大型化工裝置火炬系統防回火技術的研究與探討

高元

（山西焦煤集團飛虹化工股份有限公司，山西 洪洞041606）

山西焦煤60萬噸／年烯烴項目是2010年9月太原能博會期間，山西焦煤與神華集團擬定合作建設的4000萬噸級“煤焦化”循環經濟一體化項目中的重點突破項目。該項目是以甲醇為原料，通過甲醇轉化制烯烴、烯烴分離、烯烴轉化、烯烴聚合等工藝過程生產聚乙烯、聚丙烯產品的大型化工項目。項目配套火炬系統用于各裝置放散氣的處理，承擔可燃氣體事故、開停車及檢修時的放空任務。

本火炬系統分為兩部分：①全廠性火炬系統，負責處理各裝置開停車工況、正常工況及事故工況下排放的可燃性氣體；②檢修火炬，負責處理各裝置停車時，各罐區安全閥排放的可燃性氣體。火炬系統的設計要確保將正常工況和事故工況下各裝置排放的火炬氣充分燃燒，從而使易燃和有害物質轉變為不燃和無害物質，保證各裝置生產的安全穩定運行。火炬的設置嚴格執行國家及行業的規范、標準；設計本著節省投資、減少占地、提高經濟效益且便于生產等原則進行，并力求技術先進、可靠、操作簡單、靈活，完全滿足安全、環保、健康、節能的要求。

目前火炬系統設計中所執行的規范標準一般為API 521—2007《Guide for Pressure－Relieving and Depressuring Systems》［1］、API 537《Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service》［2］、SH 3009—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》［3］、HG／T 20570.12—95《火炬系統設置》［4］。以上規范標準均以早期相對小型化工裝置安全運行數據為其經驗數據。

本次研究探討的目的是以現行的規范標準為理論計算依據，以目前大型化工裝置火炬系統所出現的問題為參考，對火炬系統防回火措施進行有針對性的計算分析，為火炬系統的設計、運行提供參考。

1 火炬系統的回火的發生機理及危害

火炬系統回火現象是指火焰返回到火炬頭或火炬筒體內燃燒或爆炸的現象。當火炬氣噴出速度（ug）小于火焰傳播速度（ut）即ug＜ut時，回火現象產生。表1為幾種氣體在與空氣混合時的火焰傳播速度［5］。

湍流火焰傳播速度經驗公式如式（1）。

式中，ut為湍流速度；u′為脈動速度；ul為層流速度。

由于火炬頭屬于特殊形式的燃燒器，火炬頭出口直徑以火炬氣最大事故放空量設計，而正常工況下火炬氣的流量均較小甚至為零，大直徑火炬頭經常會發生出現回火、燜燒、火炬頭內燃甚至爆炸現象。圖1為湍流火焰傳播速度線算圖。

2 火炬系統的防回火措施

火炬系統防回火一般有如下措施。

2.1 速度型密封器及分子密封器

火炬密封器可分為速度密封器和分子密封器兩大類，分子密封器又分為倒吊鐘式及迷宮擋板式。以上密封器的基本原理均為在密封器各級折彎或縮口處形成逐級減速擴壓效應，密封氣體由火炬密封器的下部通入，形成分子氣墊，從而阻止空氣的回流擴散。通過火炬密封器能減少密封氣體的消耗量，但并不能取代密封氣體的作用。表2為密封氣體速度。

表1 幾種氣體在與空氣混合時的火焰傳播速度

圖1 湍流火焰傳播速度線算

表2 密封氣體速度

2.2 水封

水封可將火炬系統與上游裝置進行有效隔離，水封裝置見圖2。

（1）能滿足排放系統在正常生產條件下有效阻止火炬回火，并確保排放氣體在事故排放時能沖破水封排入火炬。

（2）對于含有大量氫氣、乙炔、環氧乙烷等燃燒速度異常高的可燃性氣體，水封高度應按式（2）計算，水封高度應大于等于300mm。

（3）對于密度小于空氣的可燃性氣體，水封高度應按式（2）計算，水封高度應≥200mm。

（4）對于密度≥空氣的可燃性氣體，水封高度應≥150mm。水封計算式如式（2）。

圖2 火炬系統水封圖

式中，hw為水封高度，m；H為火炬頭出口至地面的垂直距離，m；h為火炬水封液面至火炬頭出口的垂直距離，m；p為火炬頭出口處的壓力，kPa；p1為水封前管網需保持的壓力，kPa；T為可燃性氣體的操作溫度，K；Ta為環境日平均最低溫度，K；ˉM為可燃性氣體的平均相對分子質量。

3 大型化工裝置防回火技術的探討

近年來，隨著國內化工裝置的發展，大型化工裝置火炬系統防回火技術也在摸索中不斷地發展完善。主要體現在以下方面。

3.1 火炬系統優化組織防回火

根據前端工藝裝置火炬氣排放工況特點，對火炬系統進行優化組織，以某煤化工火炬說明如圖3。

圖3 火炬系統優化組織

本方案設常燃硫化氫火炬和甲醇事故火炬，通過水封的作用將火炬總管中正常排放火炬氣及由安全閥、泄壓閥等在正常生產中所泄漏的火炬氣引至常燃硫化氫火炬頭燃燒排放，并通過常燃火焰輔以少量的伴燒氣來保證低熱值火炬氣、酸性氣的穩定完全燃燒。

