開放式地面火炬系統工程應用實例分析

摘 要：介紹了開放式地面火炬系統的工藝流程及項目應用簡介，同時闡述了燃燒器布置原則和無煙燃燒的設計。詳述了火炬氣燃燒系統的邏輯聯鎖控制方案，并提出了水封罐節約用水和減少污水外排的措施。

關鍵詞：開放式地面火炬;燃燒器;水封罐;無煙燃燒;污水

開放式地面火炬和封閉式地面火炬類似，同樣采用多燃燒器處理和分級燃燒原理，而且采用金屬圍欄來屏蔽火焰對外界的影響。但是和封閉式地面火炬相比，開放式地面火炬可以適應更大的火炬氣處理量的要求。因此，隨著石油化工生產規模的不斷擴大，開放式地面火炬將得到更加廣泛的應用。開放式地面火炬同樣具有無煙、無光污染、低熱輻射、低噪音等優點[1]。本文通過工程實例闡述開放式地面火炬系統的工藝流程和邏輯控制，并提出減少開放式火炬在大排放的過程中冒黑煙的邏輯控制方案，以及水封罐節約用水和減少污水外排的措施。

1 開放式地面火炬系統的工藝流程及工程應用簡介

1.1 開放式地面火炬系統的工藝流程

開放式地面火炬的工藝流程與封閉式地面火炬的差不多，即火炬氣首先經過分液罐和水封罐后進入排放氣的集氣總管，為了適應不同工況和流量變化的要求，將火炬氣分級，在每一級的排放總管上設置氣動切斷閥，根據集氣總管上的壓力信號開啟或者關閉氣動切斷閥。其中前幾級的控制采用比例微分控制以減少相應的滯后。

1.2 開放式地面火炬系統的工程應用簡介

某新材料有限公司丙烷脫氫裝置配套的開放式地面火炬的最大設計處理量為1000t/h，排放的主要成分為丙烷、丙烯等，火炬系統的排放背壓按照110kPag考慮，經設計計算后開放式地面火炬系統的火炬總管為DN1600，總共分14級燃燒，設置400套燃燒器，單臺燃燒器的處理量為2.5 t/h。前3級燃燒器配有蒸汽消煙，火炬按100%無煙燃燒設計，林格曼黑度按小于1級設計。共設32套節能型長明燈和配套自動點火系統。火炬各級均設置有至少兩套長明燈，第一級每套燃燒器均配置獨立長明燈，確保日常小排放工況的穩定點火燃燒。其中主要配置見下表：

2 燃燒器的布置和無煙燃燒

2.1 燃燒器的布置

開放式地面火炬系統一般設置為矩形燃燒區域，燃燒器呈列平行布置在矩形燃燒區域內，燃燒區域外圍設足夠高度的防輻射屏，并具備一定的防風作用。因開放式地面火炬是根據各分級控制閥前的壓力信號逐級控制開啟各級控制閥的，火炬氣的排放量通常較小，因此低壓力級燃燒器比高壓力級燃燒器的使用頻次高，為盡量減小火焰對金屬圍欄的影響，低壓力級燃燒器宜布置在防熱輻射金屬圍欄的中間，高壓力級燃燒器宜布置在兩側[2]。火炬氣根據流量（壓力）大小進入部分或全部燃燒器燃燒。每級燃燒器分別布置在火炬氣管道的兩側，且兩個燃燒器前后錯開，兩個燃燒器之間需要保持一定的間距，這個間距取值是經過嚴格FLUENT模擬計算出來的，以確保兩個燃燒器之間能夠相互傳焰，且防止火焰粘連在一起。

2.2 無煙燃燒

燃燒器的多孔設計增加火炬氣和空氣的接觸面積，有效利用空氣;通過分級系統充分利用燃燒器處的泄放氣壓力，提高燃燒器噴孔處的火炬氣速度，以保證吸入足夠量的自由空氣，從而達到消煙的效果[3]。當火炬氣排放量比較小時，火炬氣管內的壓力比較低，只有前幾級的燃燒器參與燃燒，此時燃燒器出口火炬氣壓力比較低，需要通過蒸汽消煙來達到無煙燃燒的效果，所以在第一、二、三級設有蒸汽輔助燃燒，通過蒸汽噴射與燃燒器噴孔相結合，可以確保在泄放氣低壓力時的無煙燃燒。當火炬氣排放量增大，火炬氣管道的壓力增高，后續幾級采用分級控制閥，以獲得燃燒器出口更高的泄放壓力，從而保證在沒有蒸汽輔助情況下的完全燃燒。

