地面火炬在实际应用中的安全与环保分析

摘 要：以武汉80万吨/年乙烯工程的ZEECO多点式地面火炬为分析对象，介绍了多点式地面火炬的概况。同时，对地面火炬在实际运行中的安全可靠性以及环保情况进行了分析。

关键词：地面火炬 安全环保 可靠性 分析

一、武汉乙烯工程多点式地面火炬简介

火炬排放装置是石油化工企业相关生产装置必不可少的安全排放燃烧设施，其能否正常运转对装置出现火灾或断电等紧急状况时防止装置由于中断而转为灾难至关重要。火炬按照不同的分类方式有不同的类型，按燃烧器是否远离地面可分为地面火炬和高架火炬，按火炬燃烧器的形式可分为单点燃烧火炬和多点燃烧火炬。

武汉80万吨/年乙烯工程选用的是多点燃烧火炬，采用的是美国ZECCO公司技术，是目前国内燃烧排放量最大，技术最先进的地面火炬。按照工艺装置火炬气排放情况，火炬系统分为火炬气可回收和不可回收情况，不可回收火炬气又分别进两套不同的火炬系统，即烯烃火炬和聚烯烃火炬。烯烃火炬用于处理乙烯裂解装置、裂解汽油加氢装置、丁二烯抽提装置、芳烃抽提装置、MTBE/丁烯-1装置、中间罐区、原料罐区以及铁路装卸站各工况下排放的高压火炬气。烯烃火炬设计最大排量为1620t/h，共有19级燃烧器，42支长明灯以及692个烧嘴。聚烯烃火炬用于处理JPP装置、STPP装置、LLDPE装置、HDPE装置、产品罐区、C5分离装置各工况下排放的高压火炬气。聚烯烃火炬设计最大排量为670 t/h，共有12级燃烧器，28支长明灯以及289个烧嘴。根据火炬气泄放压力进行升降级控制，前五级设置蒸汽消烟设施。每级燃烧器配置有2支长明灯（2-5级3支长明灯），每支长明灯有HEI和FFG两种点火方式，可实现自动、远程和就地点火。

地面火炬系统是通过控制燃烧器处的泄放气体速度（压降）来保证适宜的火焰形状，并保证火炬气在整个运行范围（0-100%的设计流量）能够达到无烟燃烧。为保证燃烧器的压力能够一直保持在最佳运行的合适范围内，火炬系统采用特殊的分级运行。分级运行是通过分级阀组来改变处于工作状态的燃烧器的数量，由此保证火炬气在燃烧器处始终有足够的速度和能量，以吸入足够的空气并形成低辐射的无烟燃烧。

二、ZEECO地面火炬安全可靠性分析

ZEECO技术地面火炬其特殊的设计工艺以及在实际中的运行情况，现从分级控制、点火设施、爆破针型阀和N2后吹扫几个方面对ZEECO地面火炬的安全可靠性进行分析。

1.火炬气排放分级控制

烯烃火炬和聚烯烃火炬两个系统是基于顺序分级技术控制火炬气排放的。分级的目的是为了保证泄放气在火炬头处无烟燃烧时有足够的速度，以使火炬头处的泄放气有足够的能量与空气掺混从而实现有效燃烧，保证了火炬气排放的有效性以及安全性。分级控制分为升级控制和降级控制。第一级仅使用一排火炬头，并且第一排仅有少量的火炬头，目的是保证泄放气在火炬头处有足够的速度从而实现无烟燃烧。如果流量持续升高直至达到第二级对应的压力，第二级的分级阀会开启，相应的火炬头会投入使用，更多的泄放气得以燃烧，泄放气压力会降低。随着流量的继续升高，并达到更高级对应的压力，相应级的分级阀就会打开，一排或几排火炬头会投入使用以满足更高火炬气流量的要求。当泄放气流量降低时，火炬系统投入使用的级别会顺序降低。当投入使用的级别降低时，相应级别的分级阀会关闭，一排或几排火炬头会停止使用以维持总管压力和相应火炬头处泄放气的速度。在分级火炬操作的任何时候，视释放到泄放火炬的气量的大小，升级与降级的过程可以互相转换。通过这样连续并可相互转换的升降级控制，有效的减少了当压力突然变化所产生的危害。