本燃燒系統有如下優點：①通過設置常燃硫化氫火炬解決了小流量火炬氣在大直徑甲醇事故火炬頭內回火燜燒問題；②硫化氫火炬頭中的常燃火焰為低熱值火炬氣和硫化氫火炬氣提供了穩定的燃燒場和著火源，提高了低熱值火炬氣和硫化氫火炬氣的燃盡率并減少了伴燒氣的用量。

系統安全的保證措施如下：①為保證事故最大工況排放時甲醇事故火炬氣不串入H2S系統管路，硫化氫火炬水封罐內保證足夠的存水，水封罐進口管路具有足夠的標高；②為減小事故火炬氣在事故最大排放水對硫化氫火炬水封的沖擊，連通管采用45°斜接的方式接入硫化氫水封罐后的水平管路；③為防止酸性氣串入事故火炬氣系統，連通管線上設止回閥；④為防止酸性氣管路產生積鹽而堵塞管路，水封罐后酸性氣管道設伴熱保溫。

3.2 火炬設備優化防回火

火炬設備優化防回火裝置見圖4。

3.2.1 火炬頭

由于火炬燃燒均屬湍流燃燒，根據火炬頭湍流燃燒速度經驗公式（式1），火炬氣湍流燃燒速度與氣體脈動速度成正比。采用合理的分割措施，通過多分火炬頭出口截面，降低氣體脈動速度，是大型火炬頭行之有效的阻火措施。

3.2.2 速度型密封器

作為火炬系統的安全設備，分子密封器能阻止空氣倒流到火炬筒體內，防止發生回火或爆炸，確保火炬設施及生產裝置的安全。

圖4 火炬設備優化防回火裝置

傳統的倒吊鐘式分子封由于其特定的鐘罩結構，易發生由于鐘罩脫落和積水引發的火炬系統憋壓的安全事故（某石化廠發生過由于分子封鐘罩脫落而引發的裂解爐火災事故，直接經濟損失達2億元人民幣）。另外，分子密封器還有易積灰、積水、結凍而堵塞的風險。

近年來，速度型密封器在大型化工裝置，尤其在大型煤化工裝置中得到了廣泛應用，通過優化其內部輪廓流線，能有效降低火炬氣流動阻力和提高阻火密封效果。

3.2.3 閥式水封罐

目前石油化工裝置大型化火炬系統帶來的重要課題之一是事故大排放時，有效水封水從水封段全部排入蓄水段，如不及時補水，使得系統存在很大的安全隱患。

實踐證明，閥式水封罐對解決大型火炬排放系統水封罐失水問題是行之有效的。

閥式水封罐結合水封罐及閥門切斷優缺點，閥式水封罐一般由罐體、內有效水封段、排水蓄水段雙層密封組成。火炬氣燃燒排放／回收裝置可用閥式水封罐進行切換，閥式水封罐的水封高度可按系統水力工況進行調整，調整范圍高達15000Pa，在回收運行時，閥式水封罐按設定水封值運行——該水封值按各種排放工況不同，可在6000～15000Pa甚至更高水封值運行。保證回收氣柜的安全運行及有效防止火炬頭內部小流量排放燃燒，防止火炬筒閃爆并延長火炬頭壽命。一旦需要排放時［進口管排放信號（壓力、溫度、流量達到一定設定值）］，閥式水封罐進口壓力達到設定值，報警、連鎖內外筒連通閥開，有效水封值降至200～300mm，保證氣柜避免抽癟的隱患并使放空氣低阻力排放。閥式水封罐內筒有效水封段水在數秒內泄至水蓄水段，使系統恢復轉換至到原燃燒排放狀態，經總調確認事故排放結束后，手動關內外筒連通閥，開緊急補水開關閥，恢復正常運行、火炬氣回收狀態。蓄水段水可人為控制用2～10min時間排向罐外，閥式水封罐組一般設帶自動控制閥的有效水封段、排水蓄水段連通管、安全排水水封、防震、防凍保護，連通自動控制閥可就地也可在控制室操作措施。

3.2.4 火炬系統密封氮氣緊急吹掃

當高溫放空氣體排放結束后會導致這個火炬氣放空系統產生冷縮，使得空氣沿火炬頭回抽進入火炬系統。在火炬總管上設置低壓力報警、聯鎖，壓力低報與火炬總管上的緊急補氮連鎖。當高溫放空氣體排放結束后，壓力變送器低報，緊急補氮控制閥就自動連鎖打開，防止火炬總管由于降溫而產生負壓，導致空氣擴散進入火炬內部產生安全隱患。

［1］ API 521—2007.Guide for pressure－relieving and depressuring systems［S］.

［2］ API 537.Flare details for general refinery and petrochemical service［S］.

［3］ 尤志平，陳強.SH 3009—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［S］.2002.

［4］ HG／T 20570.12—95.火炬系統設置［S］.

［5］ 徐旭常，周力行.燃燒技術手冊［M］.北京：化學工業出版社，2008.