封闭式地面火炬大型化应用

李逸峰，何松，汤雪美

（江苏中圣高科技产业有限公司，南京 210009）

火炬气是石油化工行业生产过程中产生的废气，属于易燃易爆有毒有害气体，不能直接排放，需要使用火炬排放装置进行收集和处理。近年来，随着石油化工企业生产规模的逐步扩大，装置的排放量也越来越大，为了克服高架火炬自身的安全稳定性、检修的方便性、安全防护距离等问题，现在国内已经开始使用地面火炬作为石油化工企业主要废气的排放处理装置。相对高架火炬，地面火炬具有占地面积小、燃尽率高、检修方便、无光污染、噪音低、热辐射小等特性。由于要求地面火炬装置处理废气的能力越来越高，如何在保证安全性和可靠性的前提下，提高地面火炬处理废气的能力并解决由此带来的各种问题成为亟待解决的问题。

1 地面火炬简介

某石化企业其地面火炬最大设计废气排放量为240t/h，由于废气排放成分复杂，既有高压火炬气又有超低压火炬气，既有常规烃类气体又有腐蚀性气体。经反复论证地面火炬系统的基本设置如下：

（1）设置两座地面火炬（A、B），单座最大处理能力为120t/h。

（2）每座火炬燃烧塔直径为12.6m，高30m，防风消音墙直径为18m，高度为6m。

（3）在A火炬筒体内设有PTMEG装置专用燃烧器。

（4）高压火炬气分9级，设有180套燃烧器，其中1级、2级、4级、6级、8级设于B火炬内，装有90套燃烧器。1级（备）、3级、5级、7级、9级设于A火炬内，同样安装90套燃烧器。

图1 某新建地面火炬全貌

（5）PTMEG装置火炬分2级，设有6套专用燃烧器，安装于A火炬内。

（6）B火炬中低压火炬燃烧器及高压第一级燃烧器可互为备用。

2 地面火炬大型化设计采取的创新措施及效果

2.1 改善内部通风条件

通过流体力学计算，地面火炬燃烧塔的进风绝大部分是利用地面火炬燃烧塔的高度和废气燃烧产生的高温烟气的拔力，在燃烧塔底部风口自然吸风。燃烧塔根据排放量的大小自然调节进风量，进风相当于一个完善的自适应控制系统。但是，当火炬气排放量超过一定流量后，由于塔内烟风流动特性变差，不能满足燃烧的自吸进风要求。同时由于燃烧器数量的增加，抽吸的空气大部分在燃烧塔外围就被消耗或者被热烟气卷吸向上，难以进入燃烧塔中心区域，这是限制地面火炬处理量提高的一个主要原因。为了提高地面火炬的燃烧效率和消烟性能，采取以下措施来改善中心通风效果。

（1）适当抬高燃烧器安装高度。抬高燃烧器安装高度可以增加地面火炬底部通风面积，以仪化地面火炬为例，燃烧器安装高度在原来基础上适当提高，即可在其他条件不变的情况下增加底部通风面积约20%。数值模拟计算的结果表明，适当抬高燃烧器安装高度能够明显改变底部空气流场，有效改善地面火炬燃烧塔中心区域供氧不足的问题。

（2）增加二次通风口。常规地面火炬燃烧塔设有4～8个二次通风口，考虑到本项目火炬气排放量大和热值较高的因素，在每台地面火炬燃烧塔上设置13个二次通风口，同时将二次通风口的垂直位置适当下移。这样不但可以增加二次风的吸入量，促进高热值火炬气的充分燃烧，而且能够减少热烟气对二次风的干扰，促使二次风能够更多的进入地面火炬中心燃烧区域。

（3）利用条形燃烧器安装基础形成空气导流槽。为了确保空气在地面火炬燃烧塔底部流动的顺畅，减少流动阻力，巧妙地将原燃烧器各自分散的独立基础改进为条状基础，形成条状的通道，可极大地减小空气在其中的流动阻力。在同样的抽吸力（燃烧后的热烟气产生）的情况下，可以增加空气的抽吸量。燃烧器基础形成空气导流槽如图2所示。

通过采取上述措施对燃烧塔的结构进行优化，从而改善进气的空间分布，提高燃烧中心缺氧区的供氧量，达到提高燃烧塔燃烧效率和降低能耗的目的。

图2 燃烧器基础形成空气导流槽

2.2 交叉分级设置

本项目设有A、B两座地面火炬，为了降低非事故大排放时单座火炬的负荷，各级燃烧系统在A、B两座火炬之间采取交叉布置，即各级分布方式为：第1级、第2级、第4级、第6级、第8级设于B火炬内；第1级（备）、第3级、第5级、第7级、第9级设于A火炬内共90套燃烧器。这样的分布可以避免单台地面火炬燃烧塔长时间工作在较高负荷状态，有效延长地面火炬整体使用寿命。

