多點式地面火炬系統(tǒng)的研究

20世紀70年代，國外開始使用地面火炬處理大型石化裝置排放的火炬。2008年8月,國內(nèi)第一套多點式地面火炬在上海賽科投用。中韓乙烯是繼賽科石化后,第二家使用多點式地面火炬技術(shù)的乙烯廠,于2012年12月投用(見圖1)。此外,國內(nèi)目前還有中石油烏魯木齊石化芳烴裝置采用多點式地面火炬。國外多點式地面火炬應(yīng)用較多,如BPDurango項目、ExxonMobil尼日利亞項目、Pluspetrol秘魯項目以及Shell尼日利亞項目等。1防煙設(shè)施、輻射墻多點式地面火炬主要由燃燒器、分級控制器、吹掃及消煙設(shè)施、防輻射墻等構(gòu)成。排放量決定采用燃燒器的數(shù)量,燃燒器一般分為多級,每級燃燒器由若干支火炬頭構(gòu)成,燃燒區(qū)四周用防輻射墻隔離熱輻射1.1火炬燃燒系統(tǒng)升降級以空氣混合空氣混合系統(tǒng)升降級為控制分級控制的目的是為了保證泄放氣在火炬頭有足夠的速度,與空氣混合實現(xiàn)無煙燃燒。升降級由壓力控制,當排放量增加,壓力達到升級值,分級閥順序打開;當排放量減少,壓力達到降級值,分級閥順序關(guān)閉1.2空氣來源的布置燃燒器的設(shè)計、鉆孔和排布是影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。燃燒器布置在一定的高度以保證充足的空氣來源。每一級燃燒器帶有多個交錯排布的星形火炬頭,燃燒器之間既要留有足夠的距離以保證無煙燃燒所需要的空氣,又要保證火炬頭之間能夠互相傳焰點火1.3蒸汽設(shè)施構(gòu)成地面火炬有蒸汽消煙設(shè)施,滿足火炬氣在低壓力時燃燒。蒸汽設(shè)施主要由控制閥、限流孔板、蒸汽環(huán)構(gòu)成,蒸汽環(huán)安裝在火炬頭上。蒸汽閥與分級閥聯(lián)動,并有少量蒸汽通過限流孔板進行保溫,大量蒸汽通過環(huán)形噴嘴高速噴射到火焰中部1.4混合氣體燃燒燃料長明燈采用空氣預混型-文丘里管結(jié)構(gòu),原理為:快速通過文丘里管的燃料氣在混合器周圍形成負壓,吸入空氣形成混合氣體,火焰在長明燈罩燃燒,見圖4。長明燈設(shè)置有熱電偶用于檢測工作狀態(tài),并配置有高能電子(HEI)及爆燃傳焰(FFG)兩種點火方式。1.5火炬管網(wǎng)壓力過低火炬系統(tǒng)背壓過低會使空氣進入,氮氣補壓可在火炬管網(wǎng)壓力過低時,及時補充氮氣維持系統(tǒng)正壓。氮氣吹掃有持續(xù)吹掃和后吹掃兩種,用氮氣把延伸管內(nèi)殘留火炬氣吹出,防止形成爆炸性混合物1.6火炬分級控制爆破針型閥是在控制系統(tǒng)失效或分級閥未及時響應(yīng)時,火炬安全泄壓的最后保障。起跳壓力高于分級控制壓力,與分級閥門并聯(lián)在一起。爆破針型閥起跳后,更換爆破針即可重新投入使用,見圖5。2地面火災(zāi)的主要性能2.1分級閥門控制火炬量地面火炬采用壓力控制升降級,通過分級閥門控制火炬頭數(shù)量以增加或減少泄放量。升降級參數(shù)的設(shè)置主要考慮排放安全和有效燃燒兩方面,參數(shù)見表1。2.2主要經(jīng)濟指標多點式地面火炬由于長明燈數(shù)量多,并有吹掃和消煙設(shè)施,對燃燒氣等公用工程消耗量較大,見表2。2.3地面火災(zāi)和高火的主要性能之比較地面火炬與高架火炬各有優(yōu)缺點,但地面火炬在環(huán)保性能方面具有明顯優(yōu)勢3火炬裝置能通量要求火炬的安全性能包括排放安全、點火安全、操作安全。排放安全要求火炬確保裝置能夠順利排放;點火安全要求點火設(shè)施必須確保任何時候均能點燃長明燈;操作安全要求設(shè)備可靠性高、操作處置得當3.1系統(tǒng)壓力達到升級值的措施(1)采用分級控制滿足裝置排放量。正常工況,裝置排放量少,由第1級泄放;當排放量增大,壓力達到升級值,第2級開啟;若壓力仍然不能降低,依次打開后續(xù)級數(shù)。若逐級開啟不能滿足排放要求,可同時打開若干級增加泄放量。(2)設(shè)置氮氣補壓,確保管網(wǎng)安全。當管網(wǎng)壓力低于設(shè)置值,分級閥門關(guān)閉,維持系統(tǒng)正壓。當壓力降至低報警值,氮氣補壓閥打開向管網(wǎng)補充氮氣。3.2穩(wěn)定的燃料氣對燃燒的影響(1)長明燈抗熄滅能力強。長明燈的高可靠性主要取決于兩方面:一是長明燈本身設(shè)計完善,抗熄滅性能好;二是需要提供穩(wěn)定的燃料氣,燃料氣過多或過少,都會影響燃燒效果,并根據(jù)燃料氣組分調(diào)整壓力,見圖6。