東方石化有機化工廠地面火炬在運行中的改進

周偉寧

東方石化有限公司有機化工廠，北京 102500

1 地面火炬簡介

在石油和化學工業的生產過程中，會產生含有可燃性有害組分的混合氣體。處理這些氣體的方法主要是火炬燃燒。火炬燃燒的優點是安全簡單、成本低。其主要缺點:1)燃燒后產生大量的煙塵對環境造成二次污染;2)不能回收熱能，從而造成熱輻射［1］。為了滿足環境保護的要求，火炬燃燒要做到燃燒完全，盡量減少產生煙塵和熱輻射。火炬的分類方式:按燃燒器是否遠離地面可分為地面火炬和高架火炬;按燃燒器的形式分為單點燃燒器火炬和多燃燒器火炬;按是否帶有水封罐分為開放式火炬和封閉式火炬，火炬系統中帶有水封罐的為開放式火炬，沒有水封罐的為封閉式火炬［2-3］。20世紀70年代初，國外就著手于地面火炬的研究和開發，并針對大排量的裝置開發出一種多級多燃燒器地面火炬排放系統。全世界十幾個大型乙烯項目、一些大型的煉油生產和天然氣開采項目都采用了多級多燃燒器地面火炬，如1991年投用的Malaysia MT BE裝置火炬，排放量達到了1066 t/h;位于委內瑞拉的火炬，最大排放量為810 t/h。許多化工廠則采用了地面火炬，如韓國某化工廠的火炬其單筒地面火炬的最大排放量達到100 t/h。國內地面火炬的應用并不罕見，以深圳華安液化石油氣有限公司和中國石化荊門煉油廠的地面火炬為例，兩套火炬分別于1998年和2001年投入使用，一直運行良好［4-5］。由于多級地面火炬采用的是多級燃燒方式和降噪音、減少熱輻射措施，與一般高架火炬相比，具有噪音、熱輻射強度小，燃燒完全，處理負荷范圍寬，維護檢修方便的特點，很好地滿足了環境保護的要求，代表了火炬裝置的發展方向［6-7］。

1.1 裝置的來源及廢氣排放情況

東方石化有機化工廠在搬遷改造工程中采用的地面火炬，由上海某環保設備有限公司設計制造，于2009年10月投入運行。主要處理有機化工廠乙烯醋酸乙烯共聚樹脂(EVA)裝置，醋酸乙烯(VAC)裝置，醋酸乙烯乙烯共聚乳液(VAE)裝置正常生產和開、停車階段產生的可燃尾氣，使燃燒后的尾氣達到DB 11/447—2007《煉油和石油化工業大氣污染物排放標準》的要求。

有機化工廠三套裝置排放尾氣情況見表1。

表1 三套裝置排氣情況Table 1 Information of waste gas of three workshops

1.2 地面火炬的主要構成及作用

地面火炬主要由直立式燃燒塔、水封罐、火炬氣管線及控制閥組、蒸汽管線及控制閥組、分級燃燒器、長明燈、PLC控制系統等部分組成。通過檢測火炬氣管線內的壓力來判斷火炬氣量的大小，根據壓力變化，開啟相應的火炬氣控制閥，實現火炬氣的分級燃燒，達到滿足排氣負荷變化的目的。地面火炬工藝流程如圖1所示。

燃燒塔直徑13 m，高30 m，外殼采用鋼結構，內襯陶瓷纖維及耐火泥。燃燒塔底部有進風口，燃燒所需的空氣可以從進風口得到大量補充，以保證完全燃燒。燃燒塔的作用是消滅光污染和熱輻射，減小噪音。

燃燒塔內設置一套八級分段控制的分級燃燒器，分別將三套生產裝置送來的尾氣分配到不同的燃燒器中進行燃燒。VAC裝置送來的尾氣分三級燃燒，一級主要針對連續排放尾氣，設置2個燃燒器;二級、三級針對間歇排放尾氣，二級設置8個燃燒器，三級設置10個燃燒器。VAE裝置為一級燃燒，設置4個燃燒器。EVA裝置分四級燃燒，一級主要針對連續排放尾氣，設置4個燃燒器，二級～四級針對異常排放尾氣，設置37個燃燒器。

