高架火炬燃燒熱輻射危害性分析*

李發(fā)東，劉 迪，張杰東

（1.中國石化集團公司安全監(jiān)管部，北京 100728 2.中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104）

0 前言

大型石化裝置的放空火炬系統(tǒng)主要作用是將生產裝置試車、開停車或者事故狀態(tài)時泄放出的大量廢氣進行燃燒處理，從而保證石化生產裝置的安全。事故工況下特別是全廠性停水或者停電事故造成多套裝置緊急泄放大量氣體，火炬燃燒產生的輻射熱可能會對周圍的操作人員、設備以及工藝裝置帶來嚴重的損害，因此評估分析事故狀態(tài)下放空火炬燃燒熱輻射危害后果十分重要。

為了研究事故工況下化工企業(yè)火炬系統(tǒng)排放熱輻射的影響范圍，以某石化企業(yè)的高架火炬系統(tǒng)全廠停電工況為例，采用計算流體力學模型得到改造前后火炬系統(tǒng)排放時的熱輻射云圖、確定熱輻射的危害影響范圍，對企業(yè)火炬系統(tǒng)的改造及火炬系統(tǒng)安全距離的確定具有指導意義。

1 高架火炬系統(tǒng)概況

該石化企業(yè)火炬系統(tǒng)經過多次改造，目前有一、二、三聚丙烯裝置、一、二苯酚裝置、己烷裝置、異戊橡膠裝置、丙烯罐區(qū)等多套裝置火炬氣排放進該火炬系統(tǒng)。火炬系統(tǒng)按輕組分設計，最大事故處理能力為120 t/h，火炬全高約65 m，由底部密封槽、筒體、密封槽、阻火器、燃燒嘴構成。

對目前火炬泄放量進行核算，可知全廠停電事故引起的裝置火炬氣排放量為火炬最大排放量，達到156.9 t/h。而根據(jù)現(xiàn)有火炬排放能力數(shù)據(jù)，按丙烯氣(密度1.913 6 kg/m)核算，火炬氣原設計排放質量流量為120 t/h，小于核算最大排放量156.9 t/h。

根據(jù)最大排放量156.9 t/h對水封罐、火炬頭情況進行核算，核算結果如表1所示，現(xiàn)有水封罐結構尺寸以及火炬頭氣體流量不滿足新的火炬排放量要求，均需要更換。

表1 火炬系統(tǒng)設備核算情況對比

2 CFD模擬計算模型

2.1 物理模型

依據(jù)實際情況建立了該石化企業(yè)高架火炬系統(tǒng)的三維物理模型，包括火炬(火炬高度65 m、火炬噴嘴中心對應地面位置處為坐標(0，0，0)點)、火炬氣水封罐、火炬氣管道、火炬東南部煤倉等，企業(yè)火炬系統(tǒng)位于山頭地勢較高處、周邊相對空曠，如圖1所示。

圖1 企業(yè)高架火炬三維模型

2.2 計算模型

當發(fā)生事故排放時，大量泄放氣通過高架火炬的燃燒器放空，屬于湍流流動。為了描述湍流，采用工程中應用廣泛的k-ε雙方程模型。燃燒模型采用Magnussen提出的渦耗散概念模型(Eddy Dissipation Concept)，即被廣泛應用與燃燒模擬中的EDC模型。熱輻射計算采用Shah和Lockwood提出的離散傳遞模型(Discrete Transfer model)，即DTM模型。

以企業(yè)火炬系統(tǒng)中心對應地面為坐標原點(0，0，0)，計算域取值

X

坐標取-400～400 m；

Y

坐標取-400～400 m；

Z

坐標取0～500 m，計算采用六面體網格，在高架火炬系統(tǒng)燃燒器噴嘴附近對網格進行加密，在遠離燃燒區(qū)域的地方拉伸網格。

2.3 計算參數(shù)設置

根據(jù)火炬各裝置最大排放量統(tǒng)計情況可知，火炬氣主要來自一聚、二聚、三聚裝置，故火炬氣組分取丙烯進行計算。企業(yè)所處地區(qū)年平均風速為1.9 m/s，主導風向為SSW風，年平均氣溫11.6℃，故火炬改造前后的具體模擬參數(shù)如表2所示。

