高架火炬不完全燃燒的研究

0高架火炬的污染源高光照是石化工行業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染的集中處理不可或缺的重要安全裝置。在排放過程中,廢氣經(jīng)過筒體被輸送到火炬頭部,燃燒后再排向大氣。高架火炬可以近似看作是一種放空式燃燒系統(tǒng)?；鹁孢\行時通常會存在因不完全燃燒而導(dǎo)致的污染排放問題,主要表現(xiàn)為以下兩種形式:(1)由于熱值低引起的VOC排放;(2)空氣不足導(dǎo)致冒黑煙。VOC排放會加劇溫室效應(yīng)并破壞高空臭氧層;黑煙排放會導(dǎo)致呼吸道疾病并改變局部地區(qū)的氣候,甚至?xí)l(fā)社會恐慌。由于石化工業(yè)發(fā)展迅速,火炬燃燒不充分導(dǎo)致的污染問題變得不可忽視。目前,某些國家已經(jīng)針對高架火炬的污染物排放出臺了相關(guān)法律規(guī)定。例如,美國環(huán)保局(EnvironmentalProtectionAgency,EPA)要求高架火炬的燃盡率達到98%以上并且不得有明顯的黑煙排放。由于火炬頭一般都在150m左右的高空中,且燃燒區(qū)的溫度很高,一般的監(jiān)測方法無法適應(yīng)這種工況。光學(xué)遙測技術(shù)則因其非接觸性、快速、準(zhǔn)確等特點而成為了一種合適的選擇。目前,光學(xué)遙測技術(shù)在國外石化設(shè)備企業(yè)中發(fā)展迅速,而且已有多種儀器和方法被應(yīng)用在高架火炬的污染排放研究中;而國內(nèi)的光學(xué)遙測技術(shù)與國外還存在一定差距,目前在高架火炬測量中的應(yīng)用還很少。但隨著近年來環(huán)保要求的提高,國內(nèi)測量技術(shù)也取得了較快發(fā)展,很多儀器和方法已被開發(fā)出來。本文主要介紹當(dāng)下火炬工業(yè)中幾種常用的和新型的監(jiān)測方法及產(chǎn)品,并比較其技術(shù)的不同點和優(yōu)缺點,最后分析未來火炬排放光學(xué)遙測技術(shù)的發(fā)展趨勢。1燃盡率光譜的量化高架火炬是一種放空式廢氣處理系統(tǒng)?？扇紡U氣經(jīng)其筒體被傳輸?shù)筋^部,燃燒后直接排向外界大氣。這種燃燒方式使得人們非常難以量化排放。根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計火炬廢氣主要由碳?xì)浠衔锝M成。若能充分燃燒,其產(chǎn)物應(yīng)該是CO式中,[CO如圖1所示,燃盡率實驗中常用采樣抽取測量方法作為其他各種測量方法的參照依據(jù)廢氣燃燒過程中產(chǎn)生的黑煙排放是另一大污染源。人們很難對其進行量化,目前主要是用林格曼系數(shù)來標(biāo)定黑煙的不透明度。盡管有研究表明,黑煙排放僅占所有燃燒不充分排放總量的0.5%或更少2光學(xué)測量技術(shù)2.1氣體組分濃度pftir光譜PFTIR光譜儀用于分析氣體成分的光譜信息。該光譜儀直接以高溫燃燒氣體的紅外輻射作為系統(tǒng)所需光源,根據(jù)氣體對特定波長吸收峰的形狀和大小確定氣體組分及濃度。圖2為用PFTIR光譜儀測量火炬羽流燃盡率的示意圖。氣體輻射對波長具有強烈的選擇性。PFTIR光譜儀正是利用這種特性來判定測量氣體的種類和濃度。在波長為λ、溫度為T的條件下,燃燒區(qū)的熱源氣體輻射到光譜儀的能量為式中,τ(λ,T)為氣體的透射率;I光譜儀接收到的輻射不僅包括來自燃燒區(qū)的熱氣體紅外輻射,而且還包括天空背景輻射和大氣輻射。所以在測量時,要先進行標(biāo)定和校準(zhǔn),以去除背景和大氣輻射的干擾。根據(jù)比爾-朗伯定律,光強透射率與氣體濃度c之間存在指數(shù)關(guān)系:式中,K(λ)為該波長下的吸光系數(shù);L為氣體的光程長度。由式(3)即可得到熱源氣體中的組分濃度。如圖3和圖4所示,自2004年以來,美國德克薩斯環(huán)境質(zhì)量委員會(TexasCommissiononEnvironmentalQuality,TCEQ)與IMACC、URS等公司合作展開了一系列火炬燃盡率監(jiān)測研究2.2光譜和像素處理隨著紅外成像技術(shù)的發(fā)展,超光譜探測儀器也逐漸用于污染物排放遙測。如圖5所示,美國SurfaceOptics公司的SOC750型中紅外超光譜成像儀集成了高靈敏度的高速中紅外探測陣列、成像光譜儀以及掃描系統(tǒng)。該成像儀在2~5m范圍內(nèi)具有42個光譜波段,其光譜分辨率約為73nm,像素數(shù)為256×240,每秒鐘可處理11~30幀圖片。ZengY等人將各像素上的各個組分濃度代入式(1),即可計算出各像素上的燃盡率:式中,中紅外超光譜成像監(jiān)測技術(shù)能夠在二維平面內(nèi)快速捕捉煙氣羽流的動態(tài)變化,因此可有效抵抗風(fēng)速風(fēng)向變化對測量的干擾,并可提供比PFTIR光譜儀更全面、更有效的信息。