地面火炬燃燒系統的設計與維修

火炬裝置是與石油公司相關生產裝置有關的安全排放燃燒裝置。排放燃燒及時、安全、可靠;燃燒完全、噪聲低,滿足環保要求;運行費用低、防護半徑小,是對火炬排放裝置最基本的要求。由于地面火炬具有向四周擴散的熱輻射小、檢修方便、周圍環境污染輕、占地面積小、投資費用低、無煙能力達到100%等特點,同高架火炬一樣,成為石油化工生產裝置排放廢氣及緊急事故排放的一種有效手段。1地面火炬系統的設計上個世紀70年代初,國外就針對大排量的裝置開發出一種多級多燃燒器地面火炬排放系統,著手地面火炬的研究和開發,產品遍及全世界十幾個大型乙烯項目及一些大型的煉油生產和天然氣開采項目。多級燃燒器火炬系統采用氣體的可應用壓力能量來飽和多余的空氣。因為火炬氣體能夠較好地與空氣混合,所以能夠改善燃燒,如果壓力和空間許可,多燃燒器火炬可以達到無煙燃燒效果,多燃燒點可以分級并列分布或者分高度排列。如果第一級壓力增大,那么系統壓力增大,第一級壓力達到最大程度時,第二級打開以便增大容量,增大的容量能夠在保持同樣流量的情況下減輕壓力,第三級的原理如同前述。多級火炬燃燒器分級火炬由歧管供氣,歧管將火炬氣體流量分配到與一個或多個燃燒器相連的單支管,控制閥將火炬氣體分向各支管,出于安全的考慮火炬系統安裝旁路閥。地面火炬系統由火炬的內外設備組成,火炬的內部約若干平方米,內部有成排的燃燒器,所有的火炬管線埋在地面以下,以避免燃燒過程中的熱輻射。圍欄將燃燒器與外部輔助設備分隔開,考慮到空氣流進,金屬圍欄的低部被架空,但仍可以通過在圍欄的支撐結構上增加面板來屏蔽掉熱量。1.1空氣供應供應給燃燒器的空氣主要來自于圍欄上面,空氣也可從高架圍欄四周的底部進入,燃燒器的分級與間隔足以保證100%無煙燃燒所需的空氣。1.2總廢氣的排放地面火炬燃燒器的設計原理與常規高架火炬的相同,但是,在正常操作中,除第1級燃燒器外其余的各級燃燒器并不使用,第1級燃燒器常開用來排放連續廢氣。由于大多數的燃燒器僅在緊急放空時偶而操作,所以該方法極大地延長燃燒器的壽命。1.3閥組進行維修燃燒室周圍的地面建筑所受的輻射很小,在火炬運行過程中,可在閥組上進行維修工作。在燃燒過程中,金屬圍欄與支撐可能因被烤溫度上升,采取熱表面保護措施設置金屬絲圍欄,以免人員接近不允許進入的火炬區域。1.4噪聲噪聲距離輻射圍欄1m處的任何一點的噪聲(在周長上的或在兩截面之間)在85dB(A)左右。1.5緊急燃燒時的完全燃燒燃燒氣體的入口壓力高,設計的分級閥隨總管壓力的上升而打開,安裝防爆膜盤或其他類型的后備保險裝置保證緊急釋放時的放空,在所有級上安裝的長明燈用于點燃第1與第2個燃燒器,臨近的燃燒器可以通過第1與第2個燃燒器成排點燃。1.6火炬頭檢修只有入口閥及總管需常規檢查與檢修,而該部分位于底部圍欄的外面,在火炬燃燒過程中,可以對其檢修,其次燃燒室內的火炬頭只在裝置的開停車期間可以進行檢修或檢查。2中國火炬應用國內地面火炬的應用情況以深圳華安液化石油氣有限公司和中國石化荊門煉油廠的地面火炬情況為例。2.1深圳華南液化石油氣有限公司地面大火位于龍岡地區,罐區主要有T101和T102兩個低溫罐區,容積8萬m2.2地面火炬筒和燃燒20萬t/年潤滑油加氫,占地18m×40m,緊急泄壓最大排放量87500Nm該火炬是上海中船重工711研究所設計,地面火炬高39m,其中鋼火炬筒高30m,直徑9m,內襯陶纖維板厚400mm;混凝土座高9m,直徑18m,內襯陶纖維。鋼火炬筒內安裝61個燃燒器,每個燃燒器有7個噴嘴,按120°分布三個長明燈。火炬分一級燃燒和二級燃燒系統,一級燃燒屬正常排放,大約3000Nm3火炬的分級燃燒地面火炬系統由火炬的內外設備組成,火炬的內部有成排的高壓燃燒器和低壓燃燒器,所有的火炬管線埋在地面下以避免燃燒過程中的熱輻射;圍墻將燃燒器與外部輔助設備分隔開,考慮到空氣的流進,金屬圍欄的底部被架空,但仍可以通過在圍欄的支撐結構上增加面板來屏蔽掉熱量。每個燃燒室的設計原理相同,每級燃燒器的操作通過壓力來控制,利用緊閉切斷蝶閥開/關來達到分級燃燒的目的,通過使用釋壓裝置如防爆閥或防爆針以保證安全。每一級設有兩個長明燈,點火系統與高架火炬相同,多個長明燈確保安全,不需要蒸汽和強制通風,即可達到100%燃燒。無論何時,如果火炬氣的壓力不足,可能需要少量的蒸汽。燃燒室周圍安裝垂直金屬圍欄,此吸熱圍欄將地面熱輻射隔離在內,使其不