2.长明灯及其点火设施

为确保紧急情况下大量排放火炬气能够有效燃烧，ZEECO技术提供了足够数量的长明灯。每排燃烧器配有2支长明灯（2-5级3支长明灯）。长明灯具有高可靠性。为验证长明灯的可靠性，ZEECO 公司曾对其进行了飓风暴雨试验，试验时的风速最高达 267 公里/小时，同时，降雨强度最高达1.32 米/小时，长明灯依然保持工作，没有失效。

武汉乙烯两套火炬装置从2013年6月份投用以来，经过多次大风暴雨考研，航明灯燃烧未受到影响，证明了长明灯的安全可靠，有效的保证了火炬的安全运行。

同时，为了使长明灯长明，也配备了特殊的点火设施，即自动-手动高能点火并配有自动火焰前置点火，可有效实现自动、远程和就地点火。每个长明灯均具有远距离火花点火的能力并装有热电偶以检测火焰。在当长明灯火焰熄灭时，高能电子点火系统会自动重新点燃长明灯并报警。长明灯带有单个高压点火探棒，位于长明灯组件的外端部。高能电子点火装置带有电容放电电子模块，在距离长明灯点火探棒最远300米处即可以工作。这种类型的点火装置被广泛应用于地面火炬系统，应用非常成功。相对于常规的点火系统而言，这种长明灯点火系统的最重要的优点是其消除了将火花引至长明灯头的内部高压棒。常规的点火使用的是一个火花棒，从过去的经验看此点火棒经常会因为潮湿而短路。潮湿对于高能点火系统没有影响。事实上，高能点火探棒即便浸在水中也可以产生火花。这也消除了因大雨天气给火炬系统带来的不安全隐患。高能电容放电系统的接线适用的外部温度可以高至510摄氏度。

除了高能点火系统之外，还配有备份的手动内传焰点火系统，以备高能电子点火系统失效时，由内传焰点火将长明灯点燃。内传焰点火系统的爆燃室安装在点火盘上的，空气和燃料气在爆燃室混合点燃后，将会通过管线向长明灯传递球形火焰（火焰前置）从而点燃长明灯气。

3.氮气吹扫系统

每个火炬系统的第一级设有可燃气体吹扫以保证氧气不会进入系统。

除了设置常规的用于清扫从装置来的火炬气总管系统的可燃气体的吹扫系统之外，火炬还设计设置了附加的后吹扫系统，以保证燃烧器延伸管的长寿命，并消除任何内部燃烧和延伸管内回烧的可能性，进一步保证了火炬气回收的安全可靠性。在每个分级事件之后，DCS 系统的逻辑会使已经关闭的延伸管的阀门打开，预先设定的氮气流将会启动并进入处于这些分级阀下游的延伸管和燃烧器。预先设定的氮气流量可以保证清扫燃烧器流道内所有的烃类。在设定的清扫流量满足之后，氮气注入阀会关闭。

为保证系统的安全，还设置了连续氮气吹扫旁路系统，此系统作为分级阀的旁路，可以提供小量连续氮气吹扫，以保证轻质组分不会渗透至分级阀的下游。

三、ZEECO地面火炬环保情况分析

1.防辐射墙

随着我国对环境保护的要求越来越高，我们引进设备的时候也要着重考虑设备是否能够达到环境保护的要求。设置防辐射围栏的最主要的目的是保证地面火炬系统内空气的合理的分布，并使防辐射围栏外部没有较高的辐射水平，并消除防辐射墙外地面上的可见火焰。对于武汉乙烯火炬，设计标准是按照防辐射墙外地面任何一点的辐射水平不得高于1.58千瓦/平方米，同时要求任何工况下火焰均不会外露。依此，地面火炬系统四周均提供高度为18.28 米，安装在混凝土基础上的防辐射防风墙。此防辐射墙由热镀锌钢板建造而成。另外，与前8级直接在一条线上的墙板将采用材质为304 不锈钢的额外屏障，安装在防辐射墙火炬一侧，以延长防辐射墙的寿命。