表2 火炬氣泄放設置參數(shù)

3 火炬系統(tǒng)燃燒熱輻射計算結果

3.1 改造前熱輻射分析

目前全廠停電事故引起的裝置火炬氣最大排放量為156.9 t/h。因而火炬氣泄放量156.9 t/h條件下取風向SSW、年平均風速1.9 m/s、環(huán)境溫度11.6℃進行模擬，得到該化工企業(yè)高架火炬改造前的火焰高度及燃燒場結果，如圖2所示。

圖2 全廠停電工況下火炬燃燒火焰高度

采用1 200 K等值面作為火焰輪廓來確定火焰高度，得到目前全廠停電事故引起的裝置火炬氣排放量為156.9 t/h、風向SSW、風速1.9 m/s、環(huán)境溫度11.6℃時高架火炬燃燒的火焰長度約為66 m，由于受到風向的影響火炬燃燒火焰下風向偏向地面。

SH3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范》中對于火炬熱輻射的要求見表3。

表3 SH3009關于火炬系統(tǒng)最大運行熱輻射值的規(guī)定

根據(jù)圖3火炬燃燒熱輻射場模擬結果可以看出風向導致高架火炬下風向火焰向地面處靠攏，因而火焰上風向熱輻射影響范圍較大。在全廠停電事故引起的裝置火炬氣最大排放量156.9 t/h時，1.58 kW/m的落地影響范圍約為距離火炬180 m處，該范圍內不存在廠外居民區(qū)、公共福利設施、村莊等公眾人員活動區(qū)域，因而不產生影響。而熱輻射2.33～9.0 kW/m的影響范圍在

Z

=10 m到

Z

=50 m以上(火炬所在地面為

Z

=0)，企業(yè)高架火炬位于山頭海拔較高位置，周邊空曠、沒有較高構筑物，因而該范圍內熱輻射不會對周邊設備及人員產生影響。

圖3 全廠停電工況下火炬燃燒熱輻射場

3.2 改造后熱輻射分析

改造后火炬頭尺寸為DN800，全廠停電工況下火炬氣泄放量156.9 t/h、取風向SSW、風速1.9 m/s、環(huán)境溫度11.6℃進行模擬，得到企業(yè)火炬系統(tǒng)改造后高架火炬火焰高度及燃燒場結果，見圖4所示。

圖4 全廠停電工況下火炬燃燒火焰高度

采用1 200 K等值面作為火焰輪廓來確定火焰高度，得到全廠停電事故引起的裝置火炬氣排放量為156.9 t/h、火炬頭泄放孔徑DN800、風向SSW、風速1.9 m/s、環(huán)境溫度11.6℃時高架火炬燃燒的火焰高度約為57 m。

由改造前后火炬氣排放量為156.9 t/h工況下的熱輻射計算結果(圖5)可以看出，改造更換火炬頭后火炬燃燒熱輻射影響范圍略有減小。改造后1.58 kW/m的落地影響范圍約為距離火炬135 m處，該范圍內不存在廠外居民區(qū)、公共福利設施、村莊等公眾人員活動區(qū)域，因而不產生影響。熱輻射值2.33～9.0 kW/m的影響范圍在

Z

=15 m到

Z

=55 m以上(火炬所在地面為

Z

=0 m)，企業(yè)高架火炬位于山頭海拔較高位置，周邊空曠沒有較高構筑物，故熱輻射不會對周邊設備及人員產生影響。

圖5 全廠停電工況下火炬燃燒熱輻射場

4 結論

a)火炬系統(tǒng)改造后燃燒熱輻射影響范圍略有降低，改造前1.58 kW/m的落地影響范圍約為距離火炬180 m處，熱輻射2.33～9.0 kW/m的影響范圍在

Z

=10 m到

Z

=50 m以上；改造后1.58 kW/m的落地影響范圍約為距離火炬135 m處，熱輻射值2.33～9.0 kW/m的影響范圍在

Z

=15 m到Z=55 m以上。

b)利用CFD模擬的方法可以精準地計算火炬燃燒熱輻射危害影響范圍，可用于高架火炬系統(tǒng)高度設計、間距布置以及確定高架火炬系統(tǒng)與周邊設施和人員集中場所的合理安全間距。