一种基于火旋风涡旋生成机理的安全环保型火炬系统的制作方法

本发明涉及油气开采、石油化工等工业安全与环保领域，具体地说，是一种基于火旋风涡旋生成机理的安全环保型火炬系统。

背景技术：

石化企业生产过程中为确保安全生产，防止意外事故发生，通过设置火炬将那些不可回收的，且具有一定毒害性、危险性或腐蚀性的可燃性气体经燃烧转变为危害小的气体后排入大气。可通过火炬燃烧处理的气体有硫化氢、一氧化碳、有机硫、氢气、氨、烃类等气体。这些气体主要来源于：①装置正常运行时工艺参数调整带来的操作波动；②产需不平衡；③设备切换时的排放；④安全阀、压力控制阀的泄漏；⑤开停车及故障处理时的排放等。放空火炬气的燃烧虽然使排入大气的气体危害性降低，但燃烧不完全仍然会导致大气污染，如事故状态下火炬排放量增加会致使燃烧不完全程度增加。

火炬系统主要分为地面火炬和高架火炬两种。

现有的高架火炬存在以下三个问题：

（1）排放量大时，火炬系统不能将废气完全燃烧，不彻底燃烧会带来大量黑烟以及氮氧化物、硫化物和一氧化碳，在事故排放状态下黑烟以及氮氧化物、硫化物和一氧化碳会大量产生，大气污染非常严重；

（2）对于高架火炬而言，火炬头点火器位置较高，通常位于几十米甚至一百多米的高空，而高空处的环境风速比较大，容易致使火炬燃烧火焰吹熄，放空不安全，即目前火炬存在燃烧稳定性差问题；

（3）由于环境风的作用，火焰会向下倾斜燃烧，距离火炬头更近，火炬头附近温度升高，从而损坏火炬头，导致火炬头使用寿命的减少。

目前，现有工业火炬技术只能解决部分问题，不能同时解决三个问题。如中国专利cn205842695u公开的一种双向旋流地面火炬燃烧器，只能解决燃烧效率低的问题。中国专利cn106838938a公开的一种设有隔罩的火炬塔，只能解决风过大造成火焰熄灭的问题。中国专利cn205481037u公开的一种高架火炬系统分级排放装置，只能解决火炬头使用寿命低的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于火旋风涡旋生成机理的安全环保型火炬系统，可以同时有效地改善现有高架火炬存在的燃烧效率低、燃烧稳定性差和火炬头使用寿命低三大问题。

为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于火旋风涡旋生成机理的安全环保型火炬系统，包括火旋风涡旋生成装置、火炬头和火炬筒体，火旋风涡旋生成装置通过固定装置设置在火炬头的上部，火旋风涡旋生成装置由一个空心圆柱体和若干个导流板组成，导流板设置在空心圆柱体和固定装置之间，固定装置向上延伸有若干个支撑棒，支撑棒的底端与固定装置连接，支撑棒的顶端与空心圆柱体连接，导流板设置在支撑棒上，一个支撑棒上设置有一个导流板，导流板可绕着支撑棒转动。

本发明的进一步改进，空心圆柱体的高度为无旋转火焰高度的2-3倍，例如，无旋转火焰高度为50米，则空心圆柱体高度为100-150米，主要用来阻挡环境风对燃烧火焰的作用，可避免有风条件下燃烧火焰发生倾斜，进而削弱火焰倾斜对火炬头造成的损坏，延长火炬的使用寿命。

本发明的进一步改进，导流板长为空心圆柱体直径的四分之一，导流板高为其长的3-5倍，例如，空心圆柱体直径为2.4米，则导流板长为0.6米，高为1.8-3米，沿着装置侧面等间距分布，数量为6-12个，且每个导流板都可以沿支撑棒旋转0-90°间任意角度，以方便调节出最合适的角度，诱导空气流入空心圆柱体，其主要作用是产生旋转气流，当装置内部空气全部消耗，外部空气就会通过导流板以一定的角度进入装置，形成旋转气流。

