大型煤化工联合装置火炬气的应用研究

大型煤化工联合装置火炬气的应用研究

随着“五一”期间煤直接液化、煤间接液化、煤制烯等多项煤矿技术示范工程的成功，化工行业开辟了快速发展的机遇。结合2011年国务院发展和改革委员会发布的《关于进一步规范煤炭行业有序发展的通知》和2012年国家能源秘书处发布的《煤炭深度改造方案》的行业指导，新修订的煤炭发展方向应该是大规模的、联合装置。火炬系统作为煤化工企业重要的安全、环保配套设施,负责燃烧各装置不同工况下放空的火炬气。大型煤化工联合装置的火炬气具有排放种类繁杂、开停工和事故工况下排放量大、正常工况下排放量较小等特点。如何合理进行火炬总图布置、选择火炬型式、组织燃烧方式成为急需解决的问题。1火气种类1.1烯烃衍生产品燃料煤通过锅炉实现热电联产为装置提供电力、各种压力等级蒸汽;原料煤经过气化、一氧化碳变换、酸性气体脱除、硫磺回收,去除二氧化碳和硫磺后,通过甲醇合成制取甲醇,然后经甲醇制烯烃(MTO)、烯烃分离制取乙烯和丙烯等原料,再进一步生产烯烃衍生产品。1.2酸性气体脱除、烯烃回收装置火炬气来源气化、净化、甲醇合成装置排放的火炬气主要由氢气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等组成;酸性气体脱除、硫磺回收装置排放的主要含有40%硫化氢和51%二氧化碳的火炬气;甲醇制烯烃、烯烃分离、固体系列衍生物装置、烯烃罐区的火炬气主要是乙烯、丙烯、C4等重烃组分;锅炉的脱硫脱硝装置所需液氨系统排放的氨气。1.3火的划分1.3.1热值分类方法按照SH3009-2001中以2000kcal/Nm硫化氢的热值为5581kcal/Nm氨气的热值为3862kcal/Nm1.3.2蒸汽助燃式(1)燃料气助燃扩散燃烧式:通过控制火炬头出口气流速度场分布,配合特殊的结构设计使火炬头出口处形成高温火焰幕达到使氢气、一氧化碳类低热值火炬气安全、可靠的充分燃烧的目的。这种型式适用于含有大量水蒸气、二氧化碳的低热值富氢火炬气。(2)蒸汽助燃式:利用蒸汽的高速喷射卷吸大量空气送入火焰助燃,同时蒸汽和碳粒子发生水煤气反应,从而起到抑制黑烟产生、稳定火焰形状、延长火炬寿命和确保烃类高热值火炬气的无烟燃烧的目的。这种型式适用于主要组分为乙烯、丙烯或C4的高热值烃类火炬气。(3)燃料气助燃蓄热燃烧式:采用配备燃料气伴烧燃烧器的蓄热式火炬头,达到稳定燃烧场的温度场分布,实现有毒可燃气体类火炬气的完全分解和稳定燃烧的目的,确保燃尽率达标。这种型式适用于酸性气、氨气火炬头。(4)强制通风助燃式:利用布置在地面的鼓风机,通过垂直管道将空气强制送至火炬头,为燃烧提供足够的空气,从而达到抑制黑烟产生的目的,保证停工检修期间烯烃罐区排放的重烃类高热值火炬气的燃烧效果。这种型式一般应用在无法提供蒸汽的场合。1.3.3排放工况工况主要有事故工况、正常排放、管道泄漏气根据火炬气排放的工况,可分为开停工排放、事故排放(公用工程供应中断、火灾等事故)、正常排放三种。一般情况下:事故排放量≥开停工排放量;正常排放量主要为再生排放气以及安全阀、泄压阀等阀门的泄漏量;事故和开停工排放量通过事故火炬燃烧,正常排放量通过主水封和小流量水封之间的高度差分流至小流量火炬燃烧。2火炬的定义、分类和比较2.1火炬气的排放火炬用于处理各工艺装置及辅助设施在开停车、正常以及事故工况下排放的火炬气,负责及时、稳定、充分地将排放的易燃和有害可燃气体转变为符合环保要求的不燃和无害物质。火炬系统通常由火炬气排放管线、分液及水封设施、燃烧设施、点火设施等组成。