LNG接收站火炬防回火設施的設置

蔡榮　趙順喜

摘 要：為防止LNG接收站火炬放空時發生回火爆炸事故，對火炬放空系統回火工況及阻火措施進行了研究。通過對石油化工天然氣行業中常用阻火措施的原理、特性、使用的局限性及優勢進行了對比分析，對LNG接收站火炬系統阻火設施的選用提出了建議。火炬頭應帶有連續吹掃氣的阻火設施；動密封器結構簡單，作為一種本質性防回火措施，在LNG火炬放空系統中使用有一定的優勢；分子封因其結構特性和設計特點，在LNG火炬系統中使用有一定的局限性；LNG火炬放空系統設置阻火器需慎重。

關鍵詞：LNG接收站；防回火；阻火設施；動密封；分子封

前言

LNG 接收站工藝系統并不復雜，但是確保其安全運行尤為重要。火炬系統是液化天然氣接收站的安全設施，對安全生產起著至關重要的作用，要求生產裝置在正常或事故排放時能夠及時通過火炬系統排放燃燒，并滿足嚴格的環保要求。同時，液化天然氣接收站火炬放空系統自身的安全性也非常重要。因此，正確選擇火炬放空系統中防回火設施的顯得極為重要。

1 LNG接收站工藝及火炬系統工藝介紹

由于LNG 從周圍環境中吸收熱量，LNG儲罐內不斷形成一些蒸發氣，這種蒸發氣就是BOG（Boil Off Gas）。LNG 儲罐產生的蒸發氣通過蒸發氣總管進入BOG 壓縮機進行升壓，經壓縮機加壓后的蒸發氣進入再冷凝器與從儲罐送出的LNG 混合后，冷凝成LNG。LNG進入高壓泵入口管線，再經加壓氣化后外輸[1]。

在正常操作工況下，沒有蒸發氣排放至火炬燃燒，火炬用于處理蒸發氣總管超壓排放的低壓氣體。當LNG 儲罐內氣相空間超壓，蒸發氣流量高于壓縮機或再冷凝器的處理能力時，BOG 壓縮機不能控制且壓力超過泄放閥設定值時，LNG儲罐內多余蒸發氣將通過泄放閥泄壓。如果直接排放出工藝氣體會在工藝區擴散，存在一定的安全隱患；其次直接放空排出的甲烷氣體，產生溫室效應遠大于通過火炬燃燒后排放對環境影響；第三深圳地區為雷暴多發地，甲烷氣體直接排放，在泄放過程中若遇雷暴天氣，則存在有爆炸危險，對接收站人員財產安全不利。因此火炬系統要能夠將生產裝置開停車、正常生產及事故工況的各種易燃、易爆、有毒、有害氣體及時、安全、可靠地通過火炬系統泄放、燃燒，處理后的污染物排放完全滿足國家相關環保標準之要求。

2 火炬系統回火工況分析

火炬排放系統是液化天然氣接收站的安全設施。事故狀態下，當系統內排放的烴類氣體和向火炬頭頂端倒流入火炬放空系統的空氣溫合空氣、混合后，其濃度達到了爆炸下限，同時遇到明火時，火炬放空系統即發生回火爆炸。當排放氣體總管或火炬系統的設備內出現負壓現象時，火炬筒頂部正在燃燒著的明火可能返回到火炬筒體直至相連的排放氣體總管和設備內，也會引起爆炸事故。

回火工況主要有以下三種[2]：

（1）當工廠停運，吹掃氣斷流失去密封時，火炬筒體及放空管內存留的烴類氣體和來自火炬頭頂端倒流入火炬放空系統的空氣混合，在達到爆炸下限時，立刻發生爆炸。

（2）在火炬點火過程中，由于未置換盡火炬放空系統中的空氣和放空的烴類氣體混合，且處于爆炸下限，此時點燃長明燈有可能引發回火爆炸。

（3）當火炬在燃燒過程中，排放氣量急劇減少，流速很低，火炬及放空管直徑又偏大時，吹掃氣量不足，不能將大氣中的空氣阻止在火炬頭外，空氣倒流入火炬放空系統，當達到爆炸下限，即刻發生回火爆炸。

