火炬計(jì)算的參數(shù)分析

彌 勇 李文杰

（中國寰球工程公司，北京 100029）

經(jīng)驗(yàn)交流

火炬計(jì)算的參數(shù)分析

彌 勇 李文杰

（中國寰球工程公司，北京 100029）

通過對化工裝置中火炬的計(jì)算，分析了火炬計(jì)算中影響高空火炬高度和直徑的主要參數(shù)；對國內(nèi)目前應(yīng)用較少的地面火炬的計(jì)算進(jìn)行了初步探討。結(jié)果表明，影響火炬計(jì)算結(jié)果的最主要的因素為火炬氣流量以及人為規(guī)定的熱輻射強(qiáng)度等，在排放量為200 t/h、熱輻射強(qiáng)度為1.58 kW/m2要求下，高空火炬煙囪直徑和高度分別約為0.82 m和60 m；地面火炬的安全距離必須大于30.3 m。

火炬；高度；熱輻射強(qiáng)度；安全距離

火炬適用于處理石油化工廠、煉油廠發(fā)生事故時(shí)或者正常生產(chǎn)排放大量易燃、有毒、有腐蝕性的氣體時(shí)的設(shè)計(jì)。火炬系統(tǒng)通常由分離罐、密封罐和火炬筒體等組成。按照燃燒器是否遠(yuǎn)離地面，型式可以分為高空火炬和地面火炬[1]。

環(huán)保的要求使得化工裝置中對環(huán)境有危害的排放氣的排放更加的嚴(yán)格，相應(yīng)的規(guī)模擴(kuò)大意味著火炬設(shè)計(jì)需要不斷的完善。

在熄滅火炬、回收燃?xì)?、減少火炬數(shù)量等方面，國內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)者已經(jīng)作了很多的工作。本文針對火炬計(jì)算中的相關(guān)步驟，對影響火炬計(jì)算結(jié)果的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格地比較分析[2]。

1 高空火炬

高空火炬燃燒器遠(yuǎn)離地面，采用豎立的火炬筒體將燃燒器（火炬頭）高架于空中，火炬氣通過筒體進(jìn)入燃燒器，然后進(jìn)入大氣。當(dāng)火炬設(shè)計(jì)處理量高于30 t/h時(shí)，采用高空火炬（減少地面熱輻射強(qiáng)度，有利于熱量擴(kuò)散）。

現(xiàn)行的火炬計(jì)算執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有SH 3009—2001和HG/T 20570—95，2者的基本原理是一致的，本文采用HG/T 20570—95進(jìn)行火炬的計(jì)算[3-4]。

計(jì)算實(shí)例參數(shù)：均取排放到火炬的氣體的最大值?；鹁鏆獾呐欧帕繛?00 t/h，平均相對分子質(zhì)量為20，溫度為180℃，絕熱指數(shù)為1，熱值為 8 kJ/kg，火炬頂部內(nèi)側(cè)壓力為103 kPa。當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速為30 m/s。

1.1 煙囪直徑

馬赫數(shù)的選?。喊凑帐鹿示o急排放考慮，取值為0.5以下。本文考慮取值0.45。

煙囪直徑的計(jì)算公式如下[3]：

式中，qm為火炬氣排放質(zhì)量流量，p為火炬頂部內(nèi)側(cè)火炬氣的壓力，Mach為馬赫數(shù)，M為火炬氣的平均相對分子質(zhì)量，T為火炬氣溫度，k為火炬氣的絕熱指數(shù)。該計(jì)算公式中，可以看出，對火炬煙囪直徑影響最大的為火炬氣的質(zhì)量流量。

按前文中給出的數(shù)據(jù)計(jì)算可得，火炬煙囪直徑大約為0.813 8 m，圓整后為0.82 m。

根據(jù)不同的體積流量下的煙囪直徑，可以得到近似的線性關(guān)系，如圖1所示。

隨著化工裝置中，工藝的不斷更新以及燃料氣的回收利用，排放到火炬中的氣體相比落后工藝中的排放已經(jīng)減少。再者，火炬煙囪直徑的持續(xù)增大，帶來的只是裝置成本的增大。

1.2 火焰長度

火焰長度根據(jù)火炬氣的燃燒熱量查表得到?；鹁鏆獾娜紵裏崃坑?jì)算公式為：

Q=hqm。

其中，h為火炬氣的質(zhì)量焓。本文中，查表得到的火焰長度為45 m。根據(jù)不同的質(zhì)量流量得到不同的火焰長度，其線性關(guān)系如圖2。

1.3 煙囪高度

火炬煙囪高度的計(jì)算公式如下：

式中，R為無障礙區(qū)域半徑，D為火焰中心到地面邊界的距離；△X和△Y分別為火焰橫向和縱向偏距，可由查表得到。本例中得到的火炬高度為60 m（熱輻射強(qiáng)度為 1.58 kW/m2）。

在火炬高度的計(jì)算過程中，需要人為決定的關(guān)鍵性參數(shù)為最大熱輻射強(qiáng)度，該參數(shù)直接影響著火焰中心到地面邊界的距離，也就是影響著在安全距離之內(nèi)人員可操作的時(shí)間等因素。

化工對熱輻射強(qiáng)度一般規(guī)定如表1所示。

表1中規(guī)定的數(shù)值已經(jīng)考慮了當(dāng)?shù)氐奶枱彷椛鋸?qiáng)度。

不同的熱輻射強(qiáng)度直接影響著火炬煙囪的高度，本文中，根據(jù)不同的熱輻射強(qiáng)度計(jì)算得到的火炬煙囪高度是不同的，根據(jù)其相應(yīng)關(guān)系得到如圖3所示的關(guān)系圖。

