石油化工火炬安全泄放的技术分析

石油化工火炬安全泄放的技术分析

近年来，国家非常重视环境保护，环境保护行业产生的噪音和辐射污染提出了严格的要求。由于高架火炬燃烧器安装位置及运行条件的特殊性,造成目前对于其运行阶段的可复现性、预测性的研究较难开展,直接影响了火炬头燃烧器稳定可靠性。建立高架火炬燃烧的数值模型,可以对运行状态下火炬头燃烧器工作状态进行计算分析,满足预防性、超前性调整、维护、管理和环保标准的需要,能够确保燃烧器的平稳运行1火炬头根蒸汽—研究对象模型研究对象设定为某石化厂的高架火炬,其火炬头燃烧器类型为内置多根蒸汽—空气喷管式,火炬头口部高145m、内径1.3m,消烟蒸汽温度235℃、压力0.7MPa,大气环境温度20℃、相对湿度70%、平均风速2m/s。主体结构见图1,基本参数见表1。2模型的构建2.1建模条件及网格划分火炬头架设在140m高的塔架上,内径1.3m,火炬气在火炬头口部与大气接触并燃烧形成火焰后随环境气流扩散,建立包含该火炬头燃烧器在内的直径80m高150m的模型空间,以满足描述火炬燃烧器及火炬火焰的有限元计算包容范围,通过CFD有限元分析方法建模研究整个火炬燃烧器运行工况(温度、压力、密度)及火焰燃烧后在此空间内的扩散性质,计算方式采用稳态、亚声速流场、k-ɛ湍流模型、部分预混燃烧模型建模步骤:(1)建立3D几何模型;(2)划分网格;(3)设置基本模型、能量方程、湍流模型;(4)定义组份,启动组份输运和燃烧模型;(5)设置边界条件、算法,进行计算;(6)后处理输出计算结果2.2几何建模和边界配置采用CAD建模工具建立3D的模型计算范围,并进行边界范围设置,见图2。2.3计算单元的生成在3D几何建模的基础上,进行网格划分,本模型计算范围空间尺度较大,模型整体采用4边形网格,生成计算单元数量1000万个。生成后的网格质量、偏斜度等满足计算划分质量要求。划分好的火炬头燃烧器和燃烧空间网格见图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)。模型建立完毕后,进行全面初始化,首次计算按照10000步迭代,后续各种方案调整计算2000步迭代即可满足要求3模型数据分析3.14在场景条件下模拟结果工况1条件下模型计算的火焰燃烧温度、燃烧器筒壁的高温区见图4;消烟蒸汽空气混合喷嘴流速、烟气相对密度见图5。(2)模拟结果2工况2条件下模型计算的火焰高度、温度和烟气相对密度分布见图6。(3)3个场景的模拟结果工况3条件下模型计算的火焰高度、温度和烟气相对密度分布见图7。(4)模拟结果4工况4条件下模型计算的火焰高度、温度和烟气相对密度分布见图8。3.2石化工业应用情况也存在设备故障诊断问题由模型模拟的结果可以看出,直接利用CFD方法整体构建的模型,能直观地将火炬燃烧器运行过程中的不同工况进行全方位的综合计算。无论从空间大气影响、燃烧状态、设备结构等各方面都可以直接描述,对于生产运行调整和控制环境污染都有重要的指导意义。对于火炬头燃烧器在高温、高空这种极特殊条件下工作,不具备随时进行检修及故障诊断这一难题,数值模型更具有无法比拟的优势可以直观的发现,在工况1这种较低的排放燃烧流速状况下,该火炬燃烧器,存在很明显的筒壁本体温度局部超高的问题。为了避免损坏设备,在运行过程中必须要采取必要的蒸汽空气补充降温措施,不要因为焚烧排气流量低,火炬头没有明显火焰烟羽,为了节约而停止蒸汽注入,这样很容易造成设备因局部高温而损坏。另外对于工况4这种大排放流速燃烧的状况,由于消烟蒸汽最大流量的通入,造成蒸汽空气喷射混合喷嘴处的流速极高,同时还形成扰流漩涡。尤其在主蒸汽接管正对处的喷嘴,因高速汽流的射流冲刷,磨损非常严重,在进行设备定期检修时应特别注意。对于石化企业周边的火炬燃烧排放产生的环境污染问题,在设计阶段可以通过合理设置火炬头燃烧器的安装高度和设备结构进行适当控制。在运行生产阶段,可以通过调整生产、计划性提前告知等措施尽量消减。4火炬头燃烧的设备通过该例的实践,运用建模技术对于石油化工高架火炬燃烧的工作状况进行了数值计算分析,为今后进行火炬头燃烧的设计、生产运行、环保控制及设备维护保养和定期检修提供了一定的参考。该方法对于运行条件极其特殊的火炬设