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火炬介绍

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6.1.2火炬
6.1.2.1 概述
沼气火炬的设置，早期被用于小型垃圾卫生填埋场和产气量不稳定或较小的沼气工程，此时尽管沼气量偏小，不具备利用价值，但从保护环境、杜绝安全隐患角度出发，不能采用直接放空的方式，而应设置火炬系统将其进行及时、安全的燃烧处理。
随着沼气工程技术的不断发展，对沼气火炬的功能也在不断完善，具体来讲，通过火炬燃烧达到了如下处理目的：
其一，燃烧掉绝大部分可燃组份（主要是甲烷），避免直接排放易于造成局部浓度过高进而达到爆炸极限的安全隐患。
其二，通过燃烧，对沼气中的硫化氢、氨气以及有机污染物进行了有效去除，减少了对大气环境的污染。
其三，具有较大的操作弹性，能较好地适应处理气量的波动，对于沼气利用项目，可将资源化利用之外剩余的沼气部分进行无害化处理，发挥了平衡沼气产生与利用总量之间差额的作用。
其四，当沼气工程项目运行出现问题而导致沼气品质与设计值有较大偏移从而无法正常利用时，或者沼气利用设施发生故障等情况时，火炬作为安保措施承担着应急处理的功能。
此外，从碳减排角度看，沼气火炬更被视为一个必要且简单的甲烷燃烧摧毁设备，能以较低的投资成本和运行成本实现温室气体减排，从而获得减排碳交易量。
由于火炬具有上述诸多功能，使得火炬在各种类型沼气项目中都成为一个重要的组成部分。无论规模大小，无论是否资源化利用
因此火炬系统是保障沼气工程项目安全生产的必要措施，兼顾了生产、安全和环保三大功能。尽管人们对火炬烧掉大量可燃气体而感到可惜，期望尽可能减少通过火炬燃烧的沼气量，但还不能在沼气工程的全生产过程以及全运行周期中将其取消掉，因此现阶段火炬系统依然为沼气工程生产工艺流程中的有机组成部分之一。
火炬尽管具有上述在沼气工程应用系统中不可替代的作用，其自身在运行过程中所产生的潜在二次污染隐患也不应被忽视，主要体现在如下方面：
一个方面是燃烧后烟气是否超标，其主要污染物是SO2和NOx，其中SO2来源于沼气中的硫化氢，若脱硫措施可靠，可以有效控制烟气中的SO2浓度，NOx则来自于高温燃烧，当燃烧充分燃烧效率高时易于造成NOx浓度增加。
另一个方面是应保证充分燃烧，避免出现局部燃烧不完全或短流排放现象。
另外，火炬运行中的噪声、热辐射、光辐射状况也应给予重视，并采取措施予以控制，确保对工作人员的安全防护。

6.1.2.2 沼气火炬的类型
从沼气火炬的应用场合讲，可将沼气火炬分为三类：
a. 高空火炬
b. 地面封闭式火炬
c. 移动火炬
高空火炬是最早的火炬应用方式，其燃烧器通过管道高架于空中，火焰在空中呈扩散燃烧方式。图6-1为设置在某垃圾填埋场用于燃烧垃圾填埋气的高空火炬。

图6-1 高空火炬
随着火炬技术的发展以及对火炬燃烧过程的测控要求，火炬系统也发生了很大的变化，近年来地面式火炬系统得到快速发展，其中最重要的类型就是地面封闭式火炬。
所谓地面封闭式火炬是指火炬燃烧器为非高空安装的火炬装置，燃烧器上所形成火焰被火炬筒体与外界隔离，这样燃烧火焰产生的声、光、热等辐射作用均被封闭在火炬筒体内。地面封闭式火炬的最大优势是可对燃烧过程进行有效调控，确保了燃烧效率，而且也有利于控制二次污染，下图为某大型地面封闭式火炬。

图6-2 地面封闭式火炬
相对于高空火炬，地面封闭式火炬具有如下特点：
l 在投资方面：高空火炬的投资比较少，地面封闭式火炬的投资比较多。