3 防止火炬系統回火和爆炸的措施

為防止燃燒爆炸事故的發生，防止火炬系統回火，火炬放空系統中阻火設施的有效性顯得極為重要。目前國內外化工及煉油企業采取以下措施來防止火炬回火[3]：

（1）向火炬系統內吹氣，在任何情況下使火炬系統內排放流量均保持某一最小值以上。

（2）火炬底部附近采用水封或在火炬筒頂部采用氣體密封，并注入一定量的密封氣體，防止火焰從火炬頂部倒入火炬筒體及排放總管內，以達到防止回火的目的。

（3）設阻火器、壓力表及阻火器吹掃設施。

在石油化工企業生產實際中常用防回火措施包括：動態密封器、火炬頭設置分子封、水封罐、緊急吹掃設施、阻火器。下面就常見的幾種防回火措施進行對比。

3.1 放空氣體壓力高于大氣壓

應保證火炬放空系統放空氣體壓力高于大氣壓。在此工況下即使火炬未放空，但只要在靠近火炬頭處連續注入吹掃氣（燃料氣或惰性氣體），就可以維持火炬系統微正壓。如果火炬頭未設吹掃氣密封，注入氣體的最小流速約為0.2～0.3m/s即可阻火。由于連續注入的吹掃氣量要求較大，從經濟性和可行性上考慮，這種阻火方式常被淘汰。

3.2 火炬頭設動態密封器

動態密封器是一個簡單的錐形幾何結構，集成在火炬頭底部，不增加火炬頭幾何尺寸和風載荷，非獨立設備。根據API521中對速度型密封的描述，速度型密封也就是我們常說的動態密封。速度型密封要求吹掃氣體速度在通過火炬頭時達到0.006～0.012m/s[4]。

動密封器是一種本質性防回火措施，動密封工作原理為：當空氣沿火炬頭內壁進入火炬筒體時，由于密封擋板的作用，空氣逐漸改變方向，逆行流動回退至密封器的頂部；同時，帶壓的密封氣體由火炬頭下部流動至密封器處，隨著進入密封器中相對細小的位置，密封氣體的流動速度也隨著增至最大，最終到達密封器的頂部噴射而出。這樣，帶有較高速度的密封氣體把進入到密封器頂部的空氣不斷挾帶著，回噴至火炬頭頂部，進入大氣中，從而達到防止回火的目的。氮氣或燃料氣都可作為密封氣體。

3.3 火炬頭設分子封

分子封即分子密封器，是一個具有迷宮型鐘罩結構的單獨設備。通入吹掃氣密封的流量是影響分子封效果的主要因素，密封氣的設計流量可按照其在火炬出口處流速0.015～0.05m/s計算求得。

分子封防回火的原理是：當火炬處于停工或小流量工作時，連續從火炬總管補充比空氣輕的氮氣或甲烷，利用吹掃氣體的浮力在分子封內形成一個壓力高于大氣壓的區域，這樣使火炬外面的空氣不能進入壓力較高的火炬內部，從而阻止了火炬頭部燃燒著的火焰倒灌及發生內部爆炸事故。分子封的設計特點是：

（1）復雜的迷宮型鐘罩結構，幾何尺寸大，風載荷大，是單獨的設備，需要設計檢修手孔。

（2）一般采用16MNR材料，或者與火炬筒體相同的材料，提高其強度性能。

（3）分子封底部設置排液和清污口，保證分子封通道內部形成積液和雨水積聚。管道外壁保溫，防止嚴寒的冬季發生排液管凍結事故。否則結冰堵塞流道，排放氣出不去，造成嚴重隱患。

（4）在采用分子密封或流體密封時火炬頭出口總要保持一個流速為0.03～0.06m/s 的最小吹掃氣體量。若不采用專利密封，則吹掃氣體要保持向上，流速為0.3～0.6m/s。