防辐射墙可以保证从地面火炬系统排放出的可见光和辐射是最小的。围栏的下部是完全敞开的以保证燃烧所需的足够的空气可以流入火炬系统。（如图3.1）

图3.1武汉乙烯地面火炬防辐射墙

2.噪音控制

火炬燃烧时，伴随着热量、气体、光的能量释放会产生噪音。地面火炬燃烧时的噪声大致有三个来源：（1）来自火炬燃烧器的喷射气流与周围空气相混合的噪音；（2）消烟媒介以及相关的混合；（3）排放气体通过管道和阀门时产生的噪音，它们会沿着火焰传播消失在顶端；

武汉乙烯地面火炬设计时考虑到多级燃烧器的噪音对周边的影响，其采用了自吸入式垂直燃烧的燃烧器，这些燃烧器布置在地面以上一定的高度以保证充足的空气来源。在围栏设计上采用矩型槽瓦楞板结构，具有良好的吸音降噪特性。最大排放量燃烧时，围栏外50米处的噪音约在95-100分贝。

3.无烟燃烧

燃烧器间既要留有足够的距离以保证无烟燃烧所需要的空气有足够的进入空间，又要保证燃烧器之间能够互相传焰点火。如果有任何火焰受到了其它火焰的围困，就会因为缺乏空气而产生烟。地面火炬燃烧器采用了 “自由喷射技术”的先进技术。燃烧器并不是直接安装在延伸管上方的，而是安装在延伸管的侧面，即燃烧器采用独到的三角交错方式排布如图3.3所示。实践证明，采用这种交错排布方式可以更好的保证任何燃烧器的火焰不会受到相邻两个燃烧器火焰的“围困”。

这种燃烧器的设计能够将更多的周围的空气引射到泄放气流中，更加有效的混合泄放气和空气。对很宽的气体组份范围气体的实际应用以及工厂测试证明，“自由喷射技术”燃烧器会产生更加紧凑和长度更短的火焰，并能在更低的泄放气压力下实现无烟燃烧。

图3.3三角交错式火炬头排布

在确定火炬头数量、能力和排布时，武汉乙烯地面火炬充分考虑了各种可能工况下火炬头上方的体积热流密度，而不仅仅限于主导工况。以烯烃火炬为例，芳烃抽提装置单独泄放（平均分子量为82.7）、三事故停水（平均分子量为59.8）等工况发生时火炬头上方的热流密度会远高于主导工况，也就更加难以实现无烟燃烧。在充分考虑这些特殊工况的基础上，武汉乙烯地面火炬合理的分配了火炬头能力：（1）合理的确定了蒸汽消烟燃烧总能力。蒸汽助燃可以大大提高火炬头的处理能力，并使火炬头在泄放气压力很低的时候也可以实现无烟燃烧，这是压力助燃火炬头无法做到的。在确定蒸汽助燃火炬头的总处理能力时，综合考虑了各种可能的工况组合。（2）采用了较大的火炬头数量，使得压力助燃火炬头具有合理的能力，即便是最高平均分子量的工况单独发生时单个火炬头的处理能力也不超过4.5吨。根据实际情况，对于武汉乙烯的火炬气组分和处理量以及各种可能发生的工况，设计适当数量的火炬头，获得较短的火焰，并保证火炬气与空气的完全掺混以保证完全无烟燃烧。

四、结论

根据武汉乙烯地面火炬一年多的运行情况，通过对武汉乙烯地面火炬的安全可靠性以及环保情况进行分析后，我们可以看出地面火炬是安全可靠的，并且在环保措施上也是进行了有效地加强的。相对于高架火炬，地面火炬是具有光污染小，火炬噪音小，维护方便等优势的，如今地面火炬在我国已经得到了一 定的应用，而且随着国内企业安全、环保、节能要求的提高，地面火炬必将得到更广泛的运用。