高架火炬排放高度的計算

朱海峰

(康泰斯(上海)化學工程有限公司，上海 201210)

化工設計

高架火炬排放高度的計算

朱海峰

(康泰斯(上海)化學工程有限公司，上海 201210)

高架火炬是目前行業(yè)內應用最廣泛的火炬排放裝置。根據(jù)國內外火炬設計規(guī)范，確定火炬排放筒體的直徑和高度，再通過大氣污染物排放標準和噪聲相關計算方法核算火炬高度。

火炬高度；安全區(qū)域半徑；熱輻射強度；泄放量

火炬是用來處理工廠或裝置在開停車、緊急事故或正常生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的可燃、易爆、有毒、有腐蝕性氣體的特殊燃燒設施，通過火炬燃燒處理后，能將可燃或可燃有毒氣體轉變?yōu)椴豢扇嫉亩栊詺怏w，將有毒、有害、有臭物質轉化為無毒、無害、無臭物質，并滿足大氣污染物的排放高度及濃度標準后放空，它是保證工廠安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染的一項重要措施。根據(jù)氣體排放的要求及場地條件，可分為：高架火炬、地面火炬和坑式火炬。其中，高架火炬是目前石油、化工、天然氣、煤氣化等行業(yè)應用最廣泛的火炬排放裝置。

本文討論的高架火炬計算方法主要參照石化行業(yè)標準SH3009 《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范》2001版，部分參數(shù)和公式參考2013新版。

1 火炬高度的計算公式

火炬的計算高度與火炬的安全區(qū)域半徑、火焰長度以及火炬釋放的總熱量等因素有關。

火炬筒體高度的計算公式：

(1)

式中:QF——火炬釋放的總熱量，kW；

∑——熱輻射系數(shù)；

q——允許熱輻射強度，kW/m2；

R——安全區(qū)域半徑，m；

Xc,Yc——風速作用下火焰中心的水平位移和垂直位移，m，見公式(7)、(8)；

hT——受熱點的離地高度，取人員身高1.8～2.2 m。

2 計算公式的參數(shù)

2.1 火炬釋放的總熱量

排放氣體在火炬頭燃燒時產(chǎn)生的熱量大小與排放氣的低熱值、氣體排放量和燃盡率等因素有關，而低熱值則由氣體的組分及濃度決定。當氣體的熱值低于7880kJ/Nm3時，在排入火炬系統(tǒng)前應對熱值進行調整。

釋放的熱量公式：

(2)

Hl=∑GiHi/∑Gi

(3)

式中:Hl——低熱值，kJ/kg；

G——氣體泄放量，kg/h，

Gi,Hi——氣體中各組分的質量濃度及其純組分的低熱值。

在釋放組分已確定的前提下，火炬釋放的總熱量與氣體的泄放量成正比，而泄放量又與泄放源大小和多少有關。通常，火炬的額定泄放量多以火災工況下的緊急泄放為主。那么，火災工況下的泄放量如何取值？根據(jù)API 521《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》和化工部標準HG/T 20570.2-95《安全閥的設置和選用》的規(guī)定，應取任意區(qū)域面積為460m2，即半徑12m范圍以及距離地面高度7.5m范圍內所能覆蓋的設備群，在火災工況下的泄放量，取其中泄放量最大的一組設備群，作為裝置額定泄放量的泄放源。一般情況下，設備布置中，由于罐區(qū)設備數(shù)量眾多，且布置緊湊，故火災工況下的最大泄放量區(qū)域以罐區(qū)為主。

另外，火災工況下設備的泄放量又與其外壁校正系數(shù)有關，應考慮有無保溫、砂土覆蓋(地下設備)和水噴淋降溫等措施因素，這些措施能在一定程度上阻礙外部火焰的熱傳遞。例如：當設備頂部設水噴淋裝置且噴淋強度大于10 L/(m2·min)時，與未設置水噴淋時相比，泄放量可按減少40%計。

2.2 熱輻射系數(shù)ε

熱輻射系數(shù)表示火炬燃燒時產(chǎn)生的高溫火焰以輻射方式向環(huán)境釋放熱量的能力?；鹧娴臒彷椛湎禂?shù)不僅與火焰的組成有關，而且與是否完全燃燒、有無黑煙、空氣濕度以及輻射距離等因素有關。2013版規(guī)范給出了一個基于氫氣和烷烴類組成的經(jīng)驗公式。簡化計算時，熱輻射系數(shù)一般可取0.2。某些火炬制造廠家在進行火炬設計時，還會引入輻射強度傳遞因子，優(yōu)化熱輻射系數(shù)的取值。

2.3 安全區(qū)域半徑R

安全區(qū)域半徑也即劃定的火炬輻射圈的邊緣，到火炬筒體中心線的水平距離。安全區(qū)域半徑一般在裝置總圖布置時確定，根據(jù)GB 50160-2008 《石油化工企業(yè)防火設計規(guī)范》內關于石化廠總平面布置的防火間距規(guī)定：高架火炬與工藝主裝置、可燃液體、氣體儲罐和全長重要設施的防火間距不小于90m。實際在對裝置進行總圖布置時，一般均考慮給高架火炬留出90m的輻射圈，即90m安全區(qū)域半徑。

2.4 熱輻射強度q

熱輻射強度與允許暴露在熱輻射區(qū)域內的時間有關。公共區(qū)域內人員可持續(xù)暴露的安全熱輻射強度應不大于1.58 kW/m2(不含太陽輻射)。火炬輻射圈外一般都會有人員走動，故設計時，火炬輻射圈邊緣處的熱輻射強度通常按1.58 kW/m2考慮。

