高架火炬熱輻射及其影響區域的分析計算

張 鷹，吳如凡

(南京金凌石化工程設計有限公司，南京 210042)

某石化企業正常生產時可回收的可燃性氣體量約15 000 Nm3/h，由現有的1座30 000 m3濕式氣柜進行回收利用，進氣柜回收的可燃性氣體經2臺7 000 Nm3/h壓縮機送至脫硫裝置脫硫后補充至全廠燃料氣管網。濕式氣柜和壓縮機自建成后已運行20余年，氣柜柜體腐蝕較嚴重，壓縮機長期滿負荷連續運行無備用。近年來，氣柜檢修頻繁，且在其檢修期間無法對全廠可燃性氣體進行回收利用，需通過火炬燃燒后排放，造成了一定的經濟損失和較嚴重的環境污染，因此需新建1座氣柜及配套設施，解決目前氣柜檢修造成的經濟損失和環境污染問題。新建氣柜選用卷簾型橡膠膜密閉干式氣柜，容積300 00 m3，新建3臺7 000 Nm3/h單級螺桿壓縮機。新建壓縮機廠棚距東側煉油火炬約135 m，新建氣柜距東側煉油火炬約150 m。

1 分析計算

關于火炬系統設計的規范較多，常見的有《HG/T 20570.12-95工藝系統工程設計技術規定-火炬系統設置》《SH 3009-2013石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》；國外主要的規范是《API521 Pressure-relieving and Depressuring Systems》。SH 3009在石油化工設計領域使用較多、應用較廣，故以此規范為參照。

高架火炬不論是正常燃燒工況，還是事故排放工況，都可以簡化為火焰中心這一點熱源對一定距離接收點的熱輻射值，需計算火焰產生的熱量[1]：

Qf=2.78×10-4Hyqm

(1)

本研究中，火炬事故最大排放量為940 t/h，排放的氣體組分為氫氣(33%)、丙烷(29%)、正丁烷(38%)，可計算出Q約為1.24×107kW。

計算火焰長度。事故泄放時，火炬頭出口氣體馬赫數大于0.2：

Lf=118×Dft

(2)

將火炬出口直徑帶入，得出火焰長度L約為142 m。當出口氣體馬赫數低于0.2時，火焰長度與氣體的流速成正比；當出口氣體馬赫數大于0.2時，火焰長度為一定值，不隨氣體流速變化。

對于火焰長度的研究，主要集中在20世紀中后期。G.R.KENT 通過小直徑管道在靜止的空氣中對火焰長度進行實驗，得出“馬赫數 ≥0.2 時，火焰長度是固定的，并約等于氣體出口直徑的118 倍”的結論，即公式(2)的由來。HONDA T.J.、T.A.BRZUSTOWSKI/E.C.SOMMER、Schwanecke R.對于火焰長度也提出了不同的看法，有的認為火焰長度與馬赫數相關，有的認為火焰長度與燃燒熱量相關。其中運用較廣的是T.A.BRZUSTOWSKI/E.C.SOMMER提出的混合噴射模型，在計算火焰中心時，引入了爆炸極限這個參數，這一模型被API 521采納為精簡算法[2]。

盡管計算火炬燃燒模型眾多，但還是無法準確預測火炬長度。通過大量的實驗比對，T.A.Brizustowski/E.C.Sommer及G.R.Kent 的計算方法被認為是可以接受的,但前者的計算方法因為引入了爆炸極限的概念，需要知道燃燒氣體的具體組成，對于工程計算的便利性會有一定的影響。

確定火焰長度后，結合現有的火炬塔架高度及相應的接收點坐標，求得對應接收點的輻射強度：

(3)

式(3)涉及風速對火焰中心的影響參數Xc和Yc，根據空氣與排放氣的動量比值E及火焰長度L查表得到。將空氣及排放氣的相關參數帶入，計算得到E約為0.001 2，進一步查表得到Xc約為12 m、Yc約為46 m。