本发明的进一步改进，空心圆柱体、导流板、支撑棒和固定装置采用耐温2000℃及以上的耐高温材料制成，优选地，采用钽钨钼合金板材制成。

本发明还披露了一种高架火炬，其包括上述的基于火旋风涡旋生成机理的安全环保型火炬系统，还包括火炬筒体和支撑结构，火炬筒体的一端连接到火炬头另外一端连接到支撑结构，支撑结构采用塔式支撑结构。

本发明的有益效果：相比现有的高架火炬系统，安装有火旋风涡旋生成装置的火炬系统主要有三点优势：

（1）燃料燃烧效率变大：该火炬系统能通过加强边界层处的空气卷吸以及抑制炭黑粒子从火焰中心处逸出来增大燃烧效率，减少不完全燃烧产物的生成，减小对环境的污染；

（2）火焰燃烧稳定性提高：该火炬系统能够增大火焰的推举高度和吹熄速度，在相同的推举高度下，燃料出口速度要求更低，而火焰吹熄的速度极限值变大，这使得燃烧火焰更加稳定，提高了使用的安全性；

（3）火炬头使用寿命变长：一方面，环境风会使火焰倾斜，离出口更近，使出口处温度升高，从而损坏火炬，减少火炬的使用寿命，火旋风涡旋生成装置能减小环境风对火焰的影响，阻止火焰倾斜，从而增加火炬的使用寿命；另一方面，火旋风使火焰的推举高度增加，使火焰远离火炬口，降低火炬出口处的温度，从而延长了火炬的使用寿命。

附图说明

图1是本发明火旋风涡旋生成装置的结构示意图。

图2是图1中导流板布置示意图。

图3是图2中空气流动轨迹示意图。

图4是带有火旋风涡旋生成装置的高架火炬结构示意图。

图中，1-火旋风涡旋生成装置，2-火炬头，3-火炬筒体，4-支撑结构，101-空心圆柱体，102-导流板，103-固定装置，104-支撑棒，105-轨迹线。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：如图1和图2所示，一种基于火旋风涡旋生成机理的安全环保型火炬系统，包括火旋风涡旋生成装置1、火炬头2和火炬筒体3，火旋风涡旋生成装置1通过固定装置103设置在火炬头2的上部，火旋风涡旋生成装置1由一个空心圆柱体101和若干个导流板102组成，导流板102设置在空心圆柱体101和固定装置103之间，固定装置103向上延伸有若干个支撑棒104，支撑棒104的底端与固定装置103连接，支撑棒104的顶端与空心圆柱体101连接，导流板102设置在支撑棒104上，一个支撑棒104上设置有一个导流板102，其中，空心圆柱体101的高度为120米，空心圆柱体101直径为2.4米，则导流板102长为0.6米，高为2.5米，沿着装置侧面等间距分布，数量为10个，且每个导流板102都可以沿支撑棒104旋转0-90°间任意角度，以方便调节出最合适的角度，诱导空气流入空心圆柱体101，其主要作用是产生旋转气流，当装置内部空气全部消耗，外部空气就会通过导流板102以一定的角度进入装置，形成旋转气流如图3所示；进一步地，空心圆柱体101、导流板102、支撑棒104和固定装置103采用钽钨钼合金板材制成。

如图4所示，一种高架火炬，其包括上述的基于火旋风涡旋生成机理的安全环保型火炬系统，还包括火炬筒体3和支撑结构4，火炬筒体3的一端连接到火炬头2另外一端连接到支撑结构4，支撑结构4采用塔式支撑结构4。

为了作进一步的说明，本发明还披露了如下内容：

火旋风增加燃料燃烧效率原理：

火旋风增加燃料燃烧效率的途径为：一方面，旋转气流使底部边界层内空气卷吸增强，引起边界层附近强烈的空气流入，导致反应物快速混合，进行完全燃烧，增大燃烧效率，减少不完全燃烧产生的污染物。另一方面，旋转气流抑制边界层上方火焰的湍流脉动，从而抑制了能从火焰中心处裹卷出炭黑粒子的大尺度侧涡的产生，从而减少火焰外部烟气颗粒的生成，即增加反应物的接触时间，增大燃烧效率，减少对环境的污染。

