1 歷 史
　　自20世紀(jì)70年代初，火炬就已用于處理氨蒸氣。70年代和80年代安裝的許多氨儲罐均配有小火炬，這些小火炬用于燃燒因大儲罐排氣和卸載產(chǎn)生的蒸氣�；鹁娉叽缤ǔ］^�。�2英寸至4英寸），且設(shè)計流量也非常小。
　　在此期間，很少有關(guān)使用火炬消除氨蒸氣的效率和有效性的明確信息�？捎脵z測信息通常表明，不能在火炬系統(tǒng)內(nèi)燃燒純氨蒸氣。關(guān)于處理制冷工藝氨蒸氣的工程設(shè)計指導(dǎo)文件和手冊幾乎一致認(rèn)為，因為不能使氨一直燃燒（除非與空氣預(yù)混合），所以不可能火炬燃燒100%氨蒸氣。
　　火炬賣方通常采用下列低熱值氣體（包括氨氣）的火炬燃燒方案：
　　1. 根據(jù)在火炬頭處可達(dá)到的壓降和導(dǎo)致的蒸氣速度，設(shè)計火炬頭筒體直徑和出口面積。
　　2. 設(shè)計中，在火炬頭出口處配置某些類型的氣體噴射輔助環(huán)，以產(chǎn)生氨蒸氣可通過的火焰。
　　直到20世紀(jì)80年代初期，這對大多數(shù)火炬賣方來說，是火炬燃燒低熱值和氨蒸氣的基本設(shè)計理念，也是某些火炬賣家至今仍在使用的理念。已經(jīng)完全證明該理念在消除氨蒸氣方面無效。研究表明，在火炬頭出口處注入輔助氣體確實降低了氨蒸氣的消除效率。
　　20世紀(jì)80年代中期，美國環(huán)境保護(hù)局就消除火炬中的低熱值氣體進(jìn)行了多次試驗。使用CO2和氮氣作為惰性氣體對各種氣體進(jìn)行試驗�；�本結(jié)論是，可在明火火炬系統(tǒng)中高效燃燒具有200 btu/scf或更高低熱值的氣體。
2 氨測試
　　20世紀(jì)80年代初期，首次對火炬頭內(nèi)的氨蒸氣燃燒進(jìn)行了明確測試。專為位于美國德克薩斯州休斯頓附近的大多數(shù)化學(xué)公司進(jìn)行此次測試�；瘜W(xué)公司擴(kuò)建其設(shè)施，需要修改火炬燃燒許可證來增加允許排放總量。
　　當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門不允許該裝置增加火炬的氨排放量。因此，為了擴(kuò)大該設(shè)施的能力，公司必須為排放氨蒸氣提供焚燒處理設(shè)備，或者證明火炬的氨消除效率實際上比有效許可證所示的效率更高。
　　安裝在該設(shè)施內(nèi)的火炬系統(tǒng)為具有氣體輔助環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，以在火炬頭出口點處制造湍流和燃燒區(qū)�；瘜W(xué)公司簽訂合同，以確定該火炬頭布置與其他可能性選項的有效性。
　　對100%氨氣進(jìn)行測試。為了評估火炬頭排放點的出口速度對燃燒效率的影響，氣體流速不同。
　　具體測試方法如下：
　　• 測試在具有全火焰止動環(huán)、且公稱直徑為12英寸的公用火炬頭上進(jìn)行。以下是作為評估工作的組成部分，裝到火炬頭上的部件選項。
　　• 包圍火炬頭和引燃器排放口的大直徑延伸防風(fēng)組件。
　　• 設(shè)置在火炬頭出口點處的的氣體氣體噴射輔助環(huán)助推器注入環(huán)，用以在燃燒區(qū)產(chǎn)生制造湍流和增加空氣的吸入燃燒區(qū)量進(jìn)氣。
　　• 多個引燃器（最多3個）可用于確定點火火焰對燃燒過程的影響。
　　測試包括通過各種不同氨流量、1至3個引燃器、一個氣體噴射輔助環(huán)、延伸的擋風(fēng)部件或以上選項的組合分析火炬頭組件的性能。通過熱探頭確定火炬羽煙中的氨量，在相對于測量溫度的位置對該熱探頭進(jìn)行取樣（以確保探頭位于羽煙的最熱部分）。
