煤化工火炬系統(tǒng)的設(shè)計及工程實例

張曉東，趙娟，王逢

（南京博納能源環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 南京 210048）

隨著煤化工、石油化工及精細化工生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大并呈現(xiàn)聯(lián)建聯(lián)產(chǎn)的特點，這些生產(chǎn)裝置在開停車、運行，特別是突發(fā)事故時，會排放出大量有毒、可燃的氣體，且排放工況較單一產(chǎn)品的裝置越來越復(fù)雜。目前，煤化工裝置排放的火炬氣較以往呈現(xiàn)出以下幾個特點。

（1）火炬系統(tǒng)處理量日益增大。由于煤化工裝置呈大型化發(fā)展趨勢，裝置內(nèi)介質(zhì)存量遠比以前的多，在事故泄放時的泄放量也就大很多。如以前2×105t/年的甲醇裝置煤氣化裝置在超壓泄放工況下的泄放量約2×105m3/h粗煤氣，現(xiàn)在的7×105t/年煤制烯烴裝置在同工況下的泄放量則有約1.7×106m3/h粗煤氣。

（2）火炬氣的組成越來越復(fù)雜。以煤制烯烴項目為例，排放的火炬氣可能除了富氫組分外，還有烴類火炬氣，包含乙烯、丙烯、聚乙烯、聚丙烯、異戊烷、C4、C5等組分。烴類火炬氣的特點是分子較大易凝結(jié)、熱值高且排放壓力較低，如果排放量大，不適合用富氫火炬系統(tǒng)來處理，因此，需要根據(jù)各火炬氣特點設(shè)置專門的烴類火炬系統(tǒng)來處理，增加了火炬系統(tǒng)的設(shè)計難度。

（3）火炬系統(tǒng)規(guī)模越來越大，占地面積越來越大。由于火炬排放量的增加以及氣體成分的復(fù)雜，火炬系統(tǒng)規(guī)模也隨之增大，系統(tǒng)配置逐漸復(fù)雜。此外，由于火炬在單一事故中總排放量的增加，導(dǎo)致排放氣燃燒熱值總量增加，使得火炬必須增高以滿足地面熱輻射強度的要求。同時，熱輻射強度的增大，也相當(dāng)于增大了火炬的實際占地面積。為保證生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定和安全，保護周邊生態(tài)環(huán)境，合理設(shè)計火炬系統(tǒng)來處理排放氣十分必要。

1 火炬系統(tǒng)的設(shè)計原則

火炬系統(tǒng)主要由放空系統(tǒng)和回收系統(tǒng)組成。放空系統(tǒng)主要包括火炬頭、點火裝置、分液器、水封器和管網(wǎng)等，回收系統(tǒng)主要包括壓縮機、緩沖罐、分液罐、氣柜等設(shè)備。

1.1 火炬頭的設(shè)計

火炬系統(tǒng)設(shè)施中最關(guān)鍵的設(shè)備是火炬頭，通?？刹捎么髿鈹U散燃燒、預(yù)混燃燒的型式，具有消煙、冷卻火炬頭的作用。設(shè)計火炬頭時，應(yīng)考慮如何避免脫火，國內(nèi)傳統(tǒng)手段包括以下措施，可同時保證火炬頭的燃燒可靠性、使用壽命和較低的噪音。

（1）采用保證高溫強度和耐腐蝕性能的火炬頭材料。

（2）設(shè)置穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)，限制火炬頭的氣體流動馬赫數(shù)，以避免在設(shè)計負荷內(nèi)發(fā)生脫火。

（3）火炬頭噴嘴為多孔結(jié)構(gòu)，孔徑、角度及射入深度根據(jù)工況訂制，降低噪音。

1.2 火炬系統(tǒng)的設(shè)計

火炬工藝流程的設(shè)計原則是滿足安全可靠、經(jīng)濟環(huán)保的要求；設(shè)計合理的工藝流程，防止火炬系統(tǒng)出現(xiàn)回火、火雨等現(xiàn)象；要注意工藝設(shè)計的合理和優(yōu)化，便于日常的維護和檢修；要合理設(shè)計阻火設(shè)施，預(yù)防發(fā)生爆炸事故；要滿足火炬氣完全燃燒的需要，保證火炬氣均在火炬的頂部被充分燃燒。

2 項目概況

某煤化工企業(yè)的氮肥退城進園原料結(jié)構(gòu)調(diào)整技改項目需要配置一套全廠火炬系統(tǒng)，保證項目在開/停車、事故時產(chǎn)生的放空氣能夠及時、安全、可靠地放空燃燒，并滿足相關(guān)的環(huán)保要求。該項目全廠火炬包括富氫火炬1臺、氨火炬1臺、酸性氣火炬1臺，酸性氣火炬又包含1個濕酸性火炬頭和1個干酸性火炬頭。該火炬按捆綁火炬設(shè)計，布置在1個火炬塔架上。