2.3 隔热保温措施的优化

由于处理量大和热值高导致火炬气事故大排放时燃烧塔内部热流强度较高，在这种情况下，积极采取多重措施保证燃烧塔钢制壁面不超温，确保燃烧塔的强度和使用寿命不受影响。同时在最大排放工况时保证外壁温度不高于80℃，避免人员发生烫伤事故。

2.3.1 燃烧塔采用近壁面风冷措施

通过详细的计算设计，决定在最外圈燃烧器与燃烧塔壁面之间预留最优化的冷却间距，使适量的冷空气在燃烧塔壁面附近形成向上的附壁流，达到近壁面风冷的效果，阻断火焰直接舔烧和高温热烟气对燃烧塔内壁的冲击，有效降低燃烧塔内壁区域温度，确保或延长地面火炬的使用寿命。

据此建立的数值模型及数值模拟结果显示，在最大排放工况下燃烧中心温度达到1850℃左右时，由于采取近壁面风冷措施，燃烧塔内壁附近温度可稳定在620℃左右。

图4 燃烧塔壁面温度分布

2.3.2 应用耐火砖—高铝纤维板模块复合保温结构

为了进一步降低燃烧塔外壁温度，在燃烧塔钢制外壁内侧，采用耐火砖—高铝纤维板模块为复合保温结构。位于最内侧的耐火砖不但可以抵御2000℃以上的高温，同时具有良好的保温效果。耐火砖与燃烧塔钢制外壁之间为厚度100mm的高铝纤维材料，其导热系数≤0.156W/（m·k）。通过该复合保温结构，在燃烧塔内侧温度为720℃时，其外壁温度小于80℃，可有效杜绝人员发生意外烫伤的情况。

图5 风速为5m/s时燃烧塔壁面的径向温度曲线

图6 风速为8 m/s时燃烧塔壁面的径向温度曲线

2.4 点火系统优化及冗余设计

点火系统是整个地面火炬系统中最关键和重要的系统，由于地面火炬相对于高架火炬不具备高空扩散的优势，因此，为了确保地面火炬点火系统的绝对安全可靠，我们采取了以下两个措施。

（1）点火器冗余设置。为保证点火系统的绝对可靠，不但每一级燃烧系统配备独立的点火器和长明灯，而且针对使用频率较高的低压火炬气燃烧系统、PTMEG火炬气燃烧系统、事故火炬第1级燃烧系统均设置双点火器。

（2）交叉传焰。交叉传焰是指利用燃烧器六角形的特点，将所有燃烧器按棱形布置，如图7所示。这样的布置方法可以使每一台燃烧器均可以接受周围六台燃烧器的火焰传递，也就是说只要有一台燃烧器处于燃烧状态其它六台燃烧器同样可以被引燃。从某种意义上说，任何一台点燃的燃烧器都可起到长明灯的作用。通过这种布置方式，在火炬气大量排放时，任何一台长明灯可以将任何一级燃烧系统的任何一台燃烧器点燃，就能够迅速将火焰传遍整个地面火炬的所有燃烧器，从而保证点火安全。

图7 燃烧器交叉传焰示意图

2.5 其他措施

为了适应地面火炬大型化的要求，提高其性能，除了上述改进措施，还采取了一些辅助措施。

（1）对长明灯进行了结构优化，大幅提高长明灯的抗风和抗雨性能。

（2）地面火炬控制系统独立设置一套全冗余控制系统，并高配西门子S7-400H系统，同时满足SIL3等级要求。

（3）采用进口气动阀作为地面火炬分级阀，大大缩短阀门响应时间。直径DN 300（含）以上的分级阀开关时间小于5 s，直径DN 300以下的的分级阀开关时间小于1 s。

（4）开发了专用于超低压火炬气处理的薄壁式专用低压燃烧器，以适应火炬气排放压力低的情况。

3 结语

综上所述，为适应地面火炬处理量不断增加的需求，结合某企业新建大型化地面火炬项目，对该大型化地面火炬在建设中进行了数十项技术革新，使其适应处理大量火炬气、高热值及同时多排放系统并存的特点，提高地面火炬排放装置的燃尽率，达到节能减排的目的。

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[2]季金华,朱耀莉.地面火炬的安全应用 [J].安全技术与管理，2003，3(2)：13-15.

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