高架火炬的應(yīng)用

莫 佩 張富國(guó)

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉(xiāng)453731)

河南心連心化肥有限公司是以生產(chǎn)尿素、甲醇和熱電聯(lián)產(chǎn)一體化的股份公司。其原料結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目是目前為止承擔(dān)的最大規(guī)模的合成氨項(xiàng)目，即以煤為原料，采用水煤漿加壓氣化技術(shù)的大型合成氨及國(guó)產(chǎn)CO2汽提尿素工藝的全套新建裝置。整套裝置包括空分、氣化、合成、尿素等23個(gè)主系統(tǒng)。根據(jù)此23個(gè)主系統(tǒng)工藝進(jìn)行分析，必須設(shè)置1套火炬系統(tǒng)作為該裝置生產(chǎn)、事故排放及配套的安全設(shè)施，以保證項(xiàng)目相關(guān)裝置在開(kāi)、停車(chē)狀態(tài)，正常狀態(tài)及事故狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的放空氣能及時(shí)、安全、可靠地放空燃燒，并滿(mǎn)足熱輻射、有害氣體排放濃度等環(huán)保要求。

1 火炬系統(tǒng)的基本配置

本項(xiàng)目火炬系統(tǒng)采用高架火炬，火炬總高70 m，塔架高度65 m。整套火炬系統(tǒng)分為事故火炬、酸性氣火炬和氨火炬系統(tǒng)。事故火炬用于焚燒處理在氣化爐開(kāi)工、事故、緊急、非正常生產(chǎn)工況下產(chǎn)生的易燃和有毒氣體；酸性氣火炬用于焚燒處理在正常、事故、緊急、非正常生產(chǎn)工況下產(chǎn)生的酸性氣體及裝置運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的常排氣體；氨火炬用于焚燒處理在正常、事故、緊急、非正常生產(chǎn)工況下產(chǎn)生的含氨氣體；排放氣分4路(其中1路為低溫氨排放氣)分別進(jìn)入火炬排放系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)各自的獨(dú)立排放管線(xiàn)進(jìn)行燃燒放空，4路排放氣筒體采用同一座塔架支撐。事故火炬設(shè)置水封分液罐和分子密封器各1臺(tái)，酸性氣火炬和氨火炬分別設(shè)阻火器和流體封各1臺(tái)。

2 火炬系統(tǒng)簡(jiǎn)要說(shuō)明

(1)事故火炬系統(tǒng)。事故火炬氣進(jìn)入界區(qū)后經(jīng)分液罐、水封罐、火炬筒體在火炬頭燃燒排放。

(2)氨火炬系統(tǒng)。冷、熱氨火炬氣進(jìn)入界區(qū)后分別經(jīng)阻火器進(jìn)入冷、熱氨火炬筒體在各火炬頭燃燒排放。

(3)酸性氣火炬系統(tǒng)。酸性火炬氣進(jìn)入界區(qū)后經(jīng)水封分液罐、阻火器、火炬筒體在火炬頭燃燒排放。

(4)燃料氣系統(tǒng)。燃料氣進(jìn)入界區(qū)后作為長(zhǎng)明燈，高空、地面點(diǎn)火器及助燃燃料氣的氣源。

(5)儀表空氣系統(tǒng)。來(lái)自外網(wǎng)的儀表空氣，除滿(mǎn)足儀表用氣外，同時(shí)進(jìn)入地面點(diǎn)火器，作混合爆燃用空氣。