2.5 火炬筒體直徑

火炬筒直徑的大小，取決于氣體的泄放量和泄放速度，而泄放速度與允許的壓力降有關。根據(jù)火炬筒體內徑與火炬排放口直徑一致的原則，可以推導直徑的公式：

(4)

式中:Va——火炬氣的允許流速，m/s；

ρ——排放氣密度，kg/m3。

允許流速與聲速的比值稱為馬赫數(shù)(Ma)，即馬赫數(shù)是表征聲速倍數(shù)的數(shù)。采用近似法計算，正常排放時的馬赫數(shù)按0.2取值，事故或緊急排放時的馬赫數(shù)可以按0.5取值。相關的火炬研究文獻指出，馬赫數(shù)在0.2～0.5取值范圍內，可以保證火炬穩(wěn)定燃燒。

2.6 火焰長度h

火焰長度對火炬高度的計算結果影響較大，肯特(G.R.Kent)提出的火焰長度計算公式如下：

馬赫數(shù)(Ma)≥0.2時，h=118DF

(5)

馬赫數(shù)(Ma)<0.2時，h=23DFln(Ma)+155DF

(6)

2.7 火焰傾斜角?、火焰中心位移XC、YC

在橫向風速的作用下，火炬排放口的火焰會發(fā)生傾斜，同時火焰中心產(chǎn)生水平偏移和垂直偏移。傾斜角度及偏移量示意圖如下：

計算公式為：

(7)

(8)

(9)

式中:h——火焰長度，m，火焰中心距離火炬出口的高度為3/h；

?——有風狀況時的火焰傾斜角；

Vw——火炬出口處最大平均風速，m/s。

最大平均風速等于裝置所在地區(qū)的基本風速與該地區(qū)風速高度變化系數(shù)的乘積。

美國建筑規(guī)范UBC97給出的基本風速取值為最大英里風速，即基于1英里長的空氣樣本通過一個固定點時間的最高持續(xù)不變的平均風速，可通過規(guī)范ASCE7-10換算成不同時距的基本風速。我國的基本風速是根據(jù)當?shù)貧庀笳練v年測得的不同風速儀高度和時次時距的年最大風速，統(tǒng)一換算成離地高度為10m、時距為10min的平均年最大風速數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析后確定重現(xiàn)期為50年的最大風速?；鹁嬗嬎銜r，一般按裝置所在地的氣象條件，即提供的最大風速來取值。

風速高度變化系數(shù)可以參考SH/T20570.12-95《火炬系統(tǒng)設置》的附表，或者按照GB50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》的規(guī)定，按地面粗糙度劃分陸地上的風速高度變化系數(shù)。后者也是國內很多火炬設計和制造廠商所采用的準則。

2.8 其它因素

2.8.1 大氣污染物排放高度

火炬筒體高度應滿足大氣污染物的排放要求。應遵循火炬氣燃燒后的污染物，其最大落地濃度不超過國家和地方大氣污染物排放標準的原則。煙氣最大落地濃度計算的基本原理采用高斯擴散模式，可通過專業(yè)軟件EIAProA進行模擬計算。軟件需要輸入的煙氣抬升高度值，則可通過GB/T13201-91《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》的公式推算。

2.8.2 噪聲

火炬排放產(chǎn)生的噪聲應滿足現(xiàn)行的國家環(huán)境噪聲限值。API521提供了放散筒的氣流噪聲估算，該估算值加上3dB的分貝增值作為火炬噪聲的估算公式。實踐證明從增加火炬筒高度來降低地面噪聲的效果不明顯，設置消音罩或采用多孔型火炬頭則是火炬降噪的有效措施。

3 結束語

火炬筒體的高度，影響熱輻射的安全區(qū)域半徑、排放氣體中污染物的落地濃度、噪聲的大小，也決定著火炬的支撐方式、支撐高度，桁架鋼結構的荷載和用量等，最終反應到設備的總投資上。本文是筆者在以往參與火炬技術評標及設備采購過程中運用到的計算方法和一些思路與體會。作為工程技術人員，熟悉和掌握火炬高度的計算方法，在火炬裝置的設計和采購過程中，可以對各火炬設計制造廠商提供的技術方案作出合理的分析與評價，合理優(yōu)化報價中可能虛增的部分，降低火炬裝置的投資和運行費用。

[1]中國石油化工總公司.SH3009-2001, 石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2002.

[2] API.API 521-2007 Pressure-relieving and depressuring systems[S].Washington, D C:API Publishing Services,2007.

[3]中華人民共和國化學工業(yè)部.HG/T 20570.2-95, 安全閥的設置和選用[S].北京：化工部工程建設標準編輯中心，1996.

[4]中華人民共和國化學工業(yè)部.HG/T 20570.12-95, 火炬系統(tǒng)設置[S].北京：化工部工程建設標準編輯中心，1996.

[5]國家質檢總局.GB 50160-2008, 石油化工企業(yè)防火設計規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2008.

[6]國家質檢總局.GB 50009-2012, 建筑結構荷載規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2012.

[7]劉天英, 齊秋平. 中外規(guī)范基本風速對比分析[J].鋼結構, 2012, 27(12):57-59.

[8]朱洪文. 火炬設計計算中幾個問題的討論[J]. 油田地面工程, 1993,12 (2): 71-72.

(本文文獻格式：朱海峰.高架火炬排放高度的計算[J].山東化工，2016，45(08)：104-106.)

2016-03-07

朱海峰(1978—)，化工工藝工程師，華東理工大學化學工程與工藝專業(yè)，從事工程設計工作。

TQ050.2

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