根據API521對浮力型密封的描述，浮力型密封也就是我們常說的分子封，設計要求分子封吹掃氣體速度在通過火炬頭時需要達到0.003m/s的流速[4]。

火炬設置分子封，將大大減小吹掃氣的用量。近年來，分子封由于其本身具有一定的優點，已經大量運用在各種低壓火炬上。但是分子封的結構也有其局限性，比如由于迷宮式氣體密封件容易被緊急降壓啟動時產生的沖擊負荷破壞，造成堵塞。因此國外的某些公司規定，分子密封只適用于火炬中氣體速度不超過60m/s的低壓火炬，并禁用在高壓火炬上。因為液化天然氣溫度在到達火炬系統時溫度依然遠低于0℃，這樣勢必導致分子封底部的排污口結冰而無法正常使用。

3.4 火炬放空管路上設水封罐

水封罐也是防止回火和爆炸的可靠措施之一，目前水封罐廣泛應用于煉油廠火炬放空系統。但是水封罐有其局限性，當放空氣體為低溫氣體時水封罐可能結冰。在寒冷地域，如果伴熱保溫不好，罐內液體也容易結冰，此時需要注入防凍劑。水封罐還會增加放空氣排放阻力，并引起水封罐周圍管道的振動[5]。當放空量較小時，可能引起火炬火焰形成脈沖狀。水封罐無法對上游側的放空管進行回火保護。基于以上原因，近年來國內的天然氣處理廠已經很少使用水封罐防止火炬回火和爆炸。

3.5 緊急吹掃的運用

用于常量吹掃的氮氣和分子封、動態密封器配合，以防止空氣侵入火炬系統形成爆炸性混合氣體。氮氣的緊急吹掃主要是防止高溫火炬氣排放后，火炬系統內因冷卻形成負壓，造成外界空氣倒灌。緊急吹掃氮氣管線上的電磁閥將由水封罐前的壓力及流量信號控制，或者由火炬頭溫度信號控制。氮氣總管線上設精密藍式過濾器、自力式調節閥、排凝閥、壓力表和低壓報警開關等。緊急吹掃阻火并不是一種本質性防回火措施，一般配合分子封或者動態密封使用。

3.6 阻火器的運用

阻火器又名防火器，阻火器的作用是防止外部火焰竄入存有易燃易爆氣體的設備、管道內或阻止火焰在設備、管道間蔓延的一種安全裝置。阻火器是應用火焰通過熱導體的狹小孔隙時，由于熱量損失而熄滅的原理設計制造。阻火器的阻火層結構有礫石型、金屬絲網型或波紋型。

關于阻火器的工作原理，主要有兩種觀點：一是基于傳熱作用；二是基于器壁效應。

3.6.1 傳熱作用

燃燒所需要的必要條件之一就是要達到一定的溫度，即著火點。低于著火點，燃燒就會停止。依照這一原理，只要將燃燒物質的溫度降到其著火點以下，就可以阻止火焰的蔓延。當火焰通過阻火元件的許多細小通道之后將變成若干細小的火焰。設計阻火器內部的阻火元件時，則盡可能擴大細小火焰和通道壁的接觸面積，強化傳熱，使火焰溫度降到著火點以下，從而阻止火焰蔓延。

3.6.2 器壁效應

燃燒與爆炸并不是分子間直接反應，而是受外來能量的激發，分子鍵遭到破壞，產生活化分子，活化分子又分裂為壽命短但卻很活潑的自由基，自由基與其它分子相撞，生成新的產物，同時也產生新的自由基再繼續與其它分子發生反應。當燃燒的可燃氣通過阻火元件的狹窄通道時，自由基與通道壁的碰撞幾率增大，參加反應的自由基減少。當阻火器的通道窄到一定程度時，自由基與通道壁的碰撞占主導地位，由于自由基數量急劇減少，反應不能繼續進行，也即燃燒反應不能通過阻火器繼續傳播。

