火炬計算的參數分析

彌 勇 李文杰

（中國寰球工程公司，北京 100029）

經驗交流

火炬計算的參數分析

彌 勇 李文杰

（中國寰球工程公司，北京 100029）

通過對化工裝置中火炬的計算，分析了火炬計算中影響高空火炬高度和直徑的主要參數；對國內目前應用較少的地面火炬的計算進行了初步探討。結果表明，影響火炬計算結果的最主要的因素為火炬氣流量以及人為規定的熱輻射強度等，在排放量為200 t/h、熱輻射強度為1.58 kW/m2要求下，高空火炬煙囪直徑和高度分別約為0.82 m和60 m；地面火炬的安全距離必須大于30.3 m。

火炬；高度；熱輻射強度；安全距離

火炬適用于處理石油化工廠、煉油廠發生事故時或者正常生產排放大量易燃、有毒、有腐蝕性的氣體時的設計。火炬系統通常由分離罐、密封罐和火炬筒體等組成。按照燃燒器是否遠離地面，型式可以分為高空火炬和地面火炬[1]。

環保的要求使得化工裝置中對環境有危害的排放氣的排放更加的嚴格，相應的規模擴大意味著火炬設計需要不斷的完善。

在熄滅火炬、回收燃氣、減少火炬數量等方面，國內相關設計者已經作了很多的工作。本文針對火炬計算中的相關步驟，對影響火炬計算結果的相關參數進行嚴格地比較分析[2]。

1 高空火炬

高空火炬燃燒器遠離地面，采用豎立的火炬筒體將燃燒器（火炬頭）高架于空中，火炬氣通過筒體進入燃燒器，然后進入大氣。當火炬設計處理量高于30 t/h時，采用高空火炬（減少地面熱輻射強度，有利于熱量擴散）。

現行的火炬計算執行標準有SH 3009—2001和HG/T 20570—95，2者的基本原理是一致的，本文采用HG/T 20570—95進行火炬的計算[3-4]。

計算實例參數：均取排放到火炬的氣體的最大值?；鹁鏆獾呐欧帕繛?00 t/h，平均相對分子質量為20，溫度為180℃，絕熱指數為1，熱值為 8 kJ/kg，火炬頂部內側壓力為103 kPa。當地年平均風速為30 m/s。

1.1 煙囪直徑

馬赫數的選?。喊凑帐鹿示o急排放考慮，取值為0.5以下。本文考慮取值0.45。

煙囪直徑的計算公式如下[3]：

式中，qm為火炬氣排放質量流量，p為火炬頂部內側火炬氣的壓力，Mach為馬赫數，M為火炬氣的平均相對分子質量，T為火炬氣溫度，k為火炬氣的絕熱指數。該計算公式中，可以看出，對火炬煙囪直徑影響最大的為火炬氣的質量流量。

按前文中給出的數據計算可得，火炬煙囪直徑大約為0.813 8 m，圓整后為0.82 m。

根據不同的體積流量下的煙囪直徑，可以得到近似的線性關系，如圖1所示。

隨著化工裝置中，工藝的不斷更新以及燃料氣的回收利用，排放到火炬中的氣體相比落后工藝中的排放已經減少。再者，火炬煙囪直徑的持續增大，帶來的只是裝置成本的增大。

1.2 火焰長度

火焰長度根據火炬氣的燃燒熱量查表得到。火炬氣的燃燒熱量計算公式為：

Q=hqm。

其中，h為火炬氣的質量焓。本文中，查表得到的火焰長度為45 m。根據不同的質量流量得到不同的火焰長度，其線性關系如圖2。

1.3 煙囪高度

火炬煙囪高度的計算公式如下：

式中，R為無障礙區域半徑，D為火焰中心到地面邊界的距離；△X和△Y分別為火焰橫向和縱向偏距，可由查表得到。本例中得到的火炬高度為60 m（熱輻射強度為 1.58 kW/m2）。

在火炬高度的計算過程中，需要人為決定的關鍵性參數為最大熱輻射強度，該參數直接影響著火焰中心到地面邊界的距離，也就是影響著在安全距離之內人員可操作的時間等因素。

化工對熱輻射強度一般規定如表1所示。

表1中規定的數值已經考慮了當地的太陽熱輻射強度。

不同的熱輻射強度直接影響著火炬煙囪的高度，本文中，根據不同的熱輻射強度計算得到的火炬煙囪高度是不同的，根據其相應關系得到如圖3所示的關系圖。

由圖3可以看出，隨著熱輻射強度的不斷增加，火炬煙囪高度是不斷降低的。其原因是因為隨著熱輻射強度的增大，操作人員在此的操作時間不斷減少，甚至不允許其進入。

高空火炬雖然計算、設計等在國內比較完善，但是在安全和環保方面存在很多的問題：噪音大、燃燒不完全（無法保證大量火炬氣在瞬間內完全燃燒，從而形成黑煙，尤其是在事故緊急排放時情況更加嚴重，對環境產生嚴重的污染）、火焰光污染、火炬點火困難、處理負荷范圍小、較高的運行費用、維護困難以及占地面積較大。相比之下，地面火炬具有很好的優勢（噪音低、運行費用低、維護簡便等）。