　　參見下圖的典型氨試驗焰色。 　　測試結(jié)果如下：
> 如果火炬頭排放點的出口速度一直非常低，氨在技術(shù)上會完全燃燒（99%或更高）�？山邮芩俣仁腔鹁骖^公稱直徑的一個函數(shù)。指導(dǎo)性出口速度，參見附圖。
> 較高的火炬出氣口速度使太多環(huán)境空氣進(jìn)入燃燒區(qū)，將氨/空氣混合物稀釋到可燃限度以下。氨的爆炸/可燃極限較低，在空氣中為16%。與爆炸下限值為1%至3%的大多數(shù)碳?xì)浠�合物相比。這意味著，可輕易地將氨與空氣的混合物稀釋到氨不會燃燒的點。
> 氨需要具有很好的點燃火源。該點燃火源通常由非常可靠的引燃火焰提供，也可由火炬頭周圍的足量引燃器提供。在測試過程中，如果移除點燃火源，氨就不能維持穩(wěn)定的火焰。
> 擋風(fēng)部件對限制進(jìn)入氨火炬氣流的空氣量非常有效，因為擋風(fēng)部件可防止側(cè)風(fēng)侵入點火區(qū)域，使氣體的點燃更容易成功。
> 氨蒸氣的燃燒消除了氨的所有氣味。此過程還會產(chǎn)生NOX，一摩爾氨會產(chǎn)生一摩爾NOX。氨火焰的燃燒溫度實際上遠(yuǎn)低于烴火焰的燃燒溫度。產(chǎn)生的NOX，例如NO和NO2，通常無色。
　　從這個測試得出的結(jié)論是，如果正確設(shè)計火炬系統(tǒng)，氨可以非常高的效率在火炬系統(tǒng)內(nèi)燃燒。
　　請注意，該行業(yè)中還有顯示不同結(jié)果的其他測試。美國環(huán)保局在1986年左右在其火炬篩選設(shè)施中進(jìn)行的能效比測試顯示，氨不能點燃，也不會燃燒。然而，對直徑為1/16英寸的孔進(jìn)行該試驗，氨以高速流出該孔，且沒有任何連續(xù)引燃。因此，該試驗不能反映實際火炬頭組件的性能。
　　其他低熱值混合物的測試確認(rèn)了有效燃燒混合氣體的下限（約為200 btu/scf）。氨可與惰性氣體混合至約200 btu/scf的最低熱值。如果在最低水平處不能維持低熱值，輔助氣體必須注入/加入火炬總管，以確保將低熱值維持在200 btu/scf或更高。應(yīng)控制輔助氣體來確保該最小低熱值�？筛鶕�(jù)火炬氣體流率通過比例控制器控制氣體。 3  主火炬頭的輔助氣體注入系統(tǒng)
　　壓力指示器、溫度指示器和氨分析儀均安裝在主火炬頭的火炬氣總管內(nèi)，以檢測火炬總管內(nèi)任何壓力安全閥的開度。上述任何一個工藝傳感器激活時，輔助氣體會自動注入適當(dāng)位置處的火炬氣總管，以確保充分混合釋放出的NH3-CO2-H2O混合氣體和用于完全消除氨的輔助氣體。
　　激活上述聯(lián)鎖后，約3000 Kg/hr輔助氣體會瞬時注入火炬氣總管。在一種壓力安全閥排放情況下（其低熱值低于200 btu/scf的閾值）需要最大流量為3000 Kg/hr的輔助氣體。為了促進(jìn)輔助氣體瞬時注入壓力安全閥排氣管上的火炬總管，將快開閥門安裝在輔助氣體管線內(nèi)。此外，管線內(nèi)也設(shè)置熱控閥，以便操作員通過專用攝像機(jī)監(jiān)控主火炬頭處的焰色，從而從遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)輔助氣體。一旦操作人員確認(rèn)不會再有氨流入火炬氣總管，就應(yīng)完全隔離輔助氣體。
　　為了避免操作人員在快速關(guān)閉閥仍關(guān)閉時不慎關(guān)閉熱控閥，一個新增加的聯(lián)鎖已安裝到位。該聯(lián)鎖可確�？焖訇P(guān)閉閥處于關(guān)閉位置時，在操作人員通過抑制熱控閥（HCV）在正常操作過程中熱控閥仍處于完全打開的狀態(tài)。
4  科威特石化工業(yè)公司的火炬燃燒設(shè)備