隨著阻火器通道尺寸的減小，自由基與反應分子之間碰撞幾率隨之減少，而自由基與通道壁的碰撞幾率反而增加，這樣就促使自由基反應減低。當通道尺寸減少到某一數值時，這種器壁效應就造成了火焰不能繼續傳播的條件，火焰即被阻止。因此器壁效應是防止火焰的主要機理。

根據石油天然氣工程設計防火規范[6]規定，放空管道必須保持暢通，任何可能引放空管道暢通的因素都要避免。因此，在放空管道上安裝阻火器必須慎重。一般的阻火器是由銅絲網等阻火材料組成，由于其結構的特殊性，可能存在以下幾個問題：

（1）由于放空氣體流速較高，容易破壞阻火器結構，絲網脫落后殘留在放空管道中不易察覺，時間長了極易造成堵塞。

（2）放空氣體若含有少量雜質，可能造成阻火器堵塞，阻斷放空氣流。

（3）如果阻火器安接在靠近火炬端，在火炬點燃后，由于熱膨脹等因素，可能導致事故發生。

（4）放空氣含有H2S等腐蝕介質時，放空管道容易生成硫化鐵，引起自燃的風險應當予以考慮，設計和選材都應引起重視。

國外一些公司規定，只能在無法使用吹掃氣且排放氣體是潔凈燒類氣體時才可使用阻火器，一般來說設置了阻火器需同時設置相應的爆破片，阻火器的位置應靠近放空火炬端，但需為其維護和檢查留出一定通道，目的是為了防止放空管內發生爆炸。應該定期檢查安裝的所有阻火器， 特別是那些沒有連續放空氣體通過的阻火器、處于吸入工況下使用的阻火器和堵塞危險相對較高的阻火器。

4 結束語

通過對液化天然氣接收站工藝和火炬放空系統工藝的簡單介紹，了解火炬放空系統發生回火爆炸危害及防回火爆炸設施對火炬系統安全運行的重要性。文章分析了火炬放空系統可能發生回火爆炸的幾種工況，并根據石油化工行業近年來常用的防回火措施及其防回火原理進行了調研分析。筆者對液化天然氣接收站火炬放空系統中阻火設施的選用提出如下建議：（1）火炬頭應帶有連續吹掃氣的阻火設施；（2）動密封器結構簡單，作為一種本質性防回火措施，在LNG火炬放空系統中使用有一定的優勢；（3）分子封由于其結構特性和設計特點，在LNG火炬系統中使用有一定的局限性。（4）LNG火炬放空系統設置阻火器需慎重。

LNG火炬系統的設計是一個復雜的過程，需要注意解決的問題很多。火炬設計必須在充分分析各種安全因素的基礎上，綜合考慮每個環節，才能設計出高質量的火炬系統，從而保證整個LNG接收站的安全運行。

參考文獻

[1]張奕.液化天然氣接收站的工藝流程[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2012.2，14-1.

[2]胡玲.天然氣處理廠火炬放空阻火設施的設置[J].天然氣與石油，2011.10.

[3]SH3009-2001.石油化工企業燃料氣系統和可燃性氣體排放系統設計規范.

[4]API 521-2007， Guide for Pressure- Relieving and Depressuring Systems.

[5]余漢成，超量放空時放空立管工況分析與垂直反力計算[J].天然氣與石油，2009，27（5）；10-13.

[6]GB 50183-2004，石油天然氣工程設計防火規范[S].

作者簡介：蔡榮（1982-），女，湖北丹江口，碩士研究生，機械工程師。

分子封防回火的原理是：當火炬處于停工或小流量工作時，連續從火炬總管補充比空氣輕的氮氣或甲烷，利用吹掃氣體的浮力在分子封內形成一個壓力高于大氣壓的區域，這樣使火炬外面的空氣不能進入壓力較高的火炬內部，從而阻止了火炬頭部燃燒著的火焰倒灌及發生內部爆炸事故。分子封的設計特點是：

