随着全球实现碳中和的行动持续推进，氢气和氨因其不产生二氧化碳排放，作为燃料正日益受到关注。在氨的供应链中，包括以氮气和氢气为原料的氨合成、氨的运输、储存、分销，以及将氨直接用作燃料或分解为氢气以供使用等环节。 因此，供应链中各设施的火炬必须设计成能够处理由氨、氮和氢组成的各种混合物。氨作为燃料面临诸多挑战，包括火焰传播速度慢、可燃极限范围窄以及点火温度高，而这些特性在与氮气稀释后会进一步加剧。通过向氨-氮混合物中富集氢气，可以有效克服这些挑战。 天然气或燃料气可以且已被用作富集流；然而，由于这些燃料伴随的二氧化碳排放，氢气成为一种极具吸引力的替代方案。 此外，氢气具有宽广的可燃极限和快的火焰传播速度，这意味着与其他气体相比，使用较低的氢气比例即可达到所需的燃烧性能。本文探讨了氨气以及氨/氮混合物经氢气富集后的全规模燃烧性能测试。本研究的目的是继续推进针对含氨火炬工艺流的安全、高效设计。
INTRODUCTION
从历史上看，火炬一直用于处理和处置从天然气到烯烃和芳烃等各类烃类物质。关于火炬在处理烃类物质时的效率，已开展了大量研究并发表了相关成果，其中最著名的是马克·麦克丹尼尔（Marc McDaniel）在20世纪80年代进行的火炬 ”。 该火炬研究的部分内容由美国环境保护署（U.S. EPA）和化学制造商协会（CMA）资助，后来成为制定无辅助、蒸汽辅助和空气辅助火炬最低允许低位热值及最高允许出口速度标准的基础。 这些要求在《联邦法规汇编》第40卷第60.18条和第63.670条中有详细规定。 过去许多火炬效率研究均采用火焰传播速度、自燃温度和可燃极限相对相似的烃类（例如丙烯、天然气、丙烷）进行。随着全球逐步转向氨和氢等无碳燃料，火炬制造商及其客户必须了解氨火炬的适当设计参数。 2024年11月，Zeeco与Air Products合作开展了一项以氨以及氨、氢和氮的各种混合物为对象的火炬效率研究。该研究旨在确定氨的销毁去除率（DRE）去除销毁去除率（DRE），确立最低氢富集度与氮稀释度的关系，并记录氮氧化物（NOx）的排放量。
设计注意事项
氨气火炬燃烧面临的最突出挑战在于，在实现高销毁效率的同时保持火焰稳定。与典型的（烃类）火炬相比，这些挑战具有独特性，这是由于氨气燃烧速度慢、火焰温度低、自燃温度高，且体积可燃范围有限。火炬 必须采取充分的火焰稳定措施，以防止火焰不稳定，否则可能会导致破坏效率降低（即产生不可接受的未燃烧氨排放），或引发熄火情况，这不仅可能对环境造成损害，还可能危及人员安全。表1列出了氨、氢及其他碳氢化合物燃料的性质。
表1. 燃料性能汇总。
可使用多种烃类物质来富集火炬气流。最常见的是天然气；不过，使用氢气也不会增加二氧化碳排放量。此外，氢气具有燃烧速度快、火焰温度高以及可燃范围广等特点，这提高了其作为富集燃料的效能。含火炬 燃烧特性和性能已得到深入研究。 此类研究的一个实例是能源与环境研究公司（Energy and Environmental Research Corporation）在20世纪90年代开展的火炬 示范”项目。该测试针对氢气与氮气的混合物进行，其中添加了少量乙烯以测量破坏效率。理解在这些混合物中用氨代替氢气的影响至关重要，因为氨的燃烧特性较差，将影响火炬的性能。
在考虑含燃料氮化合物的燃烧时，NOx的生成主要通过两条途径——热NOx和燃料NOx。人们通常认为，使用氢气进行富化会进一步增加热NOx的生成，因为氢气会提高火焰温度。 从历史上看，与销毁效率相比，火炬排放的NOx一直未被重视。火炬通常不采用任何NOx控制措施，行业内通常采用火炬 设计和组成所产生的NOx排放平均值；然而，近年来，人们越来越重视火炬的所有性能指标，包括NOx排放。美国环保署（EPA）在AP-42中公布了针对各类排放源的公认空气排放因子。
第13.5章“工业火炬”中专门对火炬进行了描述。高架火炬被列为
0.068 磅/MMBtu，该数值基于使用 80% 丙烯和 20% 丙烷进行的测试结果 [4]。得克萨斯州环境质量委员会（TCEQ）已发布火炬 NOx排放的信息，其中将蒸汽辅助、空气辅助或非火炬 排放数据分别归类为高 BTU 和低 BTU 两类。 此外，TCEQ指出，产生的燃料NOx假设为入口氨质量流量的0.5重量百分比。TCEQ声明，氨与燃料NOx的换算需根据具体情况逐案审查[3]。 例如，如果火炬 流量为 10,000 磅/小时的氨，则燃料 NOx排放 应为 10,000 磅/小时的 0.5%，即 50 磅/小时。 Zeeco 于 2024 年 11 月开展的研究和测试收集了相关数据，以支持火炬 NOx排放量的评估。