(6)氮?dú)庀到y(tǒng)。氮?dú)庾鳛榛鹁娣肿用芊馄髅芊饨橘|(zhì)，用于防止回火及系統(tǒng)吹掃。

(7)生產(chǎn)水系統(tǒng)。生產(chǎn)水用于維持水封分液罐液位。

(8)凝液系統(tǒng)。開(kāi)工事故火炬水封分液罐內(nèi)的凝液經(jīng)凝液泵加壓送出界區(qū)集中處理。

3 工藝計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)能力的確定

按不考慮任何工況同時(shí)發(fā)生為原則，確定設(shè)計(jì)能力：事故火炬設(shè)計(jì)能力為氣化系統(tǒng)事故排放氣443 305 m3/h(標(biāo)態(tài))；冷氨火炬設(shè)計(jì)能力為氨罐區(qū)排放氣7 250 m3/h(標(biāo)態(tài))；熱氨火炬設(shè)計(jì)能力為氨冷凍冷源中斷排放氣3 774.8 m3/h(標(biāo)態(tài))；酸性氣火炬設(shè)計(jì)能力為低溫甲醇洗系統(tǒng)排放氣6 219 m3/h(標(biāo)態(tài))。

3.2 火炬直徑的確定

按火炬設(shè)計(jì)處理能力計(jì)算，開(kāi)工事故火炬直徑為DN 1 300 mm，馬赫數(shù)為0.140 3；冷氨火炬直徑為DN 250 mm，馬赫數(shù)為0.091 9；熱氨火炬直徑為DN 600 mm，馬赫數(shù)為0.164 1；酸性氣火炬直徑為DN 250 mm，馬赫數(shù)為0.130 6。

3.3 火炬高度的確定

(1)按熱輻射計(jì)算。對(duì)火炬高度的確定主要依據(jù)是地面熱輻射強(qiáng)度，且不考慮太陽(yáng)熱輻射影響，僅考慮火炬氣的燃燒對(duì)距離火炬頭任意處的所產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度。取全年平均風(fēng)速2.13 m/s、全年平均氣溫14.7 ℃、歷年平均相對(duì)濕度67%、平均氣壓100.807 kPa為計(jì)算氣象參數(shù)，不考慮任何工況排放氣同時(shí)排放燃燒的可能性，以對(duì)地面產(chǎn)生的最大熱輻射值≤1.58 kW/m2為指標(biāo)進(jìn)行控制。經(jīng)核算，氣化系統(tǒng)水洗塔間斷排放火炬氣時(shí)燃燒對(duì)地面熱輻射最大，計(jì)算得到火炬總高為40 m。

(2)有毒有害物排放速率計(jì)算。按低溫甲醇洗系統(tǒng)間斷排放火炬氣3 774.8 m3/h(標(biāo)態(tài))、硫化氫體積分?jǐn)?shù)40.68%(各股排放氣中硫化氫體積分?jǐn)?shù)最大值)、火炬頭燃盡率99.50%計(jì)，硫化氫排放速率為11.65 kg/h。根據(jù)GB 14554—1993《惡臭污染排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，可得火炬總高度為70 m。

綜合考慮熱輻射及有毒有害物排放速率，確定火炬總高度為70 m。

4 裝置運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題

(1)自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)燃率未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)燃率偏低，與設(shè)計(jì)值100%差距較大，不能保證火炬頭處的長(zhǎng)明燈100%被點(diǎn)燃。

(2)水封分液罐水位偏高。生產(chǎn)運(yùn)行中，水封分液罐水位偏高，甚至還有充滿(mǎn)水的可能，污油泵不能及時(shí)排除分液罐中分出的液體。

(3)有輕微的火雨現(xiàn)象。火炬塔架上方有輕微的火雨順風(fēng)飄下。

(4)事故火炬管線(xiàn)排氣不通暢。事故火炬排放主管管壁有一些結(jié)晶，尤其是氨合成放空總管與事故火炬排放管接口處結(jié)晶較多，堵塞管道，致使排氣不暢。

(5)水封分液罐出口管道抗振動(dòng)能力差。水封分液管出口排氣管線(xiàn)振動(dòng)較大。

5 原因分析

(1)燃料氣的影響。本火炬系統(tǒng)開(kāi)車(chē)采用半水煤氣作為燃料氣。半水煤氣由老裝置供應(yīng)，采用管道輸送，壓力≤2.4 MPa(表壓)；半水煤氣組成(體積分?jǐn)?shù))：H243.0%，N217.6%，CO 29.0%，CO28.5%，CH4+Ar 1.5%，O20.4%。從半水煤氣的組成可看出，半水煤氣具備了燃燒的基本條件。實(shí)際上，該半水煤氣的成分受生產(chǎn)工況波動(dòng)影響，有時(shí)半水煤氣的質(zhì)量可能更差，甚至帶水，以至于點(diǎn)燃比較困難，即便是能夠點(diǎn)燃也因?yàn)闊嶂递^低而容易熄火，所以，影響了自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)燃率。