2.2火炬的分类和比较火炬的分类方法较多,通常按照是否远离地面划分为高架火炬和地面火炬。2.2.1热辐射和烟气扩散高架火炬是将燃烧器(火炬头)通过塔架布置在远离地面的高空,使火焰在顶端自由充分地燃烧的排放燃烧设施。高架火炬燃烧后的烟气直接排入大气,随气流扩散至较远的地方。火焰形成在足够高的高空,其热辐射不会影响地面的设备和人员;高温烟气在扩散过程中得到冷却,不会影响地面的设备和人员。用来处理各种工况下排放的可燃气体以及有毒可燃气体,其高度可根据热辐射值调整。2.2.2火炬燃烧火焰地面火炬主要由基础、安全防护墙、燃烧器组、防辐射隔热罩、点火系统组成。由于排放火炬气的燃烧火焰完全控制在防辐射隔热罩内,外界看不到火焰,能最大限度的减少热辐射、噪音对工作人员和周围设备的影响。用于处理开停工和正常工况下的可燃气体以及毒性为中度或轻度危害的有毒可燃气体。具有低噪音、无烟燃烧的特点。2.2.3土壤和高火的比较见表13安装火炬系统的原则和内容3.1可靠、先进、经济火炬系统作为安全、环保的最后一道屏障,其设置应在确保生产安全、环保的前提下,遵循“可靠、先进、经济”的原则;最终实现火炬的燃烧产物以及排放产生的光、热辐射、噪声符合规范要求,系统运行能耗经济,投资费用合理的目的。3.2火灾干系的内容3.2.1火炬系统投资及运行费用的影响火炬系统的总图布置应满足GB50160和SH3009的相关规定;充分结合工艺要求,做到外部管线短捷、节能降耗并易于管理;同时依据火炬热辐射的计算结果,确保满足人和装置的安全、满足风向及建筑朝向的要求。(1)投资费用的影响以榆林180万t甲醇制烯烃项目的火炬气管径为例:高、低压富氢火炬气管径分别为1.6m、1.0m;低、超低压重烃火炬气管径分别为1.4m、1.2m。如此大管径的火炬气管线,合理布置总图减少火炬气管线长度能够降低火炬系统管廊和管线投资。(2)运行费用的影响由于大型煤化工联合装置的气化装置采用德士古工艺,其排放火炬气中含有约58%的水蒸汽,需要对火炬气管线进行冬季伴热运行以防止温降导致发生水击现象,对管线造成损坏。合理布置总图减少火炬气管线长度能够节约蒸汽用量、减少运行费用。3.2.2装置排放工况对比参考SH3009、API521等国内外相关规范的定义,火炬系统必须在最大排放量下,满足上游事故装置安全、顺畅、连续排放的要求。最大排放量按照装置在火灾、公用工程供应中断事故(停水、停电、停汽、停风)、设备事故等工况下的排放量进行分析、组合后确定。比较普遍的计算方法主要有以下几种:(1)只考虑一个最大装置的事故排放量;(2)一个最大装置排放量与其余装置事故排放量的30%叠加;(3)考虑两个装置最大事故排放量叠加;(4)一个最大装置排放量与其余装置事故排放量的50%叠加;(5)全部装置事故排量100%叠加。现以榆林项目的火炬气数据为例说明如下:气化、净化、甲醇合成作为联合装置,其最大排放量分别出现在两种工况:第一种工况是气化下游净化装置出现事故停车,造成上游5台气化炉超压同时排放157.7×10重烃类排放情况:MTO的最大排放量为停电工况下的109t/h;烯烃分离装置的最大排放量为停水、电工况下的688.9t/h;PP装置的最大排放量为火灾和停水工况下的140t/h,停电工况的排量为124.6t/h;LDPE装置的最大排放量为火灾、停水和停电工况下的70t/h;烯烃罐区的最大排放量为火灾工况下的89t/h,停水和停电工况下无排放。根据SH3009-2001中2.02条c:“不考虑同时发生两种事故的工况,对不同事故发生的排放条件不进行组合”的规定,因此不考虑停电、停水、火灾等不同事故下火炬气排放量的叠加。