圖1 地面火炬工藝流程示意圖Fig.1 Sketch map of technology of the ground flare

燃燒塔內設置14盞長明燈，確保任何時候排放的火炬氣都能被及時點燃。

EVA、VAC、VAE三套裝置分別設有各自的水封罐，這樣可以做到三套火炬互不干擾，確保安全，防止燃燒時產生回火［8］。

火炬氣管線及6個火炬氣控制閥用來控制向相應的燃燒器輸送火炬氣。

蒸汽管線及8個蒸汽控制閥用來控制消煙助燃蒸汽量的大小。

PLC系統可以控制火炬氣排放閥的開度、蒸汽控制閥的開度，控制水封罐的液位、溫度，控制長明燈自動點火，實現地面火炬的自動控制。

2 運行中易出現的問題及解決辦法

2.1 火炬燃燒器不能相互點燃的問題

地面火炬的每一級都設有數個燃燒器和一盞長明燈。長明燈首先引燃一個燃燒器，被引燃的燃燒器再引燃其他燃燒器。這種燃燒器點燃方式要求在設計燃燒器間距時要滿足燃燒器的點火距離，以使火炬燃燒時燃燒器全部點燃。燃燒器的點火距離與燃燒器燃燒時火焰的直徑和火炬氣的點火溫度有關。不同組分的火炬氣其點火溫度不同，所以同一種燃燒器在燃燒不同的火炬氣時，其點火距離是不同的。設計人員在確定火炬點火間距時要充分考慮燃燒器的特點和火炬氣的點火溫度。該火炬燃燒器是一種燃燒完全，消煙充分的環保型燃燒器，采用的是耐熱不銹鋼材料，結構上采用多孔小型噴嘴、小火焰，燃燒均勻，在燃燒器底部設有蒸汽噴射環管，將蒸汽噴入燃燒器中。噴入燃燒器的水蒸氣及其帶入的空氣起助燃作用，促進火炬氣完全燃燒，從而達到消煙的目的。燃燒器結構見圖2。

圖2 燃燒器結構Fig.2 Sketch map of structure of the burner

這種燃燒器結構使火焰的剛性比較強，火焰直徑較小。燃燒器間距過大時，需要被點燃的燃燒器達不到著火溫度，燃燒器之間就不能相互點燃。由于火炬設計單位沒有考慮到這種燃燒器的特點，將燃燒器的距離設計得過大，火炬在試運行時遇到了燃燒器不能相互點燃的問題。根據燃燒器實際燃燒時火焰的大小，將燃燒器間的距離由1000～1800 mm減小到400～600 mm，經過實際運行驗證，火炬燃燒器相互點燃迅速，解決了燃燒器不能相互點燃的問題。火炬設計人員由于沒有考慮到燃燒器的特點和火炬氣的可燃性在實際情況下往往比較差的常規，而將火炬點火間距設計得過大，造成火炬燃燒器不能全部點燃，在以后的火炬設計中要將火炬點火間距設計得盡量保守一些。

2.2 火炬次級燃燒器投入運行壓力的確定

地面火炬采用多級燃燒系統，即將燃燒器分級，在火炬氣流量較小時只使用一級燃燒器，火炬氣流量增大時后續幾級燃燒器才會逐步投入運行。火炬氣流量是通過安裝在火炬氣管道上的壓力變送器測得的壓力來衡量的，壓力越高說明火炬氣流量越大。次級火炬燃燒器投入運行是靠安裝在上一級火炬氣管線上的壓力變送器測得的壓力控制，壓力變送器測得的壓力大于PLC上的設定值時，次級燃燒器投入運行，PLC壓力設定值的確定在實際運行中是一個關鍵的因素。設計者按照每級火炬的處理能力計算出本級火炬管線的壓力上限，該壓力值就是次級火炬投入運行的設定值。

