高架火炬的應用

莫 佩 張富國

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉453731)

河南心連心化肥有限公司是以生產尿素、甲醇和熱電聯產一體化的股份公司。其原料結構調整項目是目前為止承擔的最大規模的合成氨項目，即以煤為原料，采用水煤漿加壓氣化技術的大型合成氨及國產CO2汽提尿素工藝的全套新建裝置。整套裝置包括空分、氣化、合成、尿素等23個主系統。根據此23個主系統工藝進行分析，必須設置1套火炬系統作為該裝置生產、事故排放及配套的安全設施，以保證項目相關裝置在開、停車狀態，正常狀態及事故狀態時產生的放空氣能及時、安全、可靠地放空燃燒，并滿足熱輻射、有害氣體排放濃度等環保要求。

1 火炬系統的基本配置

本項目火炬系統采用高架火炬，火炬總高70 m，塔架高度65 m。整套火炬系統分為事故火炬、酸性氣火炬和氨火炬系統。事故火炬用于焚燒處理在氣化爐開工、事故、緊急、非正常生產工況下產生的易燃和有毒氣體；酸性氣火炬用于焚燒處理在正常、事故、緊急、非正常生產工況下產生的酸性氣體及裝置運行時產生的常排氣體；氨火炬用于焚燒處理在正常、事故、緊急、非正常生產工況下產生的含氨氣體；排放氣分4路(其中1路為低溫氨排放氣)分別進入火炬排放系統，經過各自的獨立排放管線進行燃燒放空，4路排放氣筒體采用同一座塔架支撐。事故火炬設置水封分液罐和分子密封器各1臺，酸性氣火炬和氨火炬分別設阻火器和流體封各1臺。

2 火炬系統簡要說明

(1)事故火炬系統。事故火炬氣進入界區后經分液罐、水封罐、火炬筒體在火炬頭燃燒排放。

(2)氨火炬系統。冷、熱氨火炬氣進入界區后分別經阻火器進入冷、熱氨火炬筒體在各火炬頭燃燒排放。

(3)酸性氣火炬系統。酸性火炬氣進入界區后經水封分液罐、阻火器、火炬筒體在火炬頭燃燒排放。

(4)燃料氣系統。燃料氣進入界區后作為長明燈，高空、地面點火器及助燃燃料氣的氣源。

(5)儀表空氣系統。來自外網的儀表空氣，除滿足儀表用氣外，同時進入地面點火器，作混合爆燃用空氣。

(6)氮氣系統。氮氣作為火炬分子密封器密封介質，用于防止回火及系統吹掃。

(7)生產水系統。生產水用于維持水封分液罐液位。

(8)凝液系統。開工事故火炬水封分液罐內的凝液經凝液泵加壓送出界區集中處理。

3 工藝計算

3.1 設計能力的確定

按不考慮任何工況同時發生為原則，確定設計能力：事故火炬設計能力為氣化系統事故排放氣443 305 m3/h(標態)；冷氨火炬設計能力為氨罐區排放氣7 250 m3/h(標態)；熱氨火炬設計能力為氨冷凍冷源中斷排放氣3 774.8 m3/h(標態)；酸性氣火炬設計能力為低溫甲醇洗系統排放氣6 219 m3/h(標態)。

3.2 火炬直徑的確定

按火炬設計處理能力計算，開工事故火炬直徑為DN 1 300 mm，馬赫數為0.140 3；冷氨火炬直徑為DN 250 mm，馬赫數為0.091 9；熱氨火炬直徑為DN 600 mm，馬赫數為0.164 1；酸性氣火炬直徑為DN 250 mm，馬赫數為0.130 6。

3.3 火炬高度的確定

(1)按熱輻射計算。對火炬高度的確定主要依據是地面熱輻射強度，且不考慮太陽熱輻射影響，僅考慮火炬氣的燃燒對距離火炬頭任意處的所產生的熱輻射強度。取全年平均風速2.13 m/s、全年平均氣溫14.7 ℃、歷年平均相對濕度67%、平均氣壓100.807 kPa為計算氣象參數，不考慮任何工況排放氣同時排放燃燒的可能性，以對地面產生的最大熱輻射值≤1.58 kW/m2為指標進行控制。經核算，氣化系統水洗塔間斷排放火炬氣時燃燒對地面熱輻射最大，計算得到火炬總高為40 m。

