封閉式地面火炬大型化應(yīng)用

李逸峰，何松，湯雪美

（江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，南京 210009）

火炬氣是石油化工行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣，屬于易燃易爆有毒有害氣體，不能直接排放，需要使用火炬排放裝置進(jìn)行收集和處理。近年來，隨著石油化工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，裝置的排放量也越來越大，為了克服高架火炬自身的安全穩(wěn)定性、檢修的方便性、安全防護(hù)距離等問題，現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)開始使用地面火炬作為石油化工企業(yè)主要廢氣的排放處理裝置。相對高架火炬，地面火炬具有占地面積小、燃盡率高、檢修方便、無光污染、噪音低、熱輻射小等特性。由于要求地面火炬裝置處理廢氣的能力越來越高，如何在保證安全性和可靠性的前提下，提高地面火炬處理廢氣的能力并解決由此帶來的各種問題成為亟待解決的問題。

1 地面火炬簡介

某石化企業(yè)其地面火炬最大設(shè)計廢氣排放量為240t/h，由于廢氣排放成分復(fù)雜，既有高壓火炬氣又有超低壓火炬氣，既有常規(guī)烴類氣體又有腐蝕性氣體。經(jīng)反復(fù)論證地面火炬系統(tǒng)的基本設(shè)置如下：

（1）設(shè)置兩座地面火炬（A、B），單座最大處理能力為120t/h。

（2）每座火炬燃燒塔直徑為12.6m，高30m，防風(fēng)消音墻直徑為18m，高度為6m。

（3）在A火炬筒體內(nèi)設(shè)有PTMEG裝置專用燃燒器。

（4）高壓火炬氣分9級，設(shè)有180套燃燒器，其中1級、2級、4級、6級、8級設(shè)于B火炬內(nèi)，裝有90套燃燒器。1級（備）、3級、5級、7級、9級設(shè)于A火炬內(nèi)，同樣安裝90套燃燒器。

圖1 某新建地面火炬全貌

（5）PTMEG裝置火炬分2級，設(shè)有6套專用燃燒器，安裝于A火炬內(nèi)。

（6）B火炬中低壓火炬燃燒器及高壓第一級燃燒器可互為備用。

2 地面火炬大型化設(shè)計采取的創(chuàng)新措施及效果

2.1 改善內(nèi)部通風(fēng)條件

通過流體力學(xué)計算，地面火炬燃燒塔的進(jìn)風(fēng)絕大部分是利用地面火炬燃燒塔的高度和廢氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獾陌瘟?，在燃燒塔底部風(fēng)口自然吸風(fēng)。燃燒塔根據(jù)排放量的大小自然調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，進(jìn)風(fēng)相當(dāng)于一個完善的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。但是，當(dāng)火炬氣排放量超過一定流量后，由于塔內(nèi)煙風(fēng)流動特性變差，不能滿足燃燒的自吸進(jìn)風(fēng)要求。同時由于燃燒器數(shù)量的增加，抽吸的空氣大部分在燃燒塔外圍就被消耗或者被熱煙氣卷吸向上，難以進(jìn)入燃燒塔中心區(qū)域，這是限制地面火炬處理量提高的一個主要原因。為了提高地面火炬的燃燒效率和消煙性能，采取以下措施來改善中心通風(fēng)效果。

（1）適當(dāng)抬高燃燒器安裝高度。抬高燃燒器安裝高度可以增加地面火炬底部通風(fēng)面積，以儀化地面火炬為例，燃燒器安裝高度在原來基礎(chǔ)上適當(dāng)提高，即可在其他條件不變的情況下增加底部通風(fēng)面積約20%。數(shù)值模擬計算的結(jié)果表明，適當(dāng)抬高燃燒器安裝高度能夠明顯改變底部空氣流場，有效改善地面火炬燃燒塔中心區(qū)域供氧不足的問題。

（2）增加二次通風(fēng)口。常規(guī)地面火炬燃燒塔設(shè)有4～8個二次通風(fēng)口，考慮到本項目火炬氣排放量大和熱值較高的因素，在每臺地面火炬燃燒塔上設(shè)置13個二次通風(fēng)口，同時將二次通風(fēng)口的垂直位置適當(dāng)下移。這樣不但可以增加二次風(fēng)的吸入量，促進(jìn)高熱值火炬氣的充分燃燒，而且能夠減少熱煙氣對二次風(fēng)的干擾，促使二次風(fēng)能夠更多的進(jìn)入地面火炬中心燃燒區(qū)域。

（3）利用條形燃燒器安裝基礎(chǔ)形成空氣導(dǎo)流槽。為了確?？諝庠诘孛婊鹁嫒紵撞苛鲃拥捻槙?，減少流動阻力，巧妙地將原燃燒器各自分散的獨立基礎(chǔ)改進(jìn)為條狀基礎(chǔ)，形成條狀的通道，可極大地減小空氣在其中的流動阻力。在同樣的抽吸力（燃燒后的熱煙氣產(chǎn)生）的情況下，可以增加空氣的抽吸量。燃燒器基礎(chǔ)形成空氣導(dǎo)流槽如圖2所示。

通過采取上述措施對燃燒塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而改善進(jìn)氣的空間分布，提高燃燒中心缺氧區(qū)的供氧量，達(dá)到提高燃燒塔燃燒效率和降低能耗的目的。