2.1 工藝條件

富氫火炬氣是來自氣化裝置、變換裝置和低溫甲醇洗裝置的氫氣、二氧化碳和水蒸汽等，最大排放量530t/h。氨火炬氣來自低溫甲醇洗、冷凍站和氨合成段所排放的氨、氫氣，最大排放量209.6t/h。酸性氣包括來自變換裝置和低溫甲醇洗裝置的二氧化碳和硫化氫等濕酸性氣，最大排放量18.03t/h，還有變換汽提塔排放的氨氣、二氧化碳和硫化氫等干酸性氣，最大排放量4.1t/h。

2.2 火炬系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

（1）火炬頭。該火炬系統(tǒng)包括燃料組件和富氫火炬氣、富氨火炬氣、濕酸性氣和干酸性氣四個火炬子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)設(shè)置一套點火組件，由長明燈、高空點火器及爆燃管組成，如表1所示。一旦長明燈熄滅導(dǎo)致火炬氣燃燒不穩(wěn)定時，通過高空點火器的定向內(nèi)傳焰的點火方式進行點火，或者爆燃管直接引燃長明燈，從而使得火炬氣穩(wěn)定燃燒。

表1 火炬頭技術(shù)規(guī)格參數(shù)

（2）點火組件。點火組件需要做到及時，當(dāng)事故氣體一旦排放即立刻點火，保證生產(chǎn)過程的安全。長明燈是火炬系統(tǒng)不可或缺的重要點火組件之一。長明燈采用引射技術(shù)，在長明燈底部設(shè)置空氣引射器，利用文丘里工作原理，用帶一定壓力及流速的燃料氣通過引射器引入一定量的空氣，提高長明燈抗風(fēng)性。引射器為可調(diào)式，通過旋轉(zhuǎn)引射器調(diào)整螺母，可調(diào)節(jié)燃料氣與吸入空氣的比例，從而調(diào)節(jié)長明燈火焰的剛度，達到無煙燃燒。長明燈燃料氣出口設(shè)有火焰保護罩，使火焰燃燒穩(wěn)定，不受外界惡劣條件的影響。同時，有效保護火焰，降低燃料氣的耗量。國內(nèi)目前的長明燈技術(shù)具有火焰剛度好、燃燒穩(wěn)定、抗惡劣環(huán)境能力強等技術(shù)優(yōu)勢。但在燃氣耗量方面還有不足，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前，大部分長明燈每年的熱量損失超過1.45×106MJ，是極大的能源浪費。

地面爆燃系統(tǒng)的主要裝置是高空點火器，由火焰?zhèn)鬏斊?、防爆激發(fā)器、點火桿及點火電纜組成?；鹧?zhèn)鬏斊髟O(shè)計為特殊的內(nèi)外套管內(nèi)傳燃結(jié)構(gòu)形式，燃燒穩(wěn)定可靠?；鹧?zhèn)鬏斊骼萌剂蠚鈮毫土魉伲瑢⑼饨缈諝鈳雰?nèi)外套管夾套間，與內(nèi)管逸出的燃料氣進行混合，經(jīng)高壓點火電極點燃后，有燃料氣的流動和火焰的抬升，在套管內(nèi)將火焰從套管底部傳輸至頂部，進而點燃長明燈。點火桿利用尖端放電原理，防爆激發(fā)器將普通電壓升到高壓電，然后，在點火電極尖端連續(xù)拉弧放電，將燃料點燃?；鹁嫦到y(tǒng)的燃料為天然氣或者霧化油液，燃燒后的燃料能夠點燃火炬氣，從而使火炬氣中的可燃氣體得到徹底燃燒。

（3）阻火裝置。為了避免空氣進入火炬筒內(nèi)，需要確保火焰的穩(wěn)定，并同時設(shè)置阻火裝置。較普遍的方法是采用阻火器、水封罐和分子封三件套，但它們都有各自的優(yōu)缺點。阻火器能起到防止空氣倒入的作用，但有時它非常容易堵塞，尤其是遇到腐蝕性強、帶有凝液的氣體。除此以外，排放量的變化會造成溫度的上下波動，在熱排后的冷卻過程中，空氣很可能通過阻火器被吸入火炬筒體內(nèi)；液封罐也是防止空氣被吸入的一種重要裝置，主要包括臥式和立式兩種類型。它可根據(jù)火炬氣量的大小來改變液封高度，當(dāng)氣量小時，液封高度則設(shè)置小些；當(dāng)氣量大時，液封高度則設(shè)置大些。液封的高度對排放有很大影響，若設(shè)置不合理，會造成火炬氣排放壓力的波動，從而會引起振動，造成火炬裝置連接部位的損壞甚至泄漏。另外，液封高度的選擇也對火焰起到一定穩(wěn)定的作用。

