大型化工裝置火炬系統(tǒng)防回火技術(shù)的研究與探討

高元

（山西焦煤集團(tuán)飛虹化工股份有限公司，山西 洪洞041606）

山西焦煤60萬噸／年烯烴項(xiàng)目是2010年9月太原能博會期間，山西焦煤與神華集團(tuán)擬定合作建設(shè)的4000萬噸級“煤焦化”循環(huán)經(jīng)濟(jì)一體化項(xiàng)目中的重點(diǎn)突破項(xiàng)目。該項(xiàng)目是以甲醇為原料，通過甲醇轉(zhuǎn)化制烯烴、烯烴分離、烯烴轉(zhuǎn)化、烯烴聚合等工藝過程生產(chǎn)聚乙烯、聚丙烯產(chǎn)品的大型化工項(xiàng)目。項(xiàng)目配套火炬系統(tǒng)用于各裝置放散氣的處理，承擔(dān)可燃?xì)怏w事故、開停車及檢修時(shí)的放空任務(wù)。

本火炬系統(tǒng)分為兩部分：①全廠性火炬系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理各裝置開停車工況、正常工況及事故工況下排放的可燃性氣體；②檢修火炬，負(fù)責(zé)處理各裝置停車時(shí)，各罐區(qū)安全閥排放的可燃性氣體?；鹁嫦到y(tǒng)的設(shè)計(jì)要確保將正常工況和事故工況下各裝置排放的火炬氣充分燃燒，從而使易燃和有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗己蜔o害物質(zhì)，保證各裝置生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。火炬的設(shè)置嚴(yán)格執(zhí)行國家及行業(yè)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)計(jì)本著節(jié)省投資、減少占地、提高經(jīng)濟(jì)效益且便于生產(chǎn)等原則進(jìn)行，并力求技術(shù)先進(jìn)、可靠、操作簡單、靈活，完全滿足安全、環(huán)保、健康、節(jié)能的要求。

目前火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所執(zhí)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)一般為API 521—2007《Guide for Pressure－Relieving and Depressuring Systems》［1］、API 537《Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service》［2］、SH 3009—2001《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］、HG／T 20570.12—95《火炬系統(tǒng)設(shè)置》［4］。以上規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)均以早期相對小型化工裝置安全運(yùn)行數(shù)據(jù)為其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本次研究探討的目的是以現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為理論計(jì)算依據(jù)，以目前大型化工裝置火炬系統(tǒng)所出現(xiàn)的問題為參考，對火炬系統(tǒng)防回火措施進(jìn)行有針對性的計(jì)算分析，為火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供參考。

1 火炬系統(tǒng)的回火的發(fā)生機(jī)理及危害

火炬系統(tǒng)回火現(xiàn)象是指火焰返回到火炬頭或火炬筒體內(nèi)燃燒或爆炸的現(xiàn)象。當(dāng)火炬氣噴出速度（ug）小于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋╱t）即ug＜ut時(shí)，回火現(xiàn)象產(chǎn)生。表1為幾種氣體在與空氣混合時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?］。

湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣冉?jīng)驗(yàn)公式如式（1）。

式中，ut為湍流速度；u′為脈動速度；ul為層流速度。

由于火炬頭屬于特殊形式的燃燒器，火炬頭出口直徑以火炬氣最大事故放空量設(shè)計(jì)，而正常工況下火炬氣的流量均較小甚至為零，大直徑火炬頭經(jīng)常會發(fā)生出現(xiàn)回火、燜燒、火炬頭內(nèi)燃甚至爆炸現(xiàn)象。圖1為湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣染€算圖。

2 火炬系統(tǒng)的防回火措施

火炬系統(tǒng)防回火一般有如下措施。

2.1 速度型密封器及分子密封器

火炬密封器可分為速度密封器和分子密封器兩大類，分子密封器又分為倒吊鐘式及迷宮擋板式。以上密封器的基本原理均為在密封器各級折彎或縮口處形成逐級減速擴(kuò)壓效應(yīng)，密封氣體由火炬密封器的下部通入，形成分子氣墊，從而阻止空氣的回流擴(kuò)散。通過火炬密封器能減少密封氣體的消耗量，但并不能取代密封氣體的作用。表2為密封氣體速度。