l 在建设用地方面：高空火炬的支架及相关的附属设备占地面积比较小，但高空火炬的热辐射范围比较大；地面封闭式火炬的占地面积比高空火炬的大，但地面火炬的热辐射范围比较小。
l 在工艺流程方面：高空火炬为单路进气模式，地面封闭式火炬则往往为多路进气模式。
l 在处理能力方面：高空火炬会受到火炬塔高的限制，单只火炬头的处理能有限；地面封闭式火炬在保证气流分配均匀的前提下，可以实现分级燃烧，处理能力比较大。
l 在燃烧效果方面：高空火炬在排放量大的时候会出现燃烧不完全的情况，燃烧效率偏低；地面封闭式火炬采用分级燃烧的方式，在各种排放量下都能燃烧完全，燃烧效率可得到保证。
l 在热辐射及光污染方面：高空火炬的热辐射范围比较大，并具有光污染；地面封闭式火炬在正常运行时，热辐射小，基本没有光污染，当大量排放和燃烧不充分时，火焰会超过火炬筒体顶部产生热辐射和光污染。
l 在仪表监控方面，高空火炬比较简单，主要控制吹扫、点火等操作步骤。地面封闭式火炬比较复杂，除了要控制吹扫、点火外，还有根据火炬处理量大小控制燃烧器的燃烧级数，另外还需对燃烧状态（如不同火焰高度处的温度）进行监测。

由于高空火炬与地面封闭式火炬各有其优缺点，在工程应用中应根据实际需求，选择合理的火炬形式或混合应用模式，以最大化地发挥火炬处理的作用。
作为沼气工程中的运行设备，除了上述的高空火炬和地面封闭式火炬之外，还有一种处理量不大的移动式火炬。移动式火炬往往用于对垃圾填埋场进行探气试验中使用，该装置具有较灵活的移动能力（采用底盘移动或人工移位），可以满足在不同区域进行抽气测试的要求。由于移动式火炬是配合开展探气测试工作使用，往往在其系统中将测试仪表以及测试功能集成到该装置中，下图为在某垃圾填埋场探测试中应用的移动式火炬。

图6-3 移动式火炬
6.1.2.3火炬系统的组成与功能
（1）火炬系统组成
火炬系统由以下主要设备组成：
l 风机：用于向火炬燃烧器输送沼气；
l 过滤器：对沼气进行过滤处理，避免大颗粒物质对输送管道设备和仪器造成损害；
l 火炬本体：包括燃烧器、点火器、检测器以及火炬筒体等，是火炬系统中的重要设备，它的作用是将输送到火炬系统中的沼气进行燃烧后排放；
l 进气阀组：用于控制进气量和进气管路，实现单级或多级燃烧控制；
l 监控设备：对火炬系统的点火、正常燃烧、停火以及异常情况过程，进行自动监控。
（2）点火设施
点火设施是火炬系统中的一个重要设备，它的主要作用是安全可靠的点燃火炬气，保证火炬气能够安全顺利的燃烧。点火设施如果不能及时的将进入燃烧器中的沼气顺利点燃，就会容易造成沼气扩散并聚集到地面上的现象，造成火灾事故的发生。
传统的点火系统主要是由燃料气与空气强制混合，并通过电点火和密闭传焰组成的点火系统，主要有点火器、传焰管和长明灯三个主要设备。点火器通常被设置在靠近火炬筒体的地面上，点火器上主要设置有点火需要的燃料气以及压缩空气需要的控制阀、压力表和限流孔表，使燃料气和压缩空气能够充分混合，从而达到爆炸燃烧的范围。点燃室和升压变压器用来产生点火时需要的火源。传焰管架设在支架上或者火炬筒体上，用来存储那些处于爆炸燃烧范围内供点火时使用的混合气体，并将爆炸燃烧后的火种迅速传递至火炬顶端，最后将长明灯点燃。传统的点火系统在沼气火炬应用上受到较大的限制，火炬的长明灯需要不间断燃烧，这样会浪费大量的燃料。为了降低生产成本和能源浪费，新型的火炬自动点火系统已经被广泛的应用，有效地熄灭了长明灯。
火炬自动点火系统最常用的为高能火花式点火电极，安装位置位于引燃燃烧喷嘴出口处，由高能火花点燃引燃燃料气，进而点燃火炬气。点火电极可程序控制点火，也可手动控制点火，能实现多次反复点火，提高点火成功率。由于点火电极正常工作时处于较高的温度，其材料应能长期耐受 700℃以上的高温。
