分级气体注入系统的制作方法

背景技术：

1、用于燃烧和处理易燃气体的工业火炬是众所周知的。此类火炬通常包括安装在火炬塔上的一个或多个火炬头。火炬头引发气体燃烧并将燃烧产物释放到大气环境中。火炬位于生产、精炼、加工设备等位置。在许多情况下，单个设施包括不止一个火炬。

2、例如，工业火炬用于处理需要处理的易燃气体、废气和其他类型的气体(统称为“废气”)。例如，工业火炬用于安全燃烧由于系统排气、设备停机和故障以及设备紧急情况(包括火灾和断电)而转移和释放的易燃气流。恰当操作的火炬系统可能是防止设备毁坏和损坏的关键组成部分。

3、期望并且通常要求工业火炬以相对无烟的方式操作。例如，无烟操作通常可以通过确保在相对较短的时间段内将废气与足量的空气混合以充分氧化形成于火焰中的烟尘颗粒来实现。在气压较低的应用中，仅废气流的动量可能不足以提供无烟操作。在此类情况下，可以使用诸如蒸汽和/或空气的辅助介质来提供必要的动力以从火炬装置周围夹带环境空气。在选择抑烟辅助介质时，要考虑许多因素，包括当地能源成本和可用性。

4、用于为低压气体增添动量的最常见的辅助介质是蒸汽。蒸汽通常通过与火炬头相关联的一组或多组喷嘴注入。除了增添动量和夹带空气之外，蒸汽还可以稀释气体并参与燃烧过程中涉及的化学反应，这两者都有助于抑制烟雾。在简单的蒸汽辅助系统的一个示例中，若干蒸汽注入器从安装在火炬头出口附近的蒸汽歧管或环延伸。蒸汽注入器将蒸汽射流引导进入与火炬头相邻的燃烧区中。使用一个或多个阀门(例如，可由操作者远程控制或基于变化的操作参数自动控制)来调节流向火炬头的蒸汽流量。蒸汽射流将来自周围大气环境中的空气吸入具有高紊流水平的排放的废气中。这防止了风将火焰从燃烧区吹到火炬头中及其周围。注入的蒸汽、引入的空气和废气结合形成一种混合物，该混合物可帮助废气燃烧而不产生可见烟雾。

5、用于将蒸汽注入废气流的蒸汽注入系统需要控制阀门、将蒸汽输送到火炬头的管道、蒸汽注入喷嘴以及将蒸汽输送到蒸汽注入喷嘴的分配管道。一些火炬包括具有多组蒸汽注入喷嘴的多个蒸汽管线，该蒸汽注入喷嘴用于将蒸汽排放到与火炬头相关联的不同位置。

6、蒸汽注入系统可能会出现各种问题。例如，蒸汽注入系统使用蒸汽的动量来夹带空气并将空气与废气流混合以用于无烟燃烧。例如，在设计流量下，从蒸汽喷嘴以声速(mach＝1或更大)排放蒸汽。随着蒸汽流量降低，蒸汽喷嘴处的蒸汽压力降低并且最终流量降低得足够低，使得蒸汽排放速度小于音速。随着蒸汽速度降低，蒸汽夹带空气并将其与废气流混合的效率降低。例如，设计流量下的火炬头每磅废气可能需要0.3磅蒸汽以形成无烟燃烧。在下调条件下(例如，较低蒸汽注入压力)，相同的火炬头和相同的废气流(就组成而言)每磅废气可能需要1.2磅或更多蒸汽以实现无烟燃烧。这会增加火炬的操作成本。

7、另外，当火炬头在低废气流量下操作时，空气和废气可以在火炬头内混合。这通常是由于废气比周围空气的密度小并且风将空气吹到火炬头中造成的。当空气和废气混合时，可能发生燃烧。当火炬头内发生燃烧时，火炬头的内部管将经历温度上升。如果管太热，将会发生材料降解和变形，这会缩短火炬头的使用寿命。

8、为了防止对火炬头的此类损坏，制造商建议以最小流量(通常称为最小汽耗率)连续向火炬头或其周围注入蒸汽(取决于蒸汽注入组件的性质)。以最小汽耗率连续注入蒸汽有助于将内部金属管和其他设备的温度保持在发生急剧劣化的点以下。例如，最小汽耗率使得足够的蒸汽和空气流穿过内部管以从内部管转移足够的热量，从而将管的温度保持在可接受的范围内。

