[发明专利]分级蒸汽注入系统

说明书

本发明提供了一种用于可将废气排放到燃烧区中的火炬头的分级蒸汽注入系统。所述分级蒸汽注入系统包括例如第一气体注入组件和第二级气体注入组件。所述第一气体注入组件被构造成以高流速和高压将蒸汽注入到所述火炬头或所述燃烧区中。所述第二气体注入组件被构造成以低流速和高压将气体(例如，蒸汽和/或蒸汽之外的气体)注入到所述火炬头或所述燃烧区中。本发明还提供了包括所述分级蒸汽注入系统的火炬头。

相关申请的交叉引用

本申请要求先前提交的美国临时申请62/387,147(提交于2015年12月23日)、62/343,342(提交于2016年5月31日)和62/343,362(提交于2016年5月31日)的权益，以上每一个申请均以引用方式并入本文。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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，所述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。

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，在设计流速下，从蒸汽喷嘴以声速(Mach＝1或更大)排放蒸汽。随着蒸汽流速降低，蒸汽喷嘴处的蒸汽压力降低并且最终流速降低得足够低，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，设计流速下的火炬头每克废气可能需要0.3克蒸汽(每磅废气的蒸汽磅数)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)每克废气可能需要1.2克或更多蒸汽(每磅废气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。

另外，当火炬头在低废气流速下操作时，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。