（3）火炬燃烧器
高空火炬的燃烧器一般为单级，而地面封闭式火炬往往由多级燃烧器组构成，无论何种燃烧器，均要求进气压力始终控制在一定范围内，以保证其有效的完全燃烧。
火炬燃烧器多采用扩散式燃烧器和部分预混合式燃烧器。
高空火炬多采用扩散式燃烧器，采用自然引风大气扩散式技术，火炬头采用带空间锥体花瓣形稳火环结构。这种结构提高了放空气体出口流速，加大了放空气体湍流扰动的程度，提高了放空气体卷吸周围空气的能力，由于火炬放空气体出口流速高，在不增加当量流通面积的情况下能够显著提高火炬的处理能力，调节比大，具有非常好的操作弹性，较高的排放流速和脱离火炬筒口的悬空火焰有效改善了火炬头的高温工作环境。高空火炬结构简单，控制成本低。
由于高空火炬中的火焰为扩散式火焰，火焰较长，火焰维持强度较弱，且暴露在大气中，易于被风吹熄，为此应需安装防风筒罩，以增加火焰的稳定性。火炬头防风罩下部采用敞开锥体结构，利用放空气体出口喷射的速度，将防风罩下部敞开锥体周围的大量空气引射到防风罩内，进行中心供氧，使火炬头在任何条件下都能稳定、安全燃烧，在恶劣气候条件下都能产生稳定火焰，火炬头喷出的排放气托高火焰，降低火炬头头部温度，延长了火炬头使用寿命。
地面封闭式火炬则多采用部分预混合式火炬燃烧器。若仍采用扩散燃烧的方式，这种燃烧方式由于排放气体未与空气进行预混合，燃烧所需要的空气完全依靠扩散作用从周围大气中获得，因此在生产装置大量排放火炬气时容易造成放空气体燃烧不完全。而且，由于只利用多个扩散喷流来分配火炬气和横向夹带燃烧所需空气，产生的整体火焰包面中包括火炬气的密集中央芯体，空气很难进入该中央芯体，因此燃尽率低，对环境造成污染。
因此，地面封闭式火炬必须采用部分预混合式燃烧器，即通过向火焰包面的中央芯体喷射火炬气与空气的混合气来增加火焰芯部的紊流度，从而使原火焰包面被划分为两个火焰区，而内部的火焰区随着预混合空气含量的增多而变短，且过量的空气被浮烟使用，可降低整个火焰包面的高度，从而降低燃烧室和防辐射消音屏的高度，最终降低地面火炬装置的成本。此外，燃烧火焰完全封闭在燃烧室内，且燃烧室内衬的陶瓷纤维材料具有极好的隔热降噪效果，使整个火炬系统达到真正意义上的无烟、低噪音、低热辐射和充分燃烧。当燃烧噪声较高时，在燃烧室筒体和外部设置的防辐射消音屏会最大限度地降低噪音，使地面噪音能低于 70dB。
火炬燃烧器的设计从很大程度上来讲取决于火炬的处理能力和燃烧效率。改变火焰包面中央芯体的缺氧状态，增加火焰中气体的湍动，加上火炬气与空气的预混合技术，可以使火炬达到充分燃烧，降低火焰高度，增强火焰稳定性，降低对相邻设备热辐射的综合性能要求。因此，火炬燃烧器应确保火炬燃烧的火焰稳定性好，且具有较高的燃尽率，保证对沼气的燃烧处理满足安全和环保的要求，这些都是沼气火炬技术发展的主要方向，具体来讲，沼气火炬燃烧器的设计应满足以下关键要求：
l 能完全并安全燃烧各种工况下的沼气（即能处理不同流量、不同组成成份的沼气），燃烧负荷范围大；
l 在沼气完全燃烧的前提下，能耗低；
l 结构简单、制造容易，选材得当，使用寿命长，质量轻，便于安装和维护检修；
l 燃烧产生的噪音和光污染小；
l 燃烧的火焰稳定性好。
对火焰高度的计算在许多文献资料中有不同的计算公式，可参考《化学工程实用专题设计手册》上册等资料，对火焰高度进行估算，也可采用计算流体力学（CFD）方法，进行数值模拟计算。影响火炬气燃烧火焰高度的主要因素有沼气成份，预混合空燃比，进气压力等，其中甲烷含量越高，预混合空燃比越低，进气压力越高，则燃烧火焰高度也会越长。
（4）火炬火焰检测装置