9、美国政府最近发布的新法规可能会改变操作者控制火炬的方式。未来，操作者可能必须按照现行法规的要求考虑废气的热值，而且还要考虑输送到火炬的蒸汽量。当火炬在下调条件下操作时，这可能会导致一些问题。例如，操作者可能需要利用补充气体(例如，天然气)来富集废气，以将燃烧区中的净热值保持在270btu/scf或更大。至少部分取决于补充气体的成本，这样的要求可能使操作者每年花费数十万美元到数百万美元不等。

10、减少所需补充气体的量的一种方式是降低最小汽耗率。然而，降低的最小汽耗率可能会缩短火炬的使用寿命，因此需要更频繁地关闭设备并且相关联的成本增加。可能发生的相关问题是“水锤现象”。如果没有提供足够的蒸汽来保持蒸汽管线温暖并且保持蒸汽管线冷却，随后将蒸汽引入冷管线会导致爆震或水锤问题。

11、还有一些情况是使用多次排放的火炬头，其中废气比空气轻。当这种类型的废气以低废气流量排放时，废气可能仅优先地流过少数内部管状模块。如果发生这种情况，空气可以沿不接收废气的内部管状模块流下。燃料和空气的混合物会随之而来，最终可能会返回火炬头中并使得火焰稳定在火炬头内。最小汽耗率下的蒸汽流可以提供足够的动量来限制可以流入火炬头的空气量并解决这个问题。

技术实现思路

1、通过本公开，提供了一种用于火炬头的分级气体注入系统，该火炬头可以将废气排放到燃烧区中。还提供了一种可以将废气排放到燃烧区的火炬头。

2、在一个实施方案中，由本公开提供的分级气体注入系统用于火炬头，该火炬头可以将废气排放到燃烧区并且包括设置在外部管状构件内的内部管状构件。在该实施方案中，分级气体注入系统包括第一气体注入组件和第二气体注入组件。第一气体注入组件被构造成以高流量和高压将气体注入火炬头的内部管状构件中，并且包括第一级气体源和流体地连接到第一级气体源的第一气体注入喷嘴。第一级气体源可以是蒸汽源和/或替代气体源。第二气体注入组件被构造成以低流量和高压将气体注入火炬头的内部管状构件中，并且包括第二级气体源和流体地连接到第二级气体源的第二气体注入喷嘴。第一气体注入组件和第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得第一气体注入组件和第二气体注入组件两者将气体注入火炬头的内部管状构件中。

3、在另一个实施方案中，由本公开提供的分级气体注入系统用于可以将废气排放到燃烧区的火炬头。在该实施方案中，分级气体注入系统包括第一气体注入组件和第二气体注入组件。第一气体注入组件被构造成以高流量和高压将气体注入燃烧区中，并且包括第一级气体源和流体地连接到第一级气体源的第一气体注入喷嘴。第一级气体源是蒸汽源和/或替代气体源。第二气体注入组件被构造成以低流量和高压将气体注入燃烧区中，并且包括第二级气体源和流体地连接到第二级气体源的第二气体注入喷嘴。第一气体注入组件和第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得第一气体注入组件和第二气体注入组件两者将气体注入燃烧区中。

4、在一个实施方案中，由本公开提供的火炬头可以将废气排放到燃烧区中并且包括设置在外部管状构件内的内部管状构件和分级气体注入系统。在火炬头的此实施方案中，分级气体注入系统包括第一气体注入组件和第二气体注入组件。第一气体注入组件被构造成以高流量和高压将气体注入火炬头的内部管状构件中，并且包括第一级气体源和流体地连接到第一级气体源的第一气体注入喷嘴。第一级气体源是蒸汽源和/或替代气体源。第二气体注入组件被构造成以低流量和高压将气体注入火炬头的内部管状构件中，并且包括第二级气体源和流体地连接到第二级气体源的第二气体注入喷嘴。第一气体注入组件和第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得第一气体注入组件和第二气体注入组件两者将气体注入火炬头的内部管状构件中。

5、在另一个实施方案中，由本公开提供的火炬头可以将废气排放到燃烧区中并且包括分级气体注入系统。在火炬头的此实施方案中，分级气体注入系统包括第一气体注入组件和第二气体注入组件。第一气体注入组件被构造成以高流量和高压将气体注入燃烧区中，并且包括第一级气体源和流体地连接到第一级气体源的第一气体注入喷嘴。第一级气体源是蒸汽源和/或替代气体源。第二气体注入组件被构造成以低流量和高压将气体注入燃烧区中，并且包括第二级气体源和流体地连接到第二级气体源的第二气体注入喷嘴。第一气体注入组件和第二气体注入组件彼此靠近并且沿同一方向取向，使得第一气体注入组件和第二气体注入组件两者将气体注入燃烧区中。