3 火炬氣燃燒系統的邏輯控制

對于開放式地面火炬燃燒，火炬氣進入燃燒器燒嘴需要有一定的流速，其所需入口壓力高低影響到阻力分配及火炬系統的穩定和燃燒效率。火炬氣的分配靠分級控制閥控制，通過火炬氣壓力信號控制。火炬氣量小時，只有第一級燃燒器工作，隨著火炬氣量的增大，逐級開啟第二級、第三級等后續燃燒器參與工作。每級的開啟壓力與火炬氣的排放量是一一對應的關系。當火炬氣流量（壓力）降低時，再根據預先設定好的分級閥關閉壓力，逐級關閉燃燒器，確保合理的燃燒器工況。如果跳級關閉分級閥就會產生冒煙的后果，為了防止跳級關閉分級閥（當火炬氣管道上的壓力變送器檢測到第二級分級閥的關閉壓力時，如果此時第三級分級閥未關閉，第二級分級閥會關閉），關閉邏輯控制為：當第三級分級閥的狀態為關閉指令且第三級分級閥觸發關閉信號10S后，此時如果火炬氣管道上的壓力表檢測到第二級分級閥關閉壓力值時，才會觸發第二級分級閥的關閉信號。

另外，為了避免分級壓力控制閥故障而對排放系統產生影響，每一個分級控制閥都設有爆破旁路，在分級控制閥故障時，火炬氣可通過旁路進入火炬燃燒器燃燒，實現系統的本質安全。為了防止回火，第一級常燃火炬氣系統管道上設置了連續吹掃氮氣系統，通過限流孔板限制流量以免吹滅長明燈。各分級壓力開關閥后應設氮氣緊急吹掃系統，氮氣吹掃系統的聯鎖控制為：當觸發各級分級控制閥門關閉信號同時，打開閥門，吹掃10min后，關閉閥門。

4 水封罐減少污水外排和節水措施

水封罐是防止火炬回火爆炸導致可燃性氣體排放管網及其連接的設備被破壞的重要設施和手段[2]。在以往的項目中水封罐內的污水通過自流的方式送至污水池，但是隨著目前環保和節能要求的提高，都不建議將水封罐內的污水送至污水池。本項目設置了污水罐和污水泵，項目開工時將水封罐內的水通過生產水管道補充到設計的水封高度，污水罐內的水也通過生產水管道補充到設定的液位。在項目運行時，通過污水泵連續運行將污水罐內的水連續補充到水封罐內，水封罐內的高于水封高度的水自動溢流到污水罐內，這樣既保證了水封罐的連續補水，又減少了污水外排。當水封罐內液位低而污水泵來不及補水時，需要打開生產書i補水管道上的閥門補水，以確保水封罐內的水封高度。

5 總結

通過對開放式地面火炬在某工程項目上的應用，積累了丙烷脫氫裝置火炬氣的開放式地面火炬設計及應用經驗。詳細介紹了其工藝流程和燃燒分級情況，以及燃燒器布置原則。提出了防止產生冒煙的火炬聯鎖控制系統，同時也提出了水封罐減少污水外排和節水的優化設計，對同類型的裝置有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]郭萬青，盛利.多點式地面火炬應用及安全距離[J].中國安全科學學報，2016，32（2）：32-35.

[2] SH3009-2013.石油化工可燃性氣體排放系統設計規范[S].北京：中國標準出版社，2013.

[3]孔愛平，董國亮，劉團練.開放式地面火炬在FMTP科技示范項目中的應用[J].煤化工，2017，45（3）：54-57.

作者簡介：

趙曉媛（1985- ），女，漢族，江蘇南京人，碩士，工程師，目前從事大氣污染控制方面的研究。