(2)排放氣成分存在偏差。生產(chǎn)裝置開(kāi)車(chē)、停車(chē)及事故工況下，所產(chǎn)生的排放氣成分與設(shè)計(jì)的排放氣成分存在較大偏差，尤其是氣體中的水分含量，排放氣的含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，致使水封分液罐分液能力跟不上，水封分液罐液位偏高，甚至積滿(mǎn)，且出口管線(xiàn)因?yàn)閹б憾駝?dòng)增大，排放至火炬頭的排放氣夾帶液滴，經(jīng)燃燒后有火雨現(xiàn)象產(chǎn)生。

(3)合成氨放空總管排放氣含氨。事故火炬接收了一路來(lái)自于合成氨放空總管的排放氣，理論上這股排放氣成分中不含氨，但實(shí)際生產(chǎn)中，難免會(huì)含有少量的氨，進(jìn)入事故火炬與其他系統(tǒng)排出的氣體中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸氫銨結(jié)晶，堵塞排氣管道。

6 改進(jìn)措施及效果

(1)改善燃料氣的質(zhì)量。盡量穩(wěn)定半水煤氣的質(zhì)量，并在火炬界區(qū)內(nèi)配置配套的燃料氣緩沖裝置，對(duì)燃料氣進(jìn)行緩沖、過(guò)濾并排除多余的水分；再經(jīng)與火炬技術(shù)商溝通，重新調(diào)整燃料氣的配比，經(jīng)多次點(diǎn)火試驗(yàn)，最終保證了火炬點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)燃率達(dá)到100%的理想指標(biāo)。

(2)降低進(jìn)界區(qū)的排放氣中水含量。針對(duì)火炬排放氣中水含量過(guò)高的情況進(jìn)行分析論證、查找原因，最終決定對(duì)火炬排放氣管網(wǎng)進(jìn)行改造，即在從火炬氣排放總管的源頭到火炬界區(qū)中間的管網(wǎng)部分，分段增設(shè)分液裝置(即在火炬氣外管網(wǎng)處每隔一段距離設(shè)置1套分液裝置，共設(shè)置4套)，逐漸分離出管網(wǎng)中的排放氣夾帶的水分以及排放氣在較長(zhǎng)的運(yùn)輸管道中運(yùn)輸過(guò)程中冷凝產(chǎn)生的水，以降低排放氣中水含量，減輕水封分液罐的負(fù)荷，以保證在送至塔架之前能夠徹底分離掉氣體中的水分。

(3)優(yōu)化事故火炬的工藝流程。將合成氨放空總管的排放氣由原排至事故火炬總管改為排至氨火炬總管，避免了產(chǎn)生碳酸氫銨結(jié)晶而堵塞排放管線(xiàn)。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)火炬系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)，目前火炬系統(tǒng)運(yùn)行正常，火炬自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火率可達(dá)100%；優(yōu)化火炬氣工藝流程，火炬氣排放管線(xiàn)暢通且進(jìn)入火炬界區(qū)內(nèi)的水分大大減少，再經(jīng)界區(qū)內(nèi)的水封分液罐分離水分，氣體沿火炬筒體排至火炬頭，完全杜絕了下火雨現(xiàn)象；同時(shí)，水封分液罐出口氣體管線(xiàn)振動(dòng)大和火炬氣排放管線(xiàn)結(jié)晶、堵塞的問(wèn)題也得到了解決，火炬系統(tǒng)的各項(xiàng)工藝消耗均控制在指標(biāo)范圍內(nèi)。