（1）復雜的迷宮型鐘罩結構，幾何尺寸大，風載荷大，是單獨的設備，需要設計檢修手孔。

（2）一般采用16MNR材料，或者與火炬筒體相同的材料，提高其強度性能。

（3）分子封底部設置排液和清污口，保證分子封通道內部形成積液和雨水積聚。管道外壁保溫，防止嚴寒的冬季發生排液管凍結事故。否則結冰堵塞流道，排放氣出不去，造成嚴重隱患。

（4）在采用分子密封或流體密封時火炬頭出口總要保持一個流速為0.03～0.06m/s 的最小吹掃氣體量。若不采用專利密封，則吹掃氣體要保持向上，流速為0.3～0.6m/s。

根據API521對浮力型密封的描述，浮力型密封也就是我們常說的分子封，設計要求分子封吹掃氣體速度在通過火炬頭時需要達到0.003m/s的流速[4]。

火炬設置分子封，將大大減小吹掃氣的用量。近年來，分子封由于其本身具有一定的優點，已經大量運用在各種低壓火炬上。但是分子封的結構也有其局限性，比如由于迷宮式氣體密封件容易被緊急降壓啟動時產生的沖擊負荷破壞，造成堵塞。因此國外的某些公司規定，分子密封只適用于火炬中氣體速度不超過60m/s的低壓火炬，并禁用在高壓火炬上。因為液化天然氣溫度在到達火炬系統時溫度依然遠低于0℃，這樣勢必導致分子封底部的排污口結冰而無法正常使用。

3.4 火炬放空管路上設水封罐

水封罐也是防止回火和爆炸的可靠措施之一，目前水封罐廣泛應用于煉油廠火炬放空系統。但是水封罐有其局限性，當放空氣體為低溫氣體時水封罐可能結冰。在寒冷地域，如果伴熱保溫不好，罐內液體也容易結冰，此時需要注入防凍劑。水封罐還會增加放空氣排放阻力，并引起水封罐周圍管道的振動[5]。當放空量較小時，可能引起火炬火焰形成脈沖狀。水封罐無法對上游側的放空管進行回火保護。基于以上原因，近年來國內的天然氣處理廠已經很少使用水封罐防止火炬回火和爆炸。

3.5 緊急吹掃的運用

用于常量吹掃的氮氣和分子封、動態密封器配合，以防止空氣侵入火炬系統形成爆炸性混合氣體。氮氣的緊急吹掃主要是防止高溫火炬氣排放后，火炬系統內因冷卻形成負壓，造成外界空氣倒灌。緊急吹掃氮氣管線上的電磁閥將由水封罐前的壓力及流量信號控制，或者由火炬頭溫度信號控制。氮氣總管線上設精密藍式過濾器、自力式調節閥、排凝閥、壓力表和低壓報警開關等。緊急吹掃阻火并不是一種本質性防回火措施，一般配合分子封或者動態密封使用。

3.6 阻火器的運用

阻火器又名防火器，阻火器的作用是防止外部火焰竄入存有易燃易爆氣體的設備、管道內或阻止火焰在設備、管道間蔓延的一種安全裝置。阻火器是應用火焰通過熱導體的狹小孔隙時，由于熱量損失而熄滅的原理設計制造。阻火器的阻火層結構有礫石型、金屬絲網型或波紋型。

關于阻火器的工作原理，主要有兩種觀點：一是基于傳熱作用；二是基于器壁效應。

3.6.1 傳熱作用

燃燒所需要的必要條件之一就是要達到一定的溫度，即著火點。低于著火點，燃燒就會停止。依照這一原理，只要將燃燒物質的溫度降到其著火點以下，就可以阻止火焰的蔓延。當火焰通過阻火元件的許多細小通道之后將變成若干細小的火焰。設計阻火器內部的阻火元件時，則盡可能擴大細小火焰和通道壁的接觸面積，強化傳熱，使火焰溫度降到著火點以下，從而阻止火焰蔓延。