表1 幾種氣體在與空氣混合時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

圖1 湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣染€算

表2 密封氣體速度

2.2 水封

水封可將火炬系統(tǒng)與上游裝置進(jìn)行有效隔離，水封裝置見圖2。

（1）能滿足排放系統(tǒng)在正常生產(chǎn)條件下有效阻止火炬回火，并確保排放氣體在事故排放時(shí)能沖破水封排入火炬。

（2）對于含有大量氫氣、乙炔、環(huán)氧乙烷等燃燒速度異常高的可燃性氣體，水封高度應(yīng)按式（2）計(jì)算，水封高度應(yīng)大于等于300mm。

（3）對于密度小于空氣的可燃性氣體，水封高度應(yīng)按式（2）計(jì)算，水封高度應(yīng)≥200mm。

（4）對于密度≥空氣的可燃性氣體，水封高度應(yīng)≥150mm。水封計(jì)算式如式（2）。

圖2 火炬系統(tǒng)水封圖

式中，hw為水封高度，m；H為火炬頭出口至地面的垂直距離，m；h為火炬水封液面至火炬頭出口的垂直距離，m；p為火炬頭出口處的壓力，kPa；p1為水封前管網(wǎng)需保持的壓力，kPa；T為可燃性氣體的操作溫度，K；Ta為環(huán)境日平均最低溫度，K；ˉM為可燃性氣體的平均相對分子質(zhì)量。

3 大型化工裝置防回火技術(shù)的探討

近年來，隨著國內(nèi)化工裝置的發(fā)展，大型化工裝置火炬系統(tǒng)防回火技術(shù)也在摸索中不斷地發(fā)展完善。主要體現(xiàn)在以下方面。

3.1 火炬系統(tǒng)優(yōu)化組織防回火

根據(jù)前端工藝裝置火炬氣排放工況特點(diǎn)，對火炬系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化組織，以某煤化工火炬說明如圖3。

圖3 火炬系統(tǒng)優(yōu)化組織

本方案設(shè)常燃硫化氫火炬和甲醇事故火炬，通過水封的作用將火炬總管中正常排放火炬氣及由安全閥、泄壓閥等在正常生產(chǎn)中所泄漏的火炬氣引至常燃硫化氫火炬頭燃燒排放，并通過常燃火焰輔以少量的伴燒氣來保證低熱值火炬氣、酸性氣的穩(wěn)定完全燃燒。

本燃燒系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：①通過設(shè)置常燃硫化氫火炬解決了小流量火炬氣在大直徑甲醇事故火炬頭內(nèi)回火燜燒問題；②硫化氫火炬頭中的常燃火焰為低熱值火炬氣和硫化氫火炬氣提供了穩(wěn)定的燃燒場和著火源，提高了低熱值火炬氣和硫化氫火炬氣的燃盡率并減少了伴燒氣的用量。

系統(tǒng)安全的保證措施如下：①為保證事故最大工況排放時(shí)甲醇事故火炬氣不串入H2S系統(tǒng)管路，硫化氫火炬水封罐內(nèi)保證足夠的存水，水封罐進(jìn)口管路具有足夠的標(biāo)高；②為減小事故火炬氣在事故最大排放水對硫化氫火炬水封的沖擊，連通管采用45°斜接的方式接入硫化氫水封罐后的水平管路；③為防止酸性氣串入事故火炬氣系統(tǒng)，連通管線上設(shè)止回閥；④為防止酸性氣管路產(chǎn)生積鹽而堵塞管路，水封罐后酸性氣管道設(shè)伴熱保溫。

3.2 火炬設(shè)備優(yōu)化防回火

火炬設(shè)備優(yōu)化防回火裝置見圖4。

3.2.1 火炬頭

由于火炬燃燒均屬湍流燃燒，根據(jù)火炬頭湍流燃燒速度經(jīng)驗(yàn)公式（式1），火炬氣湍流燃燒速度與氣體脈動速度成正比。采用合理的分割措施，通過多分火炬頭出口截面，降低氣體脈動速度，是大型火炬頭行之有效的阻火措施。

3.2.2 速度型密封器

作為火炬系統(tǒng)的安全設(shè)備，分子密封器能阻止空氣倒流到火炬筒體內(nèi)，防止發(fā)生回火或爆炸，確保火炬設(shè)施及生產(chǎn)裝置的安全。

