气发生源流量信号接入低热值废气燃烧火炬控制程序，参与对火炬运行状态的控制。
图八 低热值废气燃烧火炬 废气管路
7、 低热值废气燃烧火炬的控制系统
（1）每台火炬系统配有一套以s7-200 plc为基础的控制软件。控制系统独立，预留与中控系统之间的通信接口。
（2）在火炬主控制柜中的触摸屏上，显示火炬的运行状态参数和累积参数：燃烧温度，烟气温度，气体压力，气体温度，废气流量，风机状态。可以手动修改和设置参数，调整运行状态。
（3）火炬的工作状态控制：火炬的工作状态可分为吹扫、点火、准备（运行）、运行、停止5种状态。
（4）报警停机和急停按钮
低热值废气燃烧火炬装置应该在下列情况下报警和停机功能。
|
|
报警 |
停机 |
|
燃烧温度过高 |
是 |
是 |
|
燃烧温度过低 |
是 |
是 |
|
燃气压力过低 |
是 |
是 |
图九 低热值废气燃烧火炬pid控制图
8、低热值废气燃烧火炬的产品安全性
（1）火炬系统的管路设计和计算均经过严格的审核和测试。管道压力、温度和气体流速等参数选择都远离爆炸和安全极限值。
（2）防回火燃烧器（anti-flameback burner）经热工计算，验证。火炬筒体耐热陶
瓷纤维隔热设计也经热工计算、验证。
（3）管道阻火器前有测温热电阻遇到紧急状态时，紧急切断阀动作，管路被切断，保证系统的安全。
（4）紫外火焰（uv）探测探头，热电偶组成火焰和燃烧状态监测系统，具有熄火保护功能。
（5）火炬筒体、电控柜均与接地扁铁相连，系统具有接地保护。
（6）采用优质的耐火隔温陶瓷纤维（ceramic fiber），使火炬筒体外壁2米以下的壁面温度不大于60℃，保护周围工作人员的人身安全，避免人员无意触碰到火炬筒体外壁引起烫伤。在1000℃时陶瓷纤维的热导率为0.36-0.38w/(m*k)
9、 低热值废气燃烧火炬的环保性
（1）低热值废气燃烧火炬，采用气体预混的无焰燃烧，燃烧控制技术高，保证燃烧温度在1200~1300℃之间。
（2） 低热值废气燃烧火炬可保证vocs燃尽率大于99%。同时nox的排放低于15ppm。
（3）对典型vocs，燃烧后的尾气排放均达到环保排放标准。
（4）采用环保型耐高温陶瓷纤维耐火组块，避免采用传统的耐火泥作为耐火隔温材料。大大降低了火炬燃烧时的热辐射，减少了对附近操作人员的危害。