3.6.2 器壁效應

燃燒與爆炸并不是分子間直接反應，而是受外來能量的激發，分子鍵遭到破壞，產生活化分子，活化分子又分裂為壽命短但卻很活潑的自由基，自由基與其它分子相撞，生成新的產物，同時也產生新的自由基再繼續與其它分子發生反應。當燃燒的可燃氣通過阻火元件的狹窄通道時，自由基與通道壁的碰撞幾率增大，參加反應的自由基減少。當阻火器的通道窄到一定程度時，自由基與通道壁的碰撞占主導地位，由于自由基數量急劇減少，反應不能繼續進行，也即燃燒反應不能通過阻火器繼續傳播。

隨著阻火器通道尺寸的減小，自由基與反應分子之間碰撞幾率隨之減少，而自由基與通道壁的碰撞幾率反而增加，這樣就促使自由基反應減低。當通道尺寸減少到某一數值時，這種器壁效應就造成了火焰不能繼續傳播的條件，火焰即被阻止。因此器壁效應是防止火焰的主要機理。

根據石油天然氣工程設計防火規范[6]規定，放空管道必須保持暢通，任何可能引放空管道暢通的因素都要避免。因此，在放空管道上安裝阻火器必須慎重。一般的阻火器是由銅絲網等阻火材料組成，由于其結構的特殊性，可能存在以下幾個問題：

（1）由于放空氣體流速較高，容易破壞阻火器結構，絲網脫落后殘留在放空管道中不易察覺，時間長了極易造成堵塞。

（2）放空氣體若含有少量雜質，可能造成阻火器堵塞，阻斷放空氣流。

（3）如果阻火器安接在靠近火炬端，在火炬點燃后，由于熱膨脹等因素，可能導致事故發生。

（4）放空氣含有H2S等腐蝕介質時，放空管道容易生成硫化鐵，引起自燃的風險應當予以考慮，設計和選材都應引起重視。

國外一些公司規定，只能在無法使用吹掃氣且排放氣體是潔凈燒類氣體時才可使用阻火器，一般來說設置了阻火器需同時設置相應的爆破片，阻火器的位置應靠近放空火炬端，但需為其維護和檢查留出一定通道，目的是為了防止放空管內發生爆炸。應該定期檢查安裝的所有阻火器， 特別是那些沒有連續放空氣體通過的阻火器、處于吸入工況下使用的阻火器和堵塞危險相對較高的阻火器。

4 結束語

通過對液化天然氣接收站工藝和火炬放空系統工藝的簡單介紹，了解火炬放空系統發生回火爆炸危害及防回火爆炸設施對火炬系統安全運行的重要性。文章分析了火炬放空系統可能發生回火爆炸的幾種工況，并根據石油化工行業近年來常用的防回火措施及其防回火原理進行了調研分析。筆者對液化天然氣接收站火炬放空系統中阻火設施的選用提出如下建議：（1）火炬頭應帶有連續吹掃氣的阻火設施；（2）動密封器結構簡單，作為一種本質性防回火措施，在LNG火炬放空系統中使用有一定的優勢；（3）分子封由于其結構特性和設計特點，在LNG火炬系統中使用有一定的局限性。（4）LNG火炬放空系統設置阻火器需慎重。

LNG火炬系統的設計是一個復雜的過程，需要注意解決的問題很多。火炬設計必須在充分分析各種安全因素的基礎上，綜合考慮每個環節，才能設計出高質量的火炬系統，從而保證整個LNG接收站的安全運行。

參考文獻

[1]張奕.液化天然氣接收站的工藝流程[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2012.2，14-1.

[2]胡玲.天然氣處理廠火炬放空阻火設施的設置[J].天然氣與石油，2011.10.

[3]SH3009-2001.石油化工企業燃料氣系統和可燃性氣體排放系統設計規范.

[4]API 521-2007， Guide for Pressure- Relieving and Depressuring Systems.

[5]余漢成，超量放空時放空立管工況分析與垂直反力計算[J].天然氣與石油，2009，27（5）；10-13.

[6]GB 50183-2004，石油天然氣工程設計防火規范[S].