火炬火焰检测装置是火炬自动点火进而真正实现自动点火最重要的器件，其性能的好坏将直接影响到程控仪能否准确判断出火炬气的燃烧状态，从而准确控制整个点火系统的全自动运行。
目前，使用最为广泛的火焰检测方式是热电偶测温和紫外线检测两种方式。前者是将热电偶直接安装在火炬燃烧器的高温区域进行温度检测，在燃烧区域（温度达 1000℃以上）的长期高温灼烧会使其极易损坏，使用寿命短，同时远距离测温所带来的滞后性也会使热电偶火焰检测信号的可靠性降低。而后者所选用的探头仅对波长为 185～260nm的紫外线敏感，且整个火焰探测器安装在地面，远离火焰高温区，这样就可以无滞后、及时向程控仪输入火焰检测信号，而不受高温火焰辐射光的影响，具有灵敏度高、抗干扰性强、使用寿命长等优点，比热电偶探测更具优越性。
地面封闭式火炬一般会配备2 套火焰探测器，一套为热电偶，一套为紫外线火焰探测器，两套装置不仅互为备用，而且在判断点火、正常燃烧、熄火状态中起发挥不同的判断逻辑作用。
（5）燃气阀组和管线
沼气进入火炬燃烧器之前需要通过一套燃气阀组对点火、熄火保护、燃烧负荷增减等功能进行控制，一般将这些控制阀组及相应管线集成在一套装置中，称为阀组箱。
在阀组箱中，设置有点火燃气控制管路、主燃气控制管路（气量较大时往往为多路，通往相应各级燃烧器）、计量仪器（流量、温度、压力等）以及应急安全保护设置（包括紧急切断阀、阻火器、泄爆器）。在火炬的整个运行期间，控制系统对阀组箱内的设备进行控制和调节。
6.1.2.4火炬自动监控系统
早期沼气火炬的自动化程度很低，对人工调节控制的依赖较大。目前火炬装置的标准设计模式是在自动点火系统的集中监控下自动运行，并把指示信号和报警信号传入有人值守的操作室，因此火炬系统可以不设置值守岗位，由操作室进行正常的操作和监视。
火炬系统无人控制值守功能的实现，依赖于安全、可靠的控制系统。从控制系统角度看，火炬控制系统应当包括以下功能:
（1）对火炬控制系统的设备和工艺参数进行监控
主要监控对象有：
l 沼气流量、沼气组份、温度、压力
l 燃烧火焰状态
l 点火状态
l 控制阀、调节阀的开、关及开度状态
根据火炬工作模式设定以及监控对象状态，相应地进行程序控制与调节。
（2）点火自动控制
火炬系统尽管工艺并不十分复杂，需要点火的情况也不是很频繁，但是，点火的成功率十分重要。成功点火意味着安全排放。
火炬自动点火控制系统由 PLC、点火器、长明灯、控制阀和火焰检测器等装置组成，具有全自动点火模式、长明灯（即常燃）模式、手动模式和强制点火模式等四种运行模式，各点火模式按照联锁逻辑关系进行自动控制和报警。
l 全自动点火运行模式
自动点火系统是通过对火炬点火燃烧控制操作和火焰检测信号自动联锁运行，来实现自动点火控制过程。
点火系统由高空点火装置、燃气阀组、控制系统、火焰监测系统四部分构成。其工作过程如下：首先，对火炬进行空气吹扫，吹扫一定时间后，启动点火电路，高压发生器输出高压电流，使点火器的两高压电极间产生连续高能电火花，点火燃气电磁阀同时自动打开，点火燃气（可直接采用沼气）进入引燃燃烧器内，与空气混合后，被电火花点燃，形成引燃火焰，进而分级向主燃烧器通入沼气，通过引燃火焰逐级点燃主燃烧器。在点火过程中，对火焰探测器实时检测点火是否正常，若未被成功点燃，则系统关闭，启动安全吹扫并重新点火，当连续三次点火均未成功，则系统发出故障报警信号。当判断火炬正常点火成功后，点火系统自动停止工作，点火燃料气电磁阀自动关闭。
自动点火系统应满足以下要求：
ü 自动巡检点火触发信号；
ü 自动判断是否有火炬燃气流量信号，若无则自动停止并进行吹扫；若有就必须安全、及时无误的将火炬气点燃，保证不引起火炬系统爆炸；