（4）分液罐及供氮系統(tǒng)。每個火炬子系統(tǒng)設(shè)有分液罐，將火炬氣中含有的液體和氣體分離。分液罐采用臥式結(jié)構(gòu)，利用重力沉降分離原理將放空氣體中直徑大于600μm的可燃液滴分離出來，以避免可燃氣體中攜帶的凝液直接排入火炬系統(tǒng)而產(chǎn)生“火雨”。每個分液罐的進口處均設(shè)有供氮總管及與其連通的補氮組件，圖1為截取的一部分工藝流程圖，包含分液罐及補氮組件?；鹁嫦到y(tǒng)在高溫放空工況下，管網(wǎng)降溫產(chǎn)生負壓，火炬子系統(tǒng)存在倒吸空氣的風(fēng)險，此時，補氮組件能夠向火炬筒。

圖1 火炬系統(tǒng)工藝流程圖中分液罐及供氮總管部分

體內(nèi)補充氮氣，增加火炬筒體內(nèi)的氣壓，防止倒吸空氣，補氮組件提供的氮氣還能夠直接進入筒體與火炬氣混合，防止火炬氣向下倒流，保證火炬氣由下至上的流動剛度。富氫火炬子系統(tǒng)還包括水封罐，位于分液罐和火炬下筒體之間，水封罐被配置為液位等于或者小于第一液位時自動補水，液位達到第二液位時停止補水，其中，第二液位高于第一液位，水封罐能夠起到防止火焰向分液罐蔓延的作用。

2.3 火炬頭的優(yōu)化設(shè)計

火炬頭是火炬單元中最重要的設(shè)備，關(guān)系到燃燒的穩(wěn)定性、安全性及環(huán)保性。

該項目中每個火炬頭均設(shè)置至少兩個點火組件，沿火炬筒體的外周均勻分布且點火組件的火焰出口的中心軸線與火炬筒體的中心軸線相交，確保一次點火成功。長明燈和高空點火器的設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 點火組件的設(shè)計參數(shù)

由于富氫火炬氣和濕酸性火炬氣的熱值較低，而富氨火炬氣的熱值雖然較高，但部分工況下純氨氣的自燃點較高，且氨氣分子很難分解，不能以靠自身的氧化熱來維持燃燒，因此，富氫、富氨及濕酸性火炬頭均在筒體上固定了兩級伴燒組件，伴燒組件內(nèi)的燃料流量根據(jù)實際燃燒情況進行控制，如圖2所示。

圖2 濕酸性氣火炬頭部分結(jié)構(gòu)示意圖

富氫火炬頭和富氨火炬頭內(nèi)設(shè)置S型穩(wěn)焰塊，而濕酸性火炬頭及干酸性火炬頭內(nèi)設(shè)置倒U型穩(wěn)焰塊，起到穩(wěn)定火焰的目的。當(dāng)火炬氣的排放量小于火炬頭允許的最小燃燒速度時，在一定程度上使火焰不斷，保證燃燒的穩(wěn)定性。在濕酸性火炬氣的排放量達到最大時，防止產(chǎn)生附壁效應(yīng)導(dǎo)致空氣順著火炬筒體的壁面下竄，進而避免脫火現(xiàn)象的發(fā)生，保證火炬子系統(tǒng)在各種工況下均能夠穩(wěn)定運行。

2.4 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

控制系統(tǒng)可對火炬系統(tǒng)內(nèi)燃料氣壓力、氮氣壓力、分液罐液位、水封罐液位、控制閥閥門狀態(tài)、長明燈運行狀態(tài)、現(xiàn)場可燃氣體濃度等自動監(jiān)控，通過通信方式，開放數(shù)據(jù)訪問，遠程控制參數(shù)的設(shè)定和修改操作，實現(xiàn)火炬系統(tǒng)全天候、全自動化無人值守功能。該控制系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、運算能力強、可靠性高、抗干擾能力強等特點，保證整個火炬系統(tǒng)的安全運行。

3 結(jié)語

本項目設(shè)計的火炬系統(tǒng)適用于生產(chǎn)氮肥的工廠，能保證裝置開車、事故排放時產(chǎn)生的富氫火炬氣、富氨火炬氣、濕酸性火炬氣及干酸性火炬氣及時、安全、可靠地得到處理。