　　科威特石化工業(yè)公司應(yīng)用兩臺獨立裝置，即尿素裝置A和裝置B�？紤]到尿素裝置A和B的位置及壓降限制，我們決定每臺裝置應(yīng)具有專用火炬燃燒系統(tǒng)。此外，每臺裝置均具有三個氨蒸氣收集系統(tǒng)：壓力安全閥的NH3-CO2-H2O混合物、壓力安全閥的純氨蒸氣和常壓排放槽的NH3-CO2-H2O混合物。每個火炬系統(tǒng)（裝置A和裝置B）由三個火炬頭和一個收集系統(tǒng)專用火炬頭組成。
■ 用于壓力安全閥排風(fēng)集管NH3-CO2-H2O混合物的主火炬頭；
■ 用于壓力安全閥100%氨的公用火炬頭1；
■ 用于常壓排放槽出口NH3-CO2-H2O混合物的公用火炬頭2。
　　對科威特石化工業(yè)公司來說，在既有尿素裝置中確定新火炬系統(tǒng)的合適位置是一項重大挑戰(zhàn)，由于裝置內(nèi)或鄰近區(qū)域都沒有具有足夠空間的明顯位置。分析可用的有限替代方案的優(yōu)缺點后，科威特石化工業(yè)公司決定將火炬系統(tǒng)安裝在位于尿素裝置A和尿素裝置B內(nèi)的既有塔頂部。過去，造粒塔在該工藝中用于制粒。造粒塔為大直徑混凝土結(jié)構(gòu)，離地總高度約為45-60m。該結(jié)構(gòu)約16-21m（直徑），且具有混凝土平頂。進(jìn)行的一項工程研究確定，造粒塔具有支撐火炬煙囪的足夠強(qiáng)度。通過將火炬煙囪放置在造粒塔頂部，消除了因火炬火焰對同一平面的作業(yè)人員的輻射熱造成的任何和所有可能性問題，此外，免去了使用精巧結(jié)構(gòu)將高自承重結(jié)構(gòu)安裝在基層位置的需要。
　　由于造粒塔很舊，且最初設(shè)計中沒有考慮火炬煙囪的額外重量和引起的風(fēng)載荷，塔頂火炬煙囪的可能高度受到了限制。根據(jù)既有造粒塔（包括新的火炬煙囪）的載荷穩(wěn)定性計算，新火炬煙囪的高度限定為10m（尿素裝置A）和15m（尿素裝置B）。尿素裝置B的造粒塔頂部安裝有其他工藝設(shè)備、儀表和電氣設(shè)備，因此，會出現(xiàn)工廠人員的頻繁流動。由于造粒塔頂部的火炬煙囪高度因結(jié)構(gòu)限制受限，造粒塔頂部的輻射強(qiáng)度可能相當(dāng)高。此外，根據(jù)減壓情況的持續(xù)時間，相關(guān)溫度也可能相當(dāng)高。
　　通過Zeeco專利軟件和行業(yè)可用的FlareSim軟件對輻射進(jìn)行了分析。對幾種不同的火炬燃燒卸載負(fù)荷、火炬燃燒卸載負(fù)荷的幾種組合和幾種風(fēng)速進(jìn)行了分析。對于某西火炬燃燒情況，造粒塔頂部火炬煙囪底部的輻射強(qiáng)度可高達(dá)3,000 btu/hr-ft2。
　　請注意，API RP-521《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》推薦實施規(guī)程的最新版本中對人員出入和設(shè)備安裝的火炬系統(tǒng)熱輻射建議限制距離進(jìn)行了規(guī)定。
　　最新版本是2007年1月發(fā)行的第五版。下表顯示設(shè)計和應(yīng)用火炬系統(tǒng)的推薦熱輻射強(qiáng)度。注意，對作業(yè)時間只持續(xù)幾秒的操作人員的熱輻射強(qiáng)度最大允許值為3,000 btu/hr-ft2。實際上，預(yù)測輻射強(qiáng)度極高，因此，科威特石化工業(yè)公司決定將輻射屏蔽應(yīng)用到裝置的所有區(qū)域，包括輻射強(qiáng)度會危及人員安全的造粒塔頂部。此外，應(yīng)對可能受火炬火焰熱輻射強(qiáng)度或隨之發(fā)生的溫度升高影響的儀表和電氣產(chǎn)品采取附加防護(hù)措施。