由圖3可以看出，隨著熱輻射強(qiáng)度的不斷增加，火炬煙囪高度是不斷降低的。其原因是因?yàn)殡S著熱輻射強(qiáng)度的增大，操作人員在此的操作時(shí)間不斷減少，甚至不允許其進(jìn)入。

高空火炬雖然計(jì)算、設(shè)計(jì)等在國內(nèi)比較完善，但是在安全和環(huán)保方面存在很多的問題：噪音大、燃燒不完全（無法保證大量火炬氣在瞬間內(nèi)完全燃燒，從而形成黑煙，尤其是在事故緊急排放時(shí)情況更加嚴(yán)重，對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染）、火焰光污染、火炬點(diǎn)火困難、處理負(fù)荷范圍小、較高的運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)困難以及占地面積較大。相比之下，地面火炬具有很好的優(yōu)勢（噪音低、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)簡便等）。

2 地面火炬

地面火炬燃燒器位于地面以下。當(dāng)火炬設(shè)計(jì)排放量較小，一般低于30 t/h時(shí)，而且要考慮光和噪音的干擾時(shí)，采用地面火炬。

表1 熱輻射強(qiáng)度對照[3]Tab1 Heat radiation intensity comparsion

針對地面火炬的計(jì)算，國內(nèi)目前尚未查詢到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)性計(jì)算方法。國內(nèi)設(shè)計(jì)制造地面火炬的廠家均是以成套設(shè)備的形式承包，技術(shù)推廣應(yīng)用在國內(nèi)不是很普遍。介紹地面火炬的文獻(xiàn)也只有API521以及API537等外文文獻(xiàn)[5-6]。

計(jì)算所需參數(shù)與高空火炬所需提供的參數(shù)基本一致。

2.1 熱輻射以及安全距離

廢氣燃燒時(shí)，一部分產(chǎn)物以輻射熱的形式輻射到周圍的環(huán)境中，地面火炬設(shè)計(jì)重要條件是要考慮到熱輻射。輻射熱來自火炬燃燒的熱輻射，包括水蒸汽、二氧化碳和煙灰顆粒。國內(nèi)應(yīng)遵循的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有 SH 3009—2000、HG/T 20570—95；國外 API標(biāo)準(zhǔn)：安全區(qū)域＜1.58 kW/m2，防護(hù)距離 1.58～4.5 kW/m2，防護(hù)區(qū)域 4.5～6.3 kW/m2，嚴(yán)重致死區(qū)域＞6.3 kW/m2[5-6]。

本文根據(jù)1.58 kW/m2來考慮。同樣采用高空火炬計(jì)算時(shí)所用的排放氣參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)輻射強(qiáng)度K=6.3 kW/m2，大氣傳送系數(shù)C假定為1.0，熱輻射系數(shù)F選為0.3，Q為釋放的熱量，計(jì)算得到地面火炬散熱中心到物體的距離D為30.3 m，即所考慮的最小安全距離為30.3 m。

2.2 地面火炬其他設(shè)計(jì)參數(shù)要求

地面火炬系統(tǒng)要將氣體放空燃燒火焰完全控制在防輻射隔熱罩內(nèi)，盡量讓外界看不到火焰，以最大限度地減少熱輻射、噪音對工作人員和周圍設(shè)備的影響?；鹧娴拈L度計(jì)算與高空火炬的計(jì)算方法是一

致的?？筛鶕?jù)此計(jì)算參數(shù)選擇隔熱罩的高度。

3 結(jié)論

1)計(jì)算過程中，影響火炬計(jì)算結(jié)果的最主要的因素為火炬氣流量以及人為規(guī)定的熱輻射強(qiáng)度等。熱輻射強(qiáng)度的選取是根據(jù)設(shè)計(jì)中規(guī)定的操作人員的安全距離而決定的。

2)隨著火炬氣流量的增大，火炬煙囪直徑以及火焰長度逐漸增大。排放量為200 t/h的情況下，火炬煙囪直徑大約為0.82 m；隨著熱輻射強(qiáng)度的增大，火炬煙囪高度不斷減少，本例中，熱輻射強(qiáng)度如果需要達(dá)到1.58 kW/m2的要求，火炬高度大約為60 m。

3)針對目前國內(nèi)無標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算的地面火炬進(jìn)行了初步的計(jì)算探討，排放量為200 t/h情況下，熱輻射強(qiáng)度為1.58 kW/m2要求下，安全距離必須大于30.3 m。

[1]王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊:第四卷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:632.

[2]陳剛,夏景峰.醋酸裝置火炬頭的低噪無煙化改造[J].2007,14(2):60-62.

[3]SH 3009—2001石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]2001.HG/T 20570—95火炬系統(tǒng)設(shè)置[S].

[5]API STD 537—2008 Flare Details for General Refinery and Pe[S].

[6]API 521—2007 Pressure-relieving and Depressuring Systems[S].

Parameters Analysis of Torch Computation

Mi Yong,Li Wenjie

(China Huanqiu Contracting&Engineering Corp,Beijing,100029)

s:Through computation of torch,some key parameters which affect the upper air torch altitude and the diameter are analyzed.Results show the most important factors which affect torch computation are air current of the torch and man-made thermo radiant intensity.Under discharge amount 200 t/h,thermo radiant intensity 1.58 kW/m2,diameter and altitude of the high altitude torch chimney are 0.82 m and 60 m,respectively;safety distance of the ground torch must exceed 30.3 m.

torch;height;thermo radiant intensity;safety distance

TQ052.73

BDOI10.3969/j.issn.1006-6829.2010.02.015

2010-01-22；

2010-02-15