作者簡介：蔡榮（1982-），女，湖北丹江口，碩士研究生，機械工程師。

分子封防回火的原理是：當火炬處于停工或小流量工作時，連續從火炬總管補充比空氣輕的氮氣或甲烷，利用吹掃氣體的浮力在分子封內形成一個壓力高于大氣壓的區域，這樣使火炬外面的空氣不能進入壓力較高的火炬內部，從而阻止了火炬頭部燃燒著的火焰倒灌及發生內部爆炸事故。分子封的設計特點是：

（1）復雜的迷宮型鐘罩結構，幾何尺寸大，風載荷大，是單獨的設備，需要設計檢修手孔。

（2）一般采用16MNR材料，或者與火炬筒體相同的材料，提高其強度性能。

（3）分子封底部設置排液和清污口，保證分子封通道內部形成積液和雨水積聚。管道外壁保溫，防止嚴寒的冬季發生排液管凍結事故。否則結冰堵塞流道，排放氣出不去，造成嚴重隱患。

（4）在采用分子密封或流體密封時火炬頭出口總要保持一個流速為0.03～0.06m/s 的最小吹掃氣體量。若不采用專利密封，則吹掃氣體要保持向上，流速為0.3～0.6m/s。

根據API521對浮力型密封的描述，浮力型密封也就是我們常說的分子封，設計要求分子封吹掃氣體速度在通過火炬頭時需要達到0.003m/s的流速[4]。

火炬設置分子封，將大大減小吹掃氣的用量。近年來，分子封由于其本身具有一定的優點，已經大量運用在各種低壓火炬上。但是分子封的結構也有其局限性，比如由于迷宮式氣體密封件容易被緊急降壓啟動時產生的沖擊負荷破壞，造成堵塞。因此國外的某些公司規定，分子密封只適用于火炬中氣體速度不超過60m/s的低壓火炬，并禁用在高壓火炬上。因為液化天然氣溫度在到達火炬系統時溫度依然遠低于0℃，這樣勢必導致分子封底部的排污口結冰而無法正常使用。

3.4 火炬放空管路上設水封罐

水封罐也是防止回火和爆炸的可靠措施之一，目前水封罐廣泛應用于煉油廠火炬放空系統。但是水封罐有其局限性，當放空氣體為低溫氣體時水封罐可能結冰。在寒冷地域，如果伴熱保溫不好，罐內液體也容易結冰，此時需要注入防凍劑。水封罐還會增加放空氣排放阻力，并引起水封罐周圍管道的振動[5]。當放空量較小時，可能引起火炬火焰形成脈沖狀。水封罐無法對上游側的放空管進行回火保護。基于以上原因，近年來國內的天然氣處理廠已經很少使用水封罐防止火炬回火和爆炸。

3.5 緊急吹掃的運用

用于常量吹掃的氮氣和分子封、動態密封器配合，以防止空氣侵入火炬系統形成爆炸性混合氣體。氮氣的緊急吹掃主要是防止高溫火炬氣排放后，火炬系統內因冷卻形成負壓，造成外界空氣倒灌。緊急吹掃氮氣管線上的電磁閥將由水封罐前的壓力及流量信號控制，或者由火炬頭溫度信號控制。氮氣總管線上設精密藍式過濾器、自力式調節閥、排凝閥、壓力表和低壓報警開關等。緊急吹掃阻火并不是一種本質性防回火措施，一般配合分子封或者動態密封使用。

3.6 阻火器的運用

阻火器又名防火器，阻火器的作用是防止外部火焰竄入存有易燃易爆氣體的設備、管道內或阻止火焰在設備、管道間蔓延的一種安全裝置。阻火器是應用火焰通過熱導體的狹小孔隙時，由于熱量損失而熄滅的原理設計制造。阻火器的阻火層結構有礫石型、金屬絲網型或波紋型。

