化工裝置火炬排放系統的設計

郭偉娜(福陸(中國)工程建設有限公司)

火炬排放系統設置目的是將工藝裝置中設備、管道上的安全閥、泄放閥、排放閥等在不正常操作(或事故)時排放的可燃物料，開停車時必須要排放的可燃物料和試車中暫時無法平衡時所必須排出的可燃物料收集并送到火炬筒頂部的火炬頭及時燃燒排放，以確保裝置的安全運行，并減少對環境的污染。

一、火炬系統的設計內容

火炬系統一般由火炬總管，分液罐，水封罐，凝液泵，點火盤，塔架，氣封，火炬筒體，火炬頭，長明燈，航空警示燈，航空警示標志等組成。火炬系統的設計主要包括系統處理能力的設計，火炬管道的設計，火炬氣分離罐及火炬氣密封系統的設計，煙筒的直徑和高度的計算，輻射熱的計算等，火炬頭由制造廠商設計。

1.火炬總管的設計

火炬排放氣體按介質狀態分為熱氣體(T≥0°C,含水或不含水)；冷氣體(T<0°C)；冷氣體和熱氣體都有但不含水；液體排放系統四種情況。排放氣介質四種狀態的任何一種情況，都要設置一根總管。一般排放的液體與排放的氣體是分開的，對于帶有液體的物流要設分立設施和單獨的液相系統。火炬總管到分離器要有一定坡度(不小于2%)以便排液，對于排液死角要設排液口并將排出液回收儲存。火炬器總管的上游最遠端要設置固定的吹掃設施，避免火炬系統發生回火內爆或者產生其他不安全因素。所有的火炬總管都應該設氮氣吹掃用軟管接口。吹掃氣速在最大火炬總管內為0.03m/s。如果火炬系統設有水(液)封，水封上游吹掃氣速為0.01m/s。

2.火炬氣分離罐的設計

火炬排放總管進入火炬燃燒之前應設分離罐，每根火炬排放氣總管都應設分離罐，用以分離氣體夾帶的液滴或可能發生的兩相流中的液相。分離罐的設計應符合以下要求：

⑴設計流量要按照火炬系統的最大排放量來選取；

⑵為防止產生火雨，分離罐應能分離出排放氣體中直徑300um 600um的液滴。

⑶結構尺寸一般選用長徑比23，直徑為火炬總管尺寸的34.5倍。

⑷應設人孔、進出氣體管、凝結液排出管、放水管等，必要時設梯子，平臺，寒冷地區應采取防凍措施。還要設液面計、溫度計、壓力表并設置高液位報警器。

⑸分液罐的凝結液應送往生產裝置或其他儲存類似組分的低壓容器進行回收利用，需要設置排液泵。

3.水封罐的設計

為了防止排放氣倒流和空氣倒流入火炬系統發生爆炸燃燒事故，要設置火炬氣密封系統，包括水(液封)和氣封(分子密封)，如果排放氣達到一定的數量，要在一個獨立的火炬中燃燒或者排放氣比空氣輕或未經冷卻的熱排放氣，應設水封罐。水封罐的設計，應符合下列要求：

⑴設計流量要按照火炬系統的最大排放量來選取；

⑵應能分離出排放氣體中直徑在300um600um的液滴，水封槽內要留有一定的氣相空間，以防止水夾帶。

⑶設計壓力不得小于1.0Mpag。

⑷水封罐的水封高度，應滿足排放系統在正常生產條件下有效阻止火炬回火，并確保排放氣體在事故排放時能沖破水封排入火炬。

⑸應設人孔、進出氣管、進水管、液面控制排液管、排水管、加熱管(防凍要求)等，必要時可設梯子、平臺，排水管的設置應考慮防止火炬氣的溢出。還要設壓力表、溫度計和液位計。

⑹水封罐的補水速度要適當，不能太快。水封罐溢流口排出水應回收以避免環境污染。

⑺水封罐與火炬基礎合并設置時，水封罐應盡量靠近火炬煙囪。

4.火炬的計算

火炬的計算包括兩部分，火炬頭和火炬筒體。火炬筒體又包括煙囪直徑的計算和煙囪高度的計算。而火炬頭由制造廠商設計。

⑴火炬煙囪直徑計算

一般在確定火炬煙囪尺寸時，可按如下考慮：正常排放時，出口處氣體流速應在0.2馬赫數乘以聲速以下；事故或緊急排放時，其流速應在0.5馬赫數乘以聲速以下。此時燃燒器的壓力降在1050KPa，水封的壓力降在515KPa，火炬主管的壓力降在1050KPa，然后通過計算火炬煙囪直徑的經驗公式進行核算，同時要檢查火炬系統總壓力降與安全閥背壓之間的關系，防止產生憋壓。火炬煙囪的直徑要不小于火炬系統總管的直徑，以免由于排放氣夾帶液滴而形成火雨。

⑵火炬煙囪高度的計算

計算火炬高度時，火焰長度與火炬氣燃燒釋放的熱量有關，通常可以參考肯特理論查火焰長度與火炬氣釋放熱量的關聯圖得到理論火焰長度。由于我國目前還沒有這方面的實測數據，按照規范要求當氣體的允許最大線速度取0.20.5馬赫數時，為簡化計算火焰長度取120倍火炬筒直徑。

火炬燃燒排放氣時，巨大的熱輻射強度將會傷及操作人員以及損壞設備。輻射熱的強度安全值一般為：對人體<1.67x104Kj/hm2；對設備<3.35x104Kj/hm2。火炬高度的選擇應確保操作人員和設備的安全。

在點火或者廢氣燃燒時，火焰仍有熄滅的可能，一旦熄滅將有大量廢氣四溢，若廢氣中含有有害物質情況更糟。因此，從安全出發，以最大有害物質排放量在不燃燒直接排放情況下落地濃度達到允許濃度標準為設計著手點，來推算火炬應有的高度。

結語

火炬排放系統是石油化工廠防止釋放未燃氣體的最后一道屏障，其自身的安全設計非常重要。每一套裝置都具有其特有的工況，應因地制宜地設計出相應的火炬排放系統，以便可燃氣體暢通順利的燃燒排放，保證裝置安全正常的運轉。

[1]化工工藝設計手冊(第四版)吳德榮主編.

[2]HG20570.12–95火炬系統設置.

[3]SY/T10043–2002泄壓和減壓系統指南.

[4]優化工廠火炬系統設計甘肅省石油化工設計院 李智.