经过比较,停电工况下的排放量大于停水或火灾工况,因此确定以停电工况作为火炬气排放量计算的基础。MTO和烯烃分离作为联合装置,其排放最大量为停电工况下的排放量(688.9+109)t/h,按计算方法(2)再加上同一事故下PP、LDPE装置排放量的30%(58.38t/h)之和,总量857t/h作为重烃火炬的最大排放量。鉴于大型煤化工的重烃类火炬气排放装置多,工况复杂等特点,不建议按计算方法(3)确定最大排放量;同时根据SH3009-2001中2.0.2条b:“应考虑工艺自动控制系统中,自动联锁对排放量的影响”的规定,亦不建议按计算方法(4)或(5)确定最大排放量。3.2.3火炬结构形式考虑到大型煤化工联合装置的火炬排放气中有硫化氢和氨类有毒可燃气体,开停工、事故工况下富氢和重烃类火炬气排放量大的特点,只能选用排入高架火炬进行燃烧。由于正常工况下的富氢和重烃类小流量火炬气排放量低于事故火炬最小焖烧量(富氢和重烃的最小焖烧量分别为27496Nm可能的排放组合方式有:(1)选用高架火炬:富氢和重烃类小流量火炬气排入有毒可燃气体火炬;停工火炬气单独进通风助燃式火炬。(2)选用高架火炬:富氢类小流量火炬气排入有毒可燃气体高架火炬;重烃类小流量火炬气和停工火炬气排入通风助燃式火炬。(3)选用高架、地面火炬结合:富氢类小流量火炬气排入有毒可燃气体高架火炬,重烃类小流量火炬气和停工火炬气排入地面火炬。方式(1)存在的问题:硫化氢、氨、富氢、重烃类火炬气的热值差距大;前三种需要燃料气伴烧,而重烃类需要消烟(为避免形成湿硫化氢环境,只能采用引工厂空气消烟方式);同时由于火炬气正常排量的不稳定性,造成火炬气流量、燃料气伴烧量、消烟空气量频繁波动,无法保证稳定的燃烧温度,从确保有毒可燃气燃尽率的角度考虑,不建议采用。方式(2)存在的问题:按照SH3009-2001中4.0.18条的规定,事故和停工火炬不同时检修,为避免因辐射热造成的相互影响,需充分考虑间距因素,从节约用地的角度考虑,不建议采用。方式(3)在仅部分增加设备投资的情况下,有效地解决了其他方式存在的问题。综合比较后,建议的燃烧组织方式如下:生产过程中有毒可燃气体(硫化氢、氨类)和分流的低于事故火炬最小焖烧量的小流量富氢火炬气排放至带燃料气伴烧的蓄热式高架火炬燃烧;大于事故火炬最小焖烧量的富氢和重烃类火炬气分别排入低热值扩散和蒸汽助燃式高架火炬燃烧;分流的低于事故火炬最小焖烧量的小流量重烃火炬气和停工期间重烃类火炬气分别排入蒸汽助燃式和通风助燃式地面火炬燃烧(停工期间无蒸汽供应)。3.2.4富氢火炬气管线的柔性分析(1)全厂所有的火炬支管及总管按0.2%的坡度设计,确保火炬管网中无“袋形”;所有的支管按应坡向总管,而总管应按坡向分液罐敷设,确保在火炬管线内不形成柱塞流影响火炬气排放。(2)为减少压力降和反作用力,火炬支管线顺流向从上方与火炬系统总管成45°连接。(3)为控制冲击,火炬管网应按抗负压设计、统一考虑进行柔性分析。(4)为控制热膨胀,建议采用水平布置π补偿器,如π补偿器不易布置时,优先使用环形补偿器,特殊情况下采用波纹型膨胀器。(5)为避免低温的气相液化烃排入火炬管网对碳钢管线的脆性破坏,须加热到5℃以上后再排往系统中。(6)各支线在进入火炬总管前须经装置内分液罐分离掉>300~600μ液体,以防止大量液体进入火炬总管而影响火炬气排放。(7)对含大量水蒸汽的富氢火炬气管线应进行保温、伴热设计,避免出现水击。(8)各火炬气总管的盲端设置自动氮气吹扫设