2 地面火炬

地面火炬燃燒器位于地面以下。當火炬設計排放量較小，一般低于30 t/h時，而且要考慮光和噪音的干擾時，采用地面火炬。

表1 熱輻射強度對照[3]Tab1 Heat radiation intensity comparsion

針對地面火炬的計算，國內目前尚未查詢到相關的標準性計算方法。國內設計制造地面火炬的廠家均是以成套設備的形式承包，技術推廣應用在國內不是很普遍。介紹地面火炬的文獻也只有API521以及API537等外文文獻[5-6]。

計算所需參數與高空火炬所需提供的參數基本一致。

2.1 熱輻射以及安全距離

廢氣燃燒時，一部分產物以輻射熱的形式輻射到周圍的環境中，地面火炬設計重要條件是要考慮到熱輻射。輻射熱來自火炬燃燒的熱輻射，包括水蒸汽、二氧化碳和煙灰顆粒。國內應遵循的有關標準規范有 SH 3009—2000、HG/T 20570—95；國外 API標準：安全區域＜1.58 kW/m2，防護距離 1.58～4.5 kW/m2，防護區域 4.5～6.3 kW/m2，嚴重致死區域＞6.3 kW/m2[5-6]。

本文根據1.58 kW/m2來考慮。同樣采用高空火炬計算時所用的排放氣參數來進行計算。

根據輻射強度K=6.3 kW/m2，大氣傳送系數C假定為1.0，熱輻射系數F選為0.3，Q為釋放的熱量，計算得到地面火炬散熱中心到物體的距離D為30.3 m，即所考慮的最小安全距離為30.3 m。

2.2 地面火炬其他設計參數要求

地面火炬系統要將氣體放空燃燒火焰完全控制在防輻射隔熱罩內，盡量讓外界看不到火焰，以最大限度地減少熱輻射、噪音對工作人員和周圍設備的影響?；鹧娴拈L度計算與高空火炬的計算方法是一

致的?？筛鶕擞嬎銋颠x擇隔熱罩的高度。

3 結論

1)計算過程中，影響火炬計算結果的最主要的因素為火炬氣流量以及人為規定的熱輻射強度等。熱輻射強度的選取是根據設計中規定的操作人員的安全距離而決定的。

2)隨著火炬氣流量的增大，火炬煙囪直徑以及火焰長度逐漸增大。排放量為200 t/h的情況下，火炬煙囪直徑大約為0.82 m；隨著熱輻射強度的增大，火炬煙囪高度不斷減少，本例中，熱輻射強度如果需要達到1.58 kW/m2的要求，火炬高度大約為60 m。

3)針對目前國內無標準化計算的地面火炬進行了初步的計算探討，排放量為200 t/h情況下，熱輻射強度為1.58 kW/m2要求下，安全距離必須大于30.3 m。

[1]王松漢.石油化工設計手冊:第四卷[M].北京:化學工業出版社,2002:632.

[2]陳剛,夏景峰.醋酸裝置火炬頭的低噪無煙化改造[J].2007,14(2):60-62.

[3]SH 3009—2001石油化工企業燃料氣系統和可燃性氣體排放設計規范[S].

[4]2001.HG/T 20570—95火炬系統設置[S].

[5]API STD 537—2008 Flare Details for General Refinery and Pe[S].

[6]API 521—2007 Pressure-relieving and Depressuring Systems[S].

Parameters Analysis of Torch Computation

Mi Yong,Li Wenjie

(China Huanqiu Contracting&Engineering Corp,Beijing,100029)

s:Through computation of torch,some key parameters which affect the upper air torch altitude and the diameter are analyzed.Results show the most important factors which affect torch computation are air current of the torch and man-made thermo radiant intensity.Under discharge amount 200 t/h,thermo radiant intensity 1.58 kW/m2,diameter and altitude of the high altitude torch chimney are 0.82 m and 60 m,respectively;safety distance of the ground torch must exceed 30.3 m.

torch;height;thermo radiant intensity;safety distance

TQ052.73

BDOI10.3969/j.issn.1006-6829.2010.02.015

2010-01-22；

2010-02-15