圖2 燃燒器基礎(chǔ)形成空氣導(dǎo)流槽

2.2 交叉分級設(shè)置

本項目設(shè)有A、B兩座地面火炬，為了降低非事故大排放時單座火炬的負(fù)荷，各級燃燒系統(tǒng)在A、B兩座火炬之間采取交叉布置，即各級分布方式為：第1級、第2級、第4級、第6級、第8級設(shè)于B火炬內(nèi)；第1級（備）、第3級、第5級、第7級、第9級設(shè)于A火炬內(nèi)共90套燃燒器。這樣的分布可以避免單臺地面火炬燃燒塔長時間工作在較高負(fù)荷狀態(tài)，有效延長地面火炬整體使用壽命。

2.3 隔熱保溫措施的優(yōu)化

由于處理量大和熱值高導(dǎo)致火炬氣事故大排放時燃燒塔內(nèi)部熱流強(qiáng)度較高，在這種情況下，積極采取多重措施保證燃燒塔鋼制壁面不超溫，確保燃燒塔的強(qiáng)度和使用壽命不受影響。同時在最大排放工況時保證外壁溫度不高于80℃，避免人員發(fā)生燙傷事故。

2.3.1 燃燒塔采用近壁面風(fēng)冷措施

通過詳細(xì)的計算設(shè)計，決定在最外圈燃燒器與燃燒塔壁面之間預(yù)留最優(yōu)化的冷卻間距，使適量的冷空氣在燃燒塔壁面附近形成向上的附壁流，達(dá)到近壁面風(fēng)冷的效果，阻斷火焰直接舔燒和高溫?zé)釤煔鈱θ紵?nèi)壁的沖擊，有效降低燃燒塔內(nèi)壁區(qū)域溫度，確保或延長地面火炬的使用壽命。

據(jù)此建立的數(shù)值模型及數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在最大排放工況下燃燒中心溫度達(dá)到1850℃左右時，由于采取近壁面風(fēng)冷措施，燃燒塔內(nèi)壁附近溫度可穩(wěn)定在620℃左右。

圖4 燃燒塔壁面溫度分布

2.3.2 應(yīng)用耐火磚—高鋁纖維板模塊復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步降低燃燒塔外壁溫度，在燃燒塔鋼制外壁內(nèi)側(cè)，采用耐火磚—高鋁纖維板模塊為復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)。位于最內(nèi)側(cè)的耐火磚不但可以抵御2000℃以上的高溫，同時具有良好的保溫效果。耐火磚與燃燒塔鋼制外壁之間為厚度100mm的高鋁纖維材料，其導(dǎo)熱系數(shù)≤0.156W/（m·k）。通過該復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，在燃燒塔內(nèi)側(cè)溫度為720℃時，其外壁溫度小于80℃，可有效杜絕人員發(fā)生意外燙傷的情況。

圖5 風(fēng)速為5m/s時燃燒塔壁面的徑向溫度曲線

圖6 風(fēng)速為8 m/s時燃燒塔壁面的徑向溫度曲線

2.4 點火系統(tǒng)優(yōu)化及冗余設(shè)計

點火系統(tǒng)是整個地面火炬系統(tǒng)中最關(guān)鍵和重要的系統(tǒng)，由于地面火炬相對于高架火炬不具備高空擴(kuò)散的優(yōu)勢，因此，為了確保地面火炬點火系統(tǒng)的絕對安全可靠，我們采取了以下兩個措施。

（1）點火器冗余設(shè)置。為保證點火系統(tǒng)的絕對可靠，不但每一級燃燒系統(tǒng)配備獨立的點火器和長明燈，而且針對使用頻率較高的低壓火炬氣燃燒系統(tǒng)、PTMEG火炬氣燃燒系統(tǒng)、事故火炬第1級燃燒系統(tǒng)均設(shè)置雙點火器。

（2）交叉?zhèn)餮?。交叉?zhèn)餮媸侵咐萌紵髁切蔚奶攸c，將所有燃燒器按棱形布置，如圖7所示。這樣的布置方法可以使每一臺燃燒器均可以接受周圍六臺燃燒器的火焰?zhèn)鬟f，也就是說只要有一臺燃燒器處于燃燒狀態(tài)其它六臺燃燒器同樣可以被引燃。從某種意義上說，任何一臺點燃的燃燒器都可起到長明燈的作用。通過這種布置方式，在火炬氣大量排放時，任何一臺長明燈可以將任何一級燃燒系統(tǒng)的任何一臺燃燒器點燃，就能夠迅速將火焰?zhèn)鞅檎麄€地面火炬的所有燃燒器，從而保證點火安全。

圖7 燃燒器交叉?zhèn)餮媸疽鈭D

2.5 其他措施

為了適應(yīng)地面火炬大型化的要求，提高其性能，除了上述改進(jìn)措施，還采取了一些輔助措施。

（1）對長明燈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大幅提高長明燈的抗風(fēng)和抗雨性能。

（2）地面火炬控制系統(tǒng)獨立設(shè)置一套全冗余控制系統(tǒng)，并高配西門子S7-400H系統(tǒng)，同時滿足SIL3等級要求。

（3）采用進(jìn)口氣動閥作為地面火炬分級閥，大大縮短閥門響應(yīng)時間。直徑DN 300（含）以上的分級閥開關(guān)時間小于5 s，直徑DN 300以下的的分級閥開關(guān)時間小于1 s。

（4）開發(fā)了專用于超低壓火炬氣處理的薄壁式專用低壓燃燒器，以適應(yīng)火炬氣排放壓力低的情況。

3 結(jié)語

綜上所述，為適應(yīng)地面火炬處理量不斷增加的需求，結(jié)合某企業(yè)新建大型化地面火炬項目，對該大型化地面火炬在建設(shè)中進(jìn)行了數(shù)十項技術(shù)革新，使其適應(yīng)處理大量火炬氣、高熱值及同時多排放系統(tǒng)并存的特點，提高地面火炬排放裝置的燃盡率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

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