關于阻火器的工作原理，主要有兩種觀點：一是基于傳熱作用；二是基于器壁效應。

3.6.1 傳熱作用

燃燒所需要的必要條件之一就是要達到一定的溫度，即著火點。低于著火點，燃燒就會停止。依照這一原理，只要將燃燒物質的溫度降到其著火點以下，就可以阻止火焰的蔓延。當火焰通過阻火元件的許多細小通道之后將變成若干細小的火焰。設計阻火器內部的阻火元件時，則盡可能擴大細小火焰和通道壁的接觸面積，強化傳熱，使火焰溫度降到著火點以下，從而阻止火焰蔓延。

3.6.2 器壁效應

燃燒與爆炸并不是分子間直接反應，而是受外來能量的激發，分子鍵遭到破壞，產生活化分子，活化分子又分裂為壽命短但卻很活潑的自由基，自由基與其它分子相撞，生成新的產物，同時也產生新的自由基再繼續與其它分子發生反應。當燃燒的可燃氣通過阻火元件的狹窄通道時，自由基與通道壁的碰撞幾率增大，參加反應的自由基減少。當阻火器的通道窄到一定程度時，自由基與通道壁的碰撞占主導地位，由于自由基數量急劇減少，反應不能繼續進行，也即燃燒反應不能通過阻火器繼續傳播。

隨著阻火器通道尺寸的減小，自由基與反應分子之間碰撞幾率隨之減少，而自由基與通道壁的碰撞幾率反而增加，這樣就促使自由基反應減低。當通道尺寸減少到某一數值時，這種器壁效應就造成了火焰不能繼續傳播的條件，火焰即被阻止。因此器壁效應是防止火焰的主要機理。

根據石油天然氣工程設計防火規范[6]規定，放空管道必須保持暢通，任何可能引放空管道暢通的因素都要避免。因此，在放空管道上安裝阻火器必須慎重。一般的阻火器是由銅絲網等阻火材料組成，由于其結構的特殊性，可能存在以下幾個問題：

（1）由于放空氣體流速較高，容易破壞阻火器結構，絲網脫落后殘留在放空管道中不易察覺，時間長了極易造成堵塞。

（2）放空氣體若含有少量雜質，可能造成阻火器堵塞，阻斷放空氣流。

（3）如果阻火器安接在靠近火炬端，在火炬點燃后，由于熱膨脹等因素，可能導致事故發生。

（4）放空氣含有H2S等腐蝕介質時，放空管道容易生成硫化鐵，引起自燃的風險應當予以考慮，設計和選材都應引起重視。

國外一些公司規定，只能在無法使用吹掃氣且排放氣體是潔凈燒類氣體時才可使用阻火器，一般來說設置了阻火器需同時設置相應的爆破片，阻火器的位置應靠近放空火炬端，但需為其維護和檢查留出一定通道，目的是為了防止放空管內發生爆炸。應該定期檢查安裝的所有阻火器， 特別是那些沒有連續放空氣體通過的阻火器、處于吸入工況下使用的阻火器和堵塞危險相對較高的阻火器。

4 結束語

通過對液化天然氣接收站工藝和火炬放空系統工藝的簡單介紹，了解火炬放空系統發生回火爆炸危害及防回火爆炸設施對火炬系統安全運行的重要性。文章分析了火炬放空系統可能發生回火爆炸的幾種工況，并根據石油化工行業近年來常用的防回火措施及其防回火原理進行了調研分析。筆者對液化天然氣接收站火炬放空系統中阻火設施的選用提出如下建議：（1）火炬頭應帶有連續吹掃氣的阻火設施；（2）動密封器結構簡單，作為一種本質性防回火措施，在LNG火炬放空系統中使用有一定的優勢；（3）分子封由于其結構特性和設計特點，在LNG火炬系統中使用有一定的局限性。（4）LNG火炬放空系統設置阻火器需慎重。

LNG火炬系統的設計是一個復雜的過程，需要注意解決的問題很多。火炬設計必須在充分分析各種安全因素的基礎上，綜合考慮每個環節，才能設計出高質量的火炬系統，從而保證整個LNG接收站的安全運行。

參考文獻

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作者簡介：蔡榮（1982-），女，湖北丹江口，碩士研究生，機械工程師。