多点式地面火炬技术的应用

多点式地面火炬技术的应用

燃烧是石油和天然气公司不可或缺的设施，也是生产安全的重要因素。多点式地面火炬系统以其安全可靠、无光污染、低热辐射、低噪声等优点,在发达国家石化企业已得到广泛应用,近年来也逐渐在我国石化企业使用。但相对传统高架火炬,多点式地面火炬在我国还处于新技术应用阶段,还缺乏必要的设计规范和技术规范,影响了全面推广应用。本文拟通过国内乙烯多点式地面火炬的应用,探讨多点式地面火炬系统布置的安全距离,为设计规范提供意见。1多点式地面火炬应用多点式地面火炬是放空主管上枝形排列多延伸管、延伸管多点安装燃烧器,地面布置的火炬系统,主要由火炬气管网及分液罐、多级延伸管及火炬气烧嘴、长明灯及其点火设施、氮气吹扫及蒸汽消烟设施、防辐射墙及相应的公用工程组成。某乙烯装置生产过程的高压烃类尾气处理采用多点式地面火炬,有两套多点式地面火炬,分别处理来自乙烯装置、加氢装置和烯烃聚合装置的高压尾气。依据气体泄放压力的不同,分级控制,火炬气分级控制系统主要由延伸管及控制器组成。每只延伸管连接多支燃烧器提升管,提升管顶端设置有“蜘蛛形”燃烧器喷头。每个延伸管(或每行)主要配置2~3支长明灯、一个分级阀、一个爆破针型阀、若干数量的烧嘴及氮气吹扫设施(如图2)。火炬气泄放根据压力依次从第1级升至第19级。当压力P<10kPa,所有分级阀关闭,保持管网正压。当压力10<P<100kPa,第1级阀开启。当压力上升至100kPa,第2级开启,若压力继续保持100kPa,依次开启后续级数。若压力骤然升至110kPa,同时开启前10级或后9级泄压,若压力升至121kPa,爆破针型阀开启泄压。自2012年12月开工以来,多点式地面火炬已经历火炬气不同压力级别下运行,无论何种工况,均能实现装置高压尾气安全泄放,火炬气充分燃烧,无烟,噪声可控,火焰高度均低于防火墙高度,火炬围墙外无明显可见光,周围没有飞火及火雨现象,比高架火炬更有优势。乙烯多点式地面火炬已实现安全运行两年多,充分说明多点式地面火炬的成功应用,证明多点式地面火炬完全可满足大型石油化工企业火炬气的安全泄放。图3为火炬燃烧实况。2地面火炬安全距离石油化工企业从原料到产品,大量处理及产生烃类气体或液体,具有高度火灾危险性。因此,石油化工企业在总平面规划布置上,火灾危险性是重要的考虑因素,装置与装置、设备与设备等不同单元之间的安全距离是防火设计的重要内容。火炬系统因为具备明火暴露,在与其它单元的安全距离上更要有严格的要求。《石油化工企业设计规范》(GB50160—2008)对高架火炬的防火间距做出了明确的规范要求2.1热辐射危害效应多点地面火炬为开放式矩形布置,火炬多个燃烧嘴总体呈现矩形面燃烧,随着排放级数增加,燃烧面越大,火炬燃烧向空间释放大量热辐射,火炬的安全距离,主要就是热辐射对目标的影响。热辐射强度和离火源的距离,决定人或设备防火间距及职业卫生防护距离。可以把火炬燃烧作为着火源,热辐射影响可通过对目标(包括人员、设备和建筑物)的危害阙值确定安全距离。衡量热辐射危害目标的方法通常有热通量准则和热强度准则2.2热辐射强度和火源距离根据燃烧学理论,单位面积上辐射出的能量称为辐射能式中:σ———斯蒂芬-玻尔兹曼常数,其值为5.667×10T———温度K;ε———辐射率,它是一个表征辐射物体表面性质的常数。辐射率的定义为:一个物体的辐射能与同样温度下黑体的辐射能之比,即ε=E/E式中:K———吸收系数;L———火焰(热烟气)的厚度。对火炬喷嘴燃烧,可达到完全燃烧,形成“厚发光火焰”,(L)为黑体,则ε=1。多点火炬燃烧时,形成面燃烧,空间任意方向形成辐射能,单位时间、单位表面积、单位立体角上辐射的能量为辐射强度,通过表面向任一方向的热辐射能量可以用光谱辐射能来代替:火炬燃烧温度越高,燃烧点越多,则对外辐射的强度越大。多点地面火炬的每一个喷嘴都相当于一处喷嘴火点源,目标接受的热通量决定了多点地面火炬的安全距离。火炬喷射火热辐射计算示意图如图4所示。距离点源处某点接受的热辐射通量为:式中:q目标接受的辐射热通量与火源距离的平方成反比。如果火源被隔离,虽然燃烧物质不同,但具有相同温度的都能达到自己的平衡状态在物质之间的接触面上,辐射能量会被吸收、反射和穿透。根据克希霍夫(Kinchhoff)定律,关系式如下:即:α、ρ、τ分别表示能量的吸收率、反射率和透射率。理想状态下辐射模型。透明体:α=0ρ=0τ=1大多数物体介于三种理想模式之间。克希霍夫(Kinchhoff)定律表明,在目标前加隔离物可有效降低辐射热通量。2.3多点地面火炬的安全距离为减少水平方向的热辐射,多点地面火炬在周围架设防火、防风围墙,辐射仅朝向空间。围墙高度根据最大火焰高度确定。某乙烯装置两套多点地面火炬分别围设矩形防护墙,墙体材料为热镀锌钢板,另外,与前8级直接在一条线上的墙板增加材质为304不锈钢的额外屏障,安装在防辐射墙火炬一侧,以延长辐射墙的寿命。根据火炬气最大排放量,模拟出最大火焰高度,设置围墙高度为18.28m。由图3可见,火炬气实际燃烧火焰高度在防辐射墙以下。在多级火炬燃烧工况下,防辐射墙内外温度测量见表2。通过表2测量表明:热镀锌钢板几乎接近白体,反射率趋近1,有很好的防辐射热效果,从墙外壁温度看及实际感受,辐射墙外基本与环境一致,说明,在防辐射墙高度以下,没有热辐射危害。火炬燃烧热辐射通过围墙上部向空间发射。按照武汉乙烯火炬气组成、最大排放量、最大级燃烧模拟计算出高压火炬热辐射曲线,结果如图6所示。图6显著说明:在低于防辐射墙高度(18.28m)的墙外,辐射热通量远在安全限值1.58kW/m1)由于多点火炬“无可见火焰”的原因,那些高度小于18m(围墙高度)的设备,可布置在离防火墙50m范围处。2)不经常使用的临时设备,如液体密封,KO滚筒,火炬气体回收装置等,可以布置在距离防火墙5m以外。3)远高于防火墙的高层设备(如冷却塔)应布置在距离火炬100m外的地方,这是因为超出围墙空间,多点火炬会使冷却塔受到单边辐射,从而使受热体受到不均匀热传导的影响。4)不高于防火墙(管架等)的构筑物应布置于防火墙外50m远范围处。5)办公建筑应布置在距离火炬尽可能远的地方。3结论通过燃烧热辐射分析、热通量准则和多点地面火炬应用实际,结论如下:1)多点地面火炬可满足生产装置高压烯烃尾气排放,是大型石化企业火炬气安全泄放的先进设施。2)热辐射取决于火焰燃烧温度,辐