测试
火炬 在位于俄克拉荷马州布罗肯阿罗的Zeeco全球技术中心（GTC）进行。测试中使用了一根10英寸的火炬 ZEECO型号UFW-10），并配备了两（2）个ZEECO型号HSLF点火器。测试期间，点火器使用氢气作为燃料。 氨和氮以液态形式供应，经气化后送入火炬。氢气则以气态形式通过管式拖车输送。采用孔板流量计对火炬 每种火炬 组分进行控制和测量。一个专门制造的采样罩利用压缩空气吸入废气，由起重机吊至火炬 上方，以采集燃烧烟羽。 烟羽样本通过加热采样管线输送至移动实验室进行分析。排放 包括氧气[O2]、氨[NH3]和氮氧化物[NOx]。
测试首先采用100%氨气，出口速度从低到高逐步变化。与烃类火炬不同，氨气火炬燃烧需要对低出口速度和高出口速度下的性能进行理解和考量。烃类火炬 通常仅火炬 最大允许出口速度的限制。然而，由于氨气的燃烧性能较差，必须考虑两种不同的机制。 在高出口速度下，由于火炬 速度超过湍流火焰速度，火焰可能会失稳。随着出口速度的增加，火炬 的空气卷吸量火炬 ，导致燃烧区更加稀释。因此，在高出口速度下，限制机制是燃烧区内各组分的反应速度。在低出口速度下，由于火炬 动量较小，混合成为限制机制。火炬 在靠近点火源（即引火器）时，必须能够迅速与环境空气混合并形成可燃混合物。图1和图2分别展示了低流量和高流量条件下氨气燃烧成功的示意图。
图1. 低流量燃烧100%氨气。 图2. 高流量燃烧100%氨气。
随后，通过改变火炬 中氮气和氢气的含量继续进行测试，以评估维持稳定火焰所需的最低氢富集度，并观察其对销毁效率的影响。采用式（1）来确定销毁去除率（DRE） 。
氢是一种宝贵的化合物；因此，准确预测所需的最低氢富集度至关重要，这样既能降低火炬运行成本，又能保持可接受的氨分解效率。图3展示了所有测试点下氨的分解效率与特征温度的关系。这些测试点的氨浓度范围从100mol%氨到0.7mol%氨（与氮气和氢气混合）。 确定了与分解效率相关的特征温度。要实现给定组分的可接受分解效果，特征温度必须达到或超过图3中红色竖线所示的最小值。其中一个测试点被归类为异常值，并用蓝色“X”标记。 在该测试点，使用了大口径氢气孔板流量计注入小流量氢气，该流量低于该规格孔板流量计的可控范围。在随后的测试点中，使用了规格正确的孔板流量计和类似的火炬 混合物，从而获得了更高的分解效率。
图3. 氨的分解去除效率与特征温度的关系。
如“设计考虑”一节所述，美国环保署（EPA）等机构基于火炬 公布了通用的 排放 。这些过去的火炬 主要涉及烃类，而氨气火炬燃烧的研究则未达到同等深度。 例如，美国EPA的AP-42指南基于一种含80%丙烯和20%丙烷的粗丙烯混合物，将高空火炬排放的氮氧化物排放因子列为0.068 lb/MMBtu [4]。 德克萨斯州环境质量委员会（TCEQ）对数据进行了进一步处理，针对低热值或高热值气流，分别给出了蒸汽辅助与空气/非辅助燃烧工况下的氮氧化物 排放 [2]。表2列出了这些排放 。TCEQ将高热值定义为大于1,000 Btu/scf，低热值定义为192至1,000 Btu/scf之间。
表 2. TCEQ RG-360/21 中提供的NOx 排放 汇总。
如前所述，由于NH3是一种含氮化合物，因此在进行NH3火炬燃烧时，应考虑热NOx和燃料NOx。得克萨斯州环境质量委员会（TCEQ）规定，NH3产生的燃料NOx为进气NH3重量的0.5%，但需根据具体情况逐案审查[3]。公式（2）列出了根据TCEQ《排放 》文件确定NOx排放量的计算公式。
利用公式2计算了每个测试点的NOx排放量，并将计算结果与测试期间测得的实际NOx排放量绘制在图4中。测试数据按颜色划分，分为三组不同的数据集。蓝色数据点表示100%氨，粉色数据点表示氨含量在50-56mol%之间，黄色数据点表示氨含量在0.6-26mol%之间。 纳入分析的测试点均销毁去除率（DRE） 。销毁去除率（DRE） 由于相当一部分火炬气体未发生反应，测试结果的准确性也会销毁去除率（DRE） 。如图所示，可以得出结论：得克萨斯州环境质量委员会（TCEQ）对NOx的预测具有合理的准确性。