對于東方石化地面火炬，設計推薦的火炬次級開啟壓力為6 kPa，次級全開的壓力為12 kPa。在VAC火炬試車運行中，當VAC裝置大量排放尾氣時，VAC火炬氣管線的壓力最大達到60 kPa，而火炬氣管線的設計運行壓力為30 kPa，大大超過設計壓力，造成VAC水封罐水封管噴出火炬氣，十分危險。這是因為異常排放時火炬氣排放氣量在很短的時間內達到最大值，火炬氣管線壓力上升十分迅速，當火炬氣壓力變送器檢測到6 kPa的壓力，由PLC發出動作指令到控制閥，再由控制閥執行指令需要一段時間，在這段時間內，水封罐內的壓力已經超過30 kPa，造成短時間超壓，水封罐內的火炬氣從水封管噴出來。為了找到徹底解決問題的方法，經過認真分析分級控制特點，認為解決問題的關鍵是控制二級、三級火炬氣控制閥在火炬氣壓力上升初期就適當開啟，避免壓力迅速上升時開閥動作遲緩，造成水封罐超壓。經過實際摸索，將火炬二級、三級的開閥壓力設置為2 kPa，閥門開度100%的壓力設置為4 kPa，而設計壓力分別為6和12 kPa，現在的壓力只有設計值的1/3。這樣在比較低的壓力下，下一級火炬氣控制閥就打開了。在以后VAC裝置大量排氣時，由于二級、三級火炬氣控制閥及時打開泄壓，水封罐的最高壓力只有12 kPa，處于水封罐正常壓力范圍之內，解決了VAC火炬大量排氣時水封罐的超壓問題。在實際工程中，由于事故狀態下火炬氣排放氣量在瞬間就能達到設計最大值，所以多級火炬的次級投入運行壓力要比計算值低很多，才能滿足火炬氣排放氣量變化的要求。通過改變火炬PLC控制次級開啟壓力值能夠很方便地設定火炬次級開啟壓力，只要調試人員根據實際運行數據進行修訂就可以了。

2.3 火炬氣管線堵塞的問題

在實際工程中，由于火炬氣中可能帶有液體或膠體物質，在火炬氣進入燃燒器之前需要設置氣液分離罐，以免雜質進入燃燒器影響燃燒。水封罐也可以將這些雜質截留，隨著水封罐溢流水排出。但是有些膠體物質會在火炬管線中聚集，逐漸堵塞管線，使火炬無法正常運行。VAE火炬運行初期比較正常，但2010年1月以后，開始有棕紅色小塊柔軟的膠狀物從VAE水封管流出，1個月后造成水封管堵塞。在檢修VAE水封管時，從水封管中清理出大量膠狀物，水封管回裝后出水正常。同年9月，VAE火炬管線堵塞，檢修時發現進入界區處一個彎頭被膠狀物堵塞，疏通管線后排氣正常。VAE火炬氣管線和水封罐中結膠的主要原因是VAE火炬氣中含有的少量醋酸乙烯會在水封罐和管線中聚合，形成膠狀物堵塞管線。因為醋酸乙烯遇水會緩慢聚合，形成塊狀膠體。聚合物還會隨著水封罐溢流水流入水封管，在水封管結膠堵塞水封管。由于醋酸乙烯遇水聚合的速度比較緩慢，所以解決水封管堵塞的辦法是保持較多的水封罐溢流水量，可將還未聚合的醋酸乙烯或少量形成的聚合物隨水排出。對于在管道中結膠的醋酸乙烯可以向VAE火炬氣中加入阻聚劑，防止其發生聚合反應。在實際運行中采取以上兩項措施，解決了VAE火炬氣管線堵塞的問題。所以在工程設計中要考慮火炬氣有沒有結膠的可能性，如果有，需要采取必要的措施，如在容易堵塞處設計旁通路徑，以及工藝上可以采取的一些措施，如加入阻聚劑。

2.4 長明燈全部熄滅和自動點火困難的問題

長明燈作為保證火炬正常運行的關鍵因素之一，應該能夠在惡劣環境中正常工作，不怕大風、暴雨和暴雪。地面火炬長明燈采用文丘里原理，引射空氣預混，使火焰的剛性變強，能夠抵御惡劣天氣。只有預混的空氣燃氣比例適當，長明燈才能被點燃。在實際操作中，首次點燃長明燈時，需要確定合適的天然氣壓力和適當的文丘里風門大小。要保持一定的天然氣壓力，將文丘里風門置于較小位置，試點長明燈。如果有爆鳴聲，說明空氣量過大，通過調小文丘里空氣風門繼續試點;如果點火聲音很小，長明燈不著，說明文丘里風門過小，需要調大風門，直到點燃。確定好天然氣壓力和文丘里風門大小后，就可以實現PLC自動點火。