(2)有毒有害物排放速率計算。按低溫甲醇洗系統間斷排放火炬氣3 774.8 m3/h(標態)、硫化氫體積分數40.68%(各股排放氣中硫化氫體積分數最大值)、火炬頭燃盡率99.50%計，硫化氫排放速率為11.65 kg/h。根據GB 14554—1993《惡臭污染排放標準》的要求，可得火炬總高度為70 m。

綜合考慮熱輻射及有毒有害物排放速率，確定火炬總高度為70 m。

4 裝置運行過程中出現的主要問題

(1)自動點火系統點燃率未達到設計指標。自動點火系統點燃率偏低，與設計值100%差距較大，不能保證火炬頭處的長明燈100%被點燃。

(2)水封分液罐水位偏高。生產運行中，水封分液罐水位偏高，甚至還有充滿水的可能，污油泵不能及時排除分液罐中分出的液體。

(3)有輕微的火雨現象?；鹁嫠苌戏接休p微的火雨順風飄下。

(4)事故火炬管線排氣不通暢。事故火炬排放主管管壁有一些結晶，尤其是氨合成放空總管與事故火炬排放管接口處結晶較多，堵塞管道，致使排氣不暢。

(5)水封分液罐出口管道抗振動能力差。水封分液管出口排氣管線振動較大。

5 原因分析

(1)燃料氣的影響。本火炬系統開車采用半水煤氣作為燃料氣。半水煤氣由老裝置供應，采用管道輸送，壓力≤2.4 MPa(表壓)；半水煤氣組成(體積分數)：H243.0%，N217.6%，CO 29.0%，CO28.5%，CH4+Ar 1.5%，O20.4%。從半水煤氣的組成可看出，半水煤氣具備了燃燒的基本條件。實際上，該半水煤氣的成分受生產工況波動影響，有時半水煤氣的質量可能更差，甚至帶水，以至于點燃比較困難，即便是能夠點燃也因為熱值較低而容易熄火，所以，影響了自動點火系統的點燃率。

(2)排放氣成分存在偏差。生產裝置開車、停車及事故工況下，所產生的排放氣成分與設計的排放氣成分存在較大偏差，尤其是氣體中的水分含量，排放氣的含水量遠遠高于設計值，致使水封分液罐分液能力跟不上，水封分液罐液位偏高，甚至積滿，且出口管線因為帶液而振動增大，排放至火炬頭的排放氣夾帶液滴，經燃燒后有火雨現象產生。

(3)合成氨放空總管排放氣含氨。事故火炬接收了一路來自于合成氨放空總管的排放氣，理論上這股排放氣成分中不含氨，但實際生產中，難免會含有少量的氨，進入事故火炬與其他系統排出的氣體中的二氧化碳發生反應，生成碳酸氫銨結晶，堵塞排氣管道。

6 改進措施及效果

(1)改善燃料氣的質量。盡量穩定半水煤氣的質量，并在火炬界區內配置配套的燃料氣緩沖裝置，對燃料氣進行緩沖、過濾并排除多余的水分；再經與火炬技術商溝通，重新調整燃料氣的配比，經多次點火試驗，最終保證了火炬點火系統的點燃率達到100%的理想指標。

(2)降低進界區的排放氣中水含量。針對火炬排放氣中水含量過高的情況進行分析論證、查找原因，最終決定對火炬排放氣管網進行改造，即在從火炬氣排放總管的源頭到火炬界區中間的管網部分，分段增設分液裝置(即在火炬氣外管網處每隔一段距離設置1套分液裝置，共設置4套)，逐漸分離出管網中的排放氣夾帶的水分以及排放氣在較長的運輸管道中運輸過程中冷凝產生的水，以降低排放氣中水含量，減輕水封分液罐的負荷，以保證在送至塔架之前能夠徹底分離掉氣體中的水分。

(3)優化事故火炬的工藝流程。將合成氨放空總管的排放氣由原排至事故火炬總管改為排至氨火炬總管，避免了產生碳酸氫銨結晶而堵塞排放管線。

7 結語

通過對火炬系統的優化和改進，目前火炬系統運行正常，火炬自動點火系統點火率可達100%；優化火炬氣工藝流程，火炬氣排放管線暢通且進入火炬界區內的水分大大減少，再經界區內的水封分液罐分離水分，氣體沿火炬筒體排至火炬頭，完全杜絕了下火雨現象；同時，水封分液罐出口氣體管線振動大和火炬氣排放管線結晶、堵塞的問題也得到了解決，火炬系統的各項工藝消耗均控制在指標范圍內。