(2)點火系統(tǒng)可靠性較高。HEI為主要點火,通過釋放高能電火花點燃長明燈,點火效果好,需做好電氣部分的防潮保護。FFG為備用點火,它是由空氣、燃料氣按一定的濃度配比進行的傳焰點火,產(chǎn)生的火焰熱值高,效果明顯,見圖7。3.3火炬凝液管道地面火炬的工藝、設(shè)備、儀表控制比高架火炬多,操控要求高,需及時處理出現(xiàn)的問題,以免影響火炬運行。(1)對爆破針型閥起跳的處理。針型閥門起跳后應(yīng)及時恢復,若遇兩臺及以上同時起跳,應(yīng)調(diào)配更多人力,防止壓力低造成黑煙或回火,并對氣開、氣關(guān)閥門制定故障處置預案。(2)對火炬凝液的處理。火炬氣經(jīng)分液罐和地下凝液罐兩次除液后進入火炬頭,防止火炬帶液燃燒,同時避免延伸管中的凝液結(jié)冰導致火炬氣無法正常泄放。4地面火災(zāi)的環(huán)保性能環(huán)保性能是考核地面火炬的一個重要指標,若火炬運行環(huán)保不達標,產(chǎn)生黑煙、異味、光輻射將給周邊環(huán)境和社會造成不良影響4.1燃燒與燃燒完全燃燒的對比當泄放氣流速低或重烴含量高,燃燒時會冒黑煙,根本原因是燃燒不充分,生成游離碳。通常采用提高泄放氣流速及通蒸汽伴燒的方式消除,見圖8。(1)采用分級控制提高燃燒所需要的流速。泄放氣在火炬頭有足夠的速度,才能有足夠的能量與空氣混合實現(xiàn)完全燃燒。分級控制可以提高泄放氣壓力,保證燃燒需要的流速。(2)利用消煙蒸汽實現(xiàn)流速低時完全燃燒。消煙蒸汽的主要作用是增大可燃氣體與空氣的接觸,發(fā)生水煤反應(yīng)再燃燒,維持火焰溫度、防止析碳,托高并縮短火焰長度。4.2設(shè)置輻射墻,隔離光熱輻射火炬在夜間大量排放,燃燒產(chǎn)生的火光會對周邊環(huán)境造成光污染,產(chǎn)生的熱輻射會影響設(shè)備運行和人員操作(1)設(shè)置防輻射墻,隔離光熱輻射。地面火炬設(shè)置有十幾米高的防輻射墻,火炬在封閉區(qū)域燃燒,火焰高度不超過防輻射墻,外墻溫度一般不超過65℃。(2)消煙蒸汽能夠降低火焰高度(3)降低部分升級壓力。當火炬氣突然大量排放時,火焰會瞬間竄出防輻射墻。原因是壓差大,消煙蒸汽滯后?？蛇m當降低部分升級壓力,防止火焰瞬時超高。4.3燃燒不充分的情況異味主要由火炬氣燃燒不完全或部分未燃燒時產(chǎn)生,在裝置大量或異常排放時較為明顯,主要是C3以上成分較多。另外,氮氣含量高,也會導致燃燒不充分,產(chǎn)生異味?？刂飘愇兜姆椒ㄓ?氮氣盡量不要排火炬,調(diào)節(jié)好伴燒蒸汽,適當調(diào)整升降級值,使燃燒更充分。5問題和對策5.1背壓和背壓在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化高架火炬的背壓比較低,取決于水封罐液位。地面火炬的背壓比較高,并且在一定范圍內(nèi)變化,如某廠地面火炬的背壓為10~110kPa。各裝置排放壓力有高有低,多裝置同時排放,會導致低壓排放裝置無法排放,并引起火炬氣倒竄,這一點在設(shè)計時應(yīng)當考慮。5.2系統(tǒng)失效、設(shè)備故障地面火炬的工藝流程、設(shè)備設(shè)施、儀表控制比高架火炬要多,尤其是當控制系統(tǒng)失效或設(shè)備故障會增加處置難度。如多個爆破針型閥門異常起跳的處理,氣開、氣關(guān)閥門在儀表風中斷或電磁閥故障時的應(yīng)對措施,需要制定完善的應(yīng)急預案。5.3燃燒區(qū)的限制地面火炬雖然比高架火炬易檢修,但地面火炬燃燒區(qū)屬于受限空間,又有突然排放的可能性。因此,若需要進入燃燒區(qū)域進行檢修作業(yè),必須做好應(yīng)急措施預案,防止出現(xiàn)人身傷害事故。5.4長明燈及火炬氣地面火炬每級配置2~3支長明燈,一套地面火炬有數(shù)十支長明燈,如某廠地面火炬有70支長明燈,一年天然氣用量近百萬立方米,運行成本較高。需要研究熄滅部分長明燈方案,找出一個既經(jīng)濟又安全的方法。6地面火炬的環(huán)保性能(1)多點式地面火炬通過分級控制、多點燃燒、蒸汽消煙、氮氣補壓等實現(xiàn)了火炬氣的安全泄放和環(huán)保處理,點火系統(tǒng)可靠,在安全、環(huán)保性能方面優(yōu)于高架火炬。因煉油、化工生產(chǎn)裝置日趨大型化,對火炬的處理能力和燃燒效率的要求不斷提高。同時,國家對環(huán)境保護管理的加強,促進了地面火炬國內(nèi)的推