图4. 根据TCEQ指南计算的NOx 排放 [lb/h]与测试期间测得的NOx 排放 [lb/h]的对比。
计算流体力学（CFD）建模
选定了几个测试点，用于与CFD建模结果进行对比。设备全尺度测试通常是验证性能最可靠的方法。然而，测试也面临着某些挑战——例如安全考量、潜在的高成本以及日程安排等问题。因此，必须有一种替代方法来验证火炬 设计。 虽然收集全尺度试验数据是主要目的，但根据试验数据验证CFD模型参数和方法也是一个重要的次要目的，因为这对持续理解和改进氨火炬技术至关重要。试验数据与CFD建模结果在以下方面进行了对比：火焰长度、不同出口速度下100%火炬 破坏效率，以及富氢火炬 的破坏效率。
针对100%氨气，在不同的出口速度范围内选取了三个测试点。 选取了两个氢富集测试点，氢浓度范围为39mol%至54mol%，采用氮气稀释。所有模型均采用雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS），并结合涡耗散概念（EDC）湍流-化学相互作用模型[5]以及Doner等人提出的最新H-N-O化学动力学机理[6]。CFD网格包含约840万个单元。
火焰形状是该模型中首先进行评估的部分。估火炬 的火焰长度火炬 各项设计考虑的关键输入参数，包括辐射以及未燃烧火炬 扩散。由于其中不含含碳化合物，因此通过一氧化碳等值面估算火焰形状的传统方法并不适用。 通过将稳态模型与测试视频进行对比，确定了用于表示可见火焰边界的合适量等值面。测试结果与CFD结果的对比见表3。此外，图5展示了在100%氨气燃烧情况下，CFD模型中选定用于表示可见火焰边界的等值面。
表3. 测试和CFD建模过程中测得的平均火焰长度。
图5. 用于确定100%氨气火炬燃烧火焰形状的等值面。
该试验的另一个目的是确定在不同出口速度下100%氨的破坏效率。图6展示了根据出口速度测得的破坏效率与CFD模型计算的破坏效率之间的差异。
在对100%氨气进行测试时，尽管某测试点的出口速度最低，但其破坏效率却出现下降，因此推测该点为异常值。计算流体动力学（CFD）模拟通过显示该低出口速度测试点在预测破坏效率方面存在最大差异，从而证实了这一推测。随着出口速度的增加，实测效率与CFD模拟结果之间呈现出合理的一致性。
图6. 100%氨测试中，实测销毁去除率（DRE） 差异与火炬 速度的关系。
本次测试的最后一个目标是利用氢富集测试结果，验证CFD模型在不同组分范围下氨的破坏效率。为此，选取了三个破坏效率较高的测试点进行分析。 图7展示了在氢富集条件下，实测分解效率与CFD模型分解效率之间的差异。尽管存在显著的氮气稀释，氢富集仍大幅提高了火炬 中氨的分解效率。CFD成功捕捉到了氢的影响，并在各种测试条件下均表现出合理的一致性。
图7. 氢、氮和氨混合物中测得的销毁去除率（DRE） 之间的差异。
项目安装
Zeeco 有幸为 Air Products 位于沙特阿拉伯王国的 NEOM 绿色氢能综合体项目提供火炬 。这一创新项目利用成熟技术生产绿色氢能。该项目将利用可再生能源（即太阳能和风能），通过水电解和空气分离装置生产绿色氢气和氮气。产生的氢气和氮气将被转化为氨，以供分销和下游使用 [7]。火炬 及后续计算流体动力学（CFD）建模，是验证火炬 并为确定最低氢富集度提供方法论支持的关键步骤。
CONCLUSION
Zeeco全球技术中心已开展相关测试，旨在收集排放 ，以支持氨气火炬应用。 通过火炬 富集氢气，以抵消氮气的稀释作用，从而保持火焰稳定并实现可接受的氨分解效率。该试验成功验证了这些设计中所需的最低氢气用量，且与CFD建模结果进一步吻合。试验结果与CFD建模在总体趋势上保持一致，在分解效率方面也具有合理的一致性。
氨的应用范围持续扩大，这要求对相关工艺流体的有效火炬燃烧进行更多研究。尽管氨火炬燃烧已有数十年历史，但全尺度测试和经过验证的CFD建模仍是改进火炬 运行、并最大限度减少环境影响的有效工具。 Zeeco 的测试为此提供了基础数据。Zeeco 开发了一种用于测试开放式氨火炬的方法，并利用所得测试数据验证了适用于氨应用的精确 CFD 模型，确认了安全可靠的火炬 设计，并为氨火炬燃烧提供了合理的操作方法。此外，测试还成功证明，富氢是提高氮气稀释氨的破坏效率的一种有效方法。