圖4 火炬設(shè)備優(yōu)化防回火裝置

傳統(tǒng)的倒吊鐘式分子封由于其特定的鐘罩結(jié)構(gòu)，易發(fā)生由于鐘罩脫落和積水引發(fā)的火炬系統(tǒng)憋壓的安全事故（某石化廠發(fā)生過由于分子封鐘罩脫落而引發(fā)的裂解爐火災(zāi)事故，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2億元人民幣）。另外，分子密封器還有易積灰、積水、結(jié)凍而堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，速度型密封器在大型化工裝置，尤其在大型煤化工裝置中得到了廣泛應(yīng)用，通過優(yōu)化其內(nèi)部輪廓流線，能有效降低火炬氣流動阻力和提高阻火密封效果。

3.2.3 閥式水封罐

目前石油化工裝置大型化火炬系統(tǒng)帶來的重要課題之一是事故大排放時(shí)，有效水封水從水封段全部排入蓄水段，如不及時(shí)補(bǔ)水，使得系統(tǒng)存在很大的安全隱患。

實(shí)踐證明，閥式水封罐對解決大型火炬排放系統(tǒng)水封罐失水問題是行之有效的。

閥式水封罐結(jié)合水封罐及閥門切斷優(yōu)缺點(diǎn)，閥式水封罐一般由罐體、內(nèi)有效水封段、排水蓄水段雙層密封組成。火炬氣燃燒排放／回收裝置可用閥式水封罐進(jìn)行切換，閥式水封罐的水封高度可按系統(tǒng)水力工況進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整范圍高達(dá)15000Pa，在回收運(yùn)行時(shí)，閥式水封罐按設(shè)定水封值運(yùn)行——該水封值按各種排放工況不同，可在6000～15000Pa甚至更高水封值運(yùn)行。保證回收氣柜的安全運(yùn)行及有效防止火炬頭內(nèi)部小流量排放燃燒，防止火炬筒閃爆并延長火炬頭壽命。一旦需要排放時(shí)［進(jìn)口管排放信號（壓力、溫度、流量達(dá)到一定設(shè)定值）］，閥式水封罐進(jìn)口壓力達(dá)到設(shè)定值，報(bào)警、連鎖內(nèi)外筒連通閥開，有效水封值降至200～300mm，保證氣柜避免抽癟的隱患并使放空氣低阻力排放。閥式水封罐內(nèi)筒有效水封段水在數(shù)秒內(nèi)泄至水蓄水段，使系統(tǒng)恢復(fù)轉(zhuǎn)換至到原燃燒排放狀態(tài)，經(jīng)總調(diào)確認(rèn)事故排放結(jié)束后，手動關(guān)內(nèi)外筒連通閥，開緊急補(bǔ)水開關(guān)閥，恢復(fù)正常運(yùn)行、火炬氣回收狀態(tài)。蓄水段水可人為控制用2～10min時(shí)間排向罐外，閥式水封罐組一般設(shè)帶自動控制閥的有效水封段、排水蓄水段連通管、安全排水水封、防震、防凍保護(hù)，連通自動控制閥可就地也可在控制室操作措施。

3.2.4 火炬系統(tǒng)密封氮?dú)饩o急吹掃

當(dāng)高溫放空氣體排放結(jié)束后會導(dǎo)致這個火炬氣放空系統(tǒng)產(chǎn)生冷縮，使得空氣沿火炬頭回抽進(jìn)入火炬系統(tǒng)。在火炬總管上設(shè)置低壓力報(bào)警、聯(lián)鎖，壓力低報(bào)與火炬總管上的緊急補(bǔ)氮連鎖。當(dāng)高溫放空氣體排放結(jié)束后，壓力變送器低報(bào)，緊急補(bǔ)氮控制閥就自動連鎖打開，防止火炬總管由于降溫而產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)致空氣擴(kuò)散進(jìn)入火炬內(nèi)部產(chǎn)生安全隱患。

［1］ API 521—2007.Guide for pressure－relieving and depressuring systems［S］.

［2］ API 537.Flare details for general refinery and petrochemical service［S］.

［3］ 尤志平，陳強(qiáng).SH 3009—2001.石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.2002.

［4］ HG／T 20570.12—95.火炬系統(tǒng)設(shè)置［S］.

［5］ 徐旭常，周力行.燃燒技術(shù)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.