ü 自动判断点火是否成功，正常点燃后切断燃料气气源，若点火故障（有火炬启动工作要求信号，但未检测到火焰信号），则发出报警信号，报警信号送至装置 中控系统进行重新点火控制；
ü 自动点火的成功率要求达到 100%
ü 火炬点火可以实现全自动化运行，同时也可远程手动和就地手动操作，并进行故障报警、点火成功或失败的显示以及对点火过程燃烧状态进行全天候的监测和控制。
ü 必要参数的显示和管理（包括燃烧器、长明灯的工作状态、火焰温度、管线上调节阀的开度和点火器燃料气管线上电磁阀的状态等）。
在火炬被点燃以后，火焰探测器一直处于检测状态，实时判断火炬燃烧状态。如果由于外部环境比较恶劣，发生火炬熄灭的现象，火焰探测器会立刻向控制系统发出异常信号，进而按照点火程序指令及时进行点火。紧急情况下也可以使用手动方式进行点火，手动点火可以不经过程序控制，直接对火炬进行点火。
l 长明灯模式
当火炬气频繁排放时，点火系统可切换至长明灯模式运行。在长明灯模式下，控制系统连续监视长明灯火焰信号，若长明灯熄灭则自动将其点燃，保持长明灯常燃。在设定的时间内不能成功点燃长明灯，则发出故障报警信号，提醒值班人员及时修复，保证火炬系统的安全。
l 手动点火模式
手动点火模式下，可由手动按钮通过控制器进行点火，手动模式下只对火炬进行检测、显示，不进行联锁控制。
l 强制点火模式
气动阀门具备手动操作装置，点火电磁阀配有旁路，点火器配有强制按钮。不管任何时候均可用强制点火按扭对火炬进行强制点火操作。强制点火由控制按扭直接控制点火装置，即使在 PLC 故障的情况下仍然有效。
上述各点火模式在实际应用中，可根据现场气源状况，有选择性地配置相应的点火模式，一般情况下以复合配备自动点火模式和手动点火模式较多。
6.1.2.5火炬系统的安全防护
根据火炬燃烧系统自身的工作特点，为确保火炬系统能够稳定运行，其安全防护保障尤为重要，需要注意以下几个方面的安全防护:
（1）防止回火。火炬系统发生回火会造成严重的爆炸事故，当燃气中氧含量高时其危险隐患更为严重，为了避免发生回火，在管路中均须安装防爆轰型阻火器，有时也会增加水封装置来确保防回火措施。
（2）定期检查燃烧器，避免燃烧异常。燃烧器也即火炬头长期处于高温环境，当出现严重高温变形后，容易加速部件的局部快速损坏，因此要及时判断燃烧器的结构和工作状态是否正常。
（3）对氧气含量分析控制。火炬气中可能会夹带氧气，当氧气含量到达一定值时，就会形成混合爆炸气体，为了防止爆炸事故发生，需要对氧气含量进行监控，当氧气含量超过一定值时进行报警，必要时需要进行停机处理。
（5）对燃气状态（流量、压力、温度）以及风机、点火器等设备状态进行监测，出现故障时及时报警。
（6）手动控制。现场设置急停按钮，并在控制室也设置停车按钮，使突发事故能被及时处理，确保整个系统的安全。
（7）防火防爆。沼气火炬区属于危险Ⅱ区，所有的仪表设备需要使用防爆型的，并进行防雷保护，安装完善的消防系统，以应对突发事件。
（8）点火前吹扫控制。为了防止在点火时火炬筒体内存有处于爆炸极限内的燃气，需要先进行空气吹扫，使火炬内气氛远离爆炸范围后再进行程序点火，避免出现点火时爆炸隐患。
（9）设置安全泄爆装置。在燃气管路或者旁通支路上设置以爆破片为代表的泄爆装置，可在设定的压力和温度下爆破，使火炬气安全泄放。在使用中，应注意选择合理的正常管路操作压力与爆破片的最小爆破压力，即避免使爆破片过于敏感频繁爆破，也避免其出现反应迟钝，出现当破而不破的问题。

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