旋转火焰能提高燃烧效率这一特点在现有的旋转喷气燃烧室和旋转式煤粉燃烧器已经得到应用。

旋转喷气燃烧室：喷油嘴安装在涡流室内，燃油顺涡流方向喷射，在压缩过程中，气缸中的空气被活塞推挤，通过通道流入涡流室，形成强烈的有组织的旋转运动，促使涡流室中的燃油分布和混合，增大燃烧效率。

旋转式煤粉燃烧器：具有特殊设计的多级多嘴送风导向结构，能在短时间内使煤粉产生高温涡流，加快煤粉与空气的混合，具有燃烧完全的优势。

火旋风式燃烧器(中国专利cn105910102a)：利用扇片和机械驱动旋转纱幕在燃烧炉内产生火旋风，以提高燃料的燃烧效率。

火旋风增加火炬头寿命和火焰燃烧稳定性原理：

对于喷射火，当燃料出口速度足够大时，喷射火焰会被从管口推举起来；如果继续增大流速，火焰根部与管口之间的距离（推举高度）也会相应增大，而此时火焰根部的流速和湍流燃烧速率都随推举高度的增加而相应减小，但由于前者的减小速度比后者要慢，因此到达某个临界点后，火焰根部的气流流速会大于湍流燃烧速率，则燃烧火焰会发生吹熄。出现推举的速度越低（或推举高度越高），则发生贴附火炬头燃烧的概率越小，从而增加火炬头的使用寿命；吹熄速度越高，则发生燃烧火焰吹熄的概率越小，从而增加喷射火燃烧稳定性。

（1）推举高度

喷射火推举高度的一般公式为：

（1）

式中，h是推举高度；b是经验常数；u是喷口处燃料流动速度；d是喷口直径。由公式（1）可以看出，喷射火的推举高度与喷口处燃料流动速度成正比。

在引入旋转气流的作用之后，旋转气流会增加火焰底部的拉伸效应，导致火焰局部熄灭，产生推举现象，即在相同出口速度下，有旋转气流作用的推举高度会更大。反之，相同的推举高度条件下，有旋转气流时燃料出口速度会更小。

（2）吹熄速度

喷射火焰吹熄速度的计算公式为：

（2）

其中，vc是喷射火焰吹熄速度；sl,max是最大层流火焰传播速度；ρc、ρ∞分别是燃料密度和周围空气密度；reh是雷诺数，且，其中μc是动力黏性系数，h是特征长度，表示平均燃料浓度降到化学当量比下时的轴向距离。由公式（2）可以看出，喷射火焰吹熄速度与雷诺数成正比，而雷诺数又与特征长度成正比，则喷射火焰吹熄速度与特征长度成正比。

在引入旋转气流的作用之后，旋转气流会抑制边界层上方火焰的湍流脉动，从而抑制边界层上方燃料与空气湍流混合，减小燃料质量百分数沿中心轴向降低的速度，即在同一轴向高度处，有旋转气流作用时燃料质量百分数会更大。反之，在燃料浓度同时降到化学当量比以下时，有旋转气流作用的特征高度会更大，从而使喷射火焰吹熄速度增加。

火旋风涡旋生成机理：

作为一种具有强烈旋转且带有燃烧现象的对流柱，火旋风的产生需要三个必备因素：（1）存在一个生成涡；（2）涡内具有一个流体汇；（3）水平表面（例如地面、装置壁面）处具有某些摩擦力或拖曳力。

涡量方程为：

（3）

其中，仅方程右边最后三项代表了涡量的产生，分别为非保守力、斜压流体和粘性力。方程左边第二项表示涡量因风而输运，其表明在上风处产生的水平涡量会对下风处的燃烧行为施加影响。方程右边第一项表示流场中速度梯度会对己存在的涡线进行拉伸和弯曲，从而会改变涡量的大小和方向。这说明，壁面附近的水平涡线与上升的火羽流相遇时，水平涡线会变成垂直涡线，并且涡量因拉伸而增大，即形成垂直集中涡。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。