關于火焰中心的確定方法也有較多。G.R.Kent認為，無風時火炬的火焰中心約在火焰長度的下1/3處，T.A.Brizustowski /E.C.Sommer 則把火焰在側向風作用下形狀中心曲線的中點定義為火焰的中心點。SH 3009采用 G.R.Kent 的火焰長度計算方法，結合伊萬諾夫射流軌跡方程，確定火焰中心點[3]。

根據熱輻射系數反推出接收點的K值，其中輻射熱系數的計算方法如下：

(4)

將排放氣的熱值、空氣濕度及火焰中心到接收點的距離帶入(4)，得到熱輻射系數約為0.129，根據式(3)推算新建氣柜計算點熱輻射強度約為2.62 kW/m2，新建壓縮機棚計算點熱輻射強度約為2.87 kW/m2，滿足規范要求。

開放環境下火炬的熱輻射系數無法通過理論計算得到。大量的實驗研究得出，熱輻射系數的取值范圍大概在0.1～0.5。SH 3009結合大量文獻研究與實踐經驗，給出了熱輻射系數計算式(4)。這是一個經驗公式，式中以C4以上重組分、C3(丙烷)、甲烷及氫氣為混合氣模型，分別結合各自的熱輻射系數(0.1～0.3)，考慮低發熱值，把空氣的吸熱也計算在內，更適合于工程應用。

在所有的環境因素中，風速對于火焰的影響最大。不同強度的風會對火焰形狀和空氣對流產生影響，當風速大到一定程度時，接收點的受熱情況需考慮輻射-對流聯合傳熱。SH 3009基于大量文獻研究，把8.9 m/s作為風速取值的標準。

2 利用Flaresim復核計算結果

Flaresim是一款評估火炬系統的熱輻射及火炬擾動的軟件程序，不僅可以估算火炬系統周圍熱輻射溫度分布，還能分析具有多火炬堆棧的多火炬口的復雜系統設計，管道火炬、音速火炬及液體燃燒爐可以通過使用一系列設計法則來建模。

輸入流體組分，Flaresim自帶部分介質的物性包，當排放氣組分較為復雜時，計算混合氣的熱值及爆炸極限較為準確。

表1 流體組成Tab.1 Fluid properties

輸入環境參數及火炬參數，主要涉及風速、風向，環境溫度、壓力、濕度，火炬筒體的高度、火炬頭的直徑等。

表2 結果Tab.2 Tip results

從表2可以看出，火焰熱量Q與式(1)計算結果一致，但是火焰長度軟件計算為126 m。火焰的3D視圖如圖1所示：

圖1 火焰3D視圖Fig.1 Flame 3D view

可以得到接受點的輻射熱分別為3.213 kW/m2、2.995 kW/m2，接收點15 min內的溫升如圖2所示。

還可以得到火炬的熱影響區域，其中輻射熱分別為1.58 kW/m2、3.2 kW/m2、4.73 kW/m2，對應的影響半徑為302.6 m、154.6 m及N/A。最大的輻射熱在距火炬中心南側約24 m處，輻射熱為4.495 kW/m2。輻射熱分布云圖如圖3所示：

圖2 接收點15 min內溫度隨時間變化曲線Fig.2 Curve of temperature as a function of time within 15 min at the receiving point

圖3 輻射熱分布云圖Fig.3 Cloud diagram of radiant heat distribution

3 分析與結論

運用SH 3009計算某石化企業新建可燃氣體回收設施的輻射熱，并用Flaresim軟件進行復核，得出結論如下：火炬熱輻射的相關計算主要受火焰中心及熱輻射系數這兩個關鍵參數的影響，由于燃燒本身受到燃燒介質、燃燒環境等因素的影響，導致火炬熱輻射的計算結果由于模型的選取不同而千差萬別。SH 3009關于火炬熱輻射的相關計算主要基于KENT等人的理論，而Flaresim集成了KENT、API及Brizustowski等的理論，同時也提供了一套算法。本例選取Brizustowski計算模型，相同工況下得出的熱輻射值較SH 3009大，結果較保守。