另外,由于集成了燃盡率計算功能,該監(jiān)測設(shè)備無需相關(guān)人員專門進行頻譜分析,因此更加便于現(xiàn)場監(jiān)測。2.3tablee-losa方法消光法是在實驗室尺度下測量火焰中碳黑生成量的方法之一根據(jù)比爾-朗伯定律,波長為λ的光穿過羽流的透射率τ式中,I根據(jù)RDG-FA理論,瞬態(tài)下某一垂直于羽流飄散方向上的透射率τ式中,ρ式中,A=(ρ圖9所示為Sky-LOSA方法用于烏茲別克斯坦現(xiàn)場的相關(guān)設(shè)置。測量裝備距離火炬216m。在測量過程中,由CasioEX-F1高速攝像機獲取火焰羽流的動態(tài)變化數(shù)據(jù)并計算羽流速度。該攝像機每秒鐘可以拍攝300幀照片,并配有一個36~432mm鏡頭。在這樣的拍攝速度下,相機可以保持512×324像素。其中每個像素代表的空間精度約為55mm。羽流的透射率由美國Princeton儀器公司生產(chǎn)的PIXIS1024BR型16位CCD相機獲得。該相機每50毫秒可以拍攝1000幀照片,并配有一個105mm可見光鏡頭。其每個像素代表的空間精度為23.8mm。它通過在鏡頭前加裝一個532±3nm的單色光濾光片來實現(xiàn)單色光測量。2.4紅外傳感器和測點設(shè)備由于傅里葉紅外光譜儀和超光譜成像儀價格昂貴,且現(xiàn)場環(huán)境經(jīng)常伴隨雨雪風(fēng)沙等惡劣天氣,因此它們并不適合長期的室外監(jiān)測應(yīng)用。美國Williamson公司和德國LumaSenseTechnologies公司都基于雙波長紅外傳感器技術(shù)研制了用于監(jiān)測燃燒時黑煙排放情況的火炬燃燒監(jiān)測儀,并可根據(jù)測量信號調(diào)節(jié)和控制消煙蒸氣或空氣。雙波長紅外傳感器使用兩塊窄帶濾光片選擇性地接收來自燃燒區(qū)的紅外輻射。圖10所示為Williamson公司生產(chǎn)的FM-17-N4型火炬監(jiān)測儀。它測量的是火焰中CO和OH的相對輻射強度儀器信號并不與黑煙的能見度或濃度有直接的對應(yīng)關(guān)系,其目的是為了定位發(fā)煙點并使燃燒處在發(fā)煙點附近,且保持較高的燃燒效率與傅里葉紅外光譜儀和超光譜成像儀相比,雙波長紅外傳感器造價便宜,在配備吹掃、加熱、防爆等裝備后適于長期現(xiàn)場工作,且無需專業(yè)人員解讀數(shù)據(jù),可大大節(jié)省人工費用。但其缺點是儀器接收和計算的是視場范圍內(nèi)的平均輻射。因此,如果監(jiān)測視場內(nèi)含有多個火炬頭或其他干擾火源,那么雙波長紅外傳感器就無法判斷黑煙排放的具體來源。另外,該儀器只能相對地定性反映黑煙的變化,并不具有量綱,所以沒有明確的物理定義。3高架火炬火焰與黑煙實測系統(tǒng)與歐美發(fā)達國家相比,我國的光學(xué)遙測技術(shù)還有明顯差距,相關(guān)應(yīng)用主要集中在危險氣體泄露中國石油化工股份有限公司的趙日峰和劉琎等人基于火炬視頻,利用動態(tài)圖像模式識別技術(shù)設(shè)計了一種由攝像機、硬盤錄像機和圖形服務(wù)器等構(gòu)成的火炬排放流量實時監(jiān)測系統(tǒng)武漢科技大學(xué)的王昶文等人基于可見光輻射特性以及圖像處理技術(shù),設(shè)計了一種高架火炬火焰與黑煙遙測監(jiān)控系統(tǒng)如圖12所示,在獲得拍攝的火焰圖像之后,利用黑煙與火焰及背景的灰度級差別設(shè)定分割閾值,并對圖像進行二值化處理。其中,黑色像素部分可近似認(rèn)為是黑煙區(qū)域。近兩年來,中國船舶重工集團公司第七一一研究所展開了火炬火焰燃燒光學(xué)遙測產(chǎn)品的研制工作。他們采用可見光成像結(jié)合圖像處理的方法提取火炬火焰的顏色和飽和度等特征,并利用幀間差分等算法捕捉和分析火焰的動態(tài)變化。與中紅外成像技術(shù)相比,可見光成像在能見度低的情況(如黑夜或雨霧等天氣)下接收到的輻射能少,受到的干擾多,所以需要利用圖像增強等技術(shù)作進一步處理。但由于具有造價低、算法成熟等特點,該技術(shù)是一種很有潛力的監(jiān)測手段,并具有廣闊的推廣前景。4監(jiān)測儀器的發(fā)展趨勢自20世紀(jì)80年代以來,針對高架火炬廢氣燃燒的光學(xué)遙測技術(shù)發(fā)展迅速,目前已有多種儀器在現(xiàn)場得到了應(yīng)用。但仍有一些關(guān)鍵技術(shù)點需要繼續(xù)探索,比如:(1)監(jiān)測儀器要朝被動接收、低成本、專業(yè)化的方向發(fā)展,且具有集成數(shù)據(jù)處理功能,以省去專業(yè)人員現(xiàn)場解讀數(shù)據(jù)的工作;(2)監(jiān)測儀器要能適應(yīng)現(xiàn)場測