火炬長明燈有時出現全部熄滅，有時出現長明燈爆鳴，經過幾個小時后長明燈又恢復正常。這種情況出現時長明燈天然氣壓力首先出現波動，然后就會出現長明燈熄滅或爆鳴。經過調查，天然氣壓力變化是由于外界天然氣有變化，天然氣品質下降，可燃組分減少，雜質增多，使長明燈文丘里燃氣預混管內空氣比增大。空氣比例增大到一定程度，處于可燃氣爆炸極限之內產生爆鳴，空氣比過大時使得長明燈熄滅［1］。天然氣品質好轉后，長明燈會恢復正常。避免長明燈全部熄滅，需要外界提供品質好的天然氣。如果天然氣品質下降，處理方法是通過調小文丘里管空氣進口，減小空氣量，使燃氣空氣比例合適，長明燈就能恢復正常。

3 存在的問題和建議

3.1 減少長明燈個數的可能性

燃燒塔內總計83個燃燒器分成14排，均勻分布，每排設置1盞長明燈，總計14盞，長明燈能確保任何時候排放的火炬氣被及時點燃。14盞長明燈共需消耗天然氣40 m3/h，因此天然氣的消耗是火炬運行的主要成本之一。減少長明燈的數量可以降低火炬的運行成本。

因為每排的燃燒器是靠相互引燃點燃的，所以各排之間只要間距合適，則可以互相點燃。為了保證燃燒器能夠全部點燃，且最大限度地減少長明燈數量，每級燃燒器設置1盞長明燈，各級燃燒器間的距離采用600 mm，這樣每級燃燒器即可由本級長明燈點燃，也可由相鄰的燃燒器點燃。在燃燒器的布置方面，其密度要大于目前的布置方法，有可能產生空氣供應不足而燃燒不完全的問題。但是考慮到燃燒后的熱煙氣在圓筒燃燒塔的拔力作用下，從燃燒塔頂部排出，從而在燃燒區域形成了一定負壓，這樣外界的空氣就能夠自動地從燃燒塔底部源源不斷地進入燃燒塔內，從而保證火炬氣燃燒所需要的足夠空氣量。如果按此設想布置長明燈，長明燈的個數就可以由14盞減少到8盞，可以節約天然氣42%。

3.2 逐級燃燒的可靠性

雖然地面火炬采用分級燃燒系統，使它的控制變得復雜，但它卻提高了地面火炬對火炬氣流量變化的適應性，可保證地面火炬在火炬氣流量波動時穩定燃燒，滿足了火炬燃燒時保持火焰穩定性的要求，可以防止火炬回火和脫火［10］。但是這種逐級燃燒方式下，第三級燃燒器投入運行是靠第二級的壓力變送器來控制的，如果第二級火炬氣排放調節閥出現故障打不開，那么第三級及以后的各級火炬氣排放調節閥都將無法正常工作，會致使水封罐超壓，火炬氣從水封罐泄漏，造成極大的安全隱患。所以必須保證火炬氣排放調節閥、壓力變送器正常工作。一旦出現某一級火炬氣調節閥故障，水封罐壓力異常升高，則需要人工手動在PLC控制板上打開次級火炬氣調節閥泄壓，還要手動打開相應的蒸汽閥消煙助燃。因此需要編制應急預案，并對操作人員進行培訓。

4 結論

地面火炬采用分級燃燒系統，大量使用自動控制方法，提高了火炬的安全性和運行穩定性。地面火炬具有無煙、無火和低噪音的特點，更好地滿足了環境保護的要求。在實際應用中，火炬設計者應更多考慮具體裝置情況的特殊性，使地面火炬達到最佳運行效果。隨著地面火炬在使用中的進一步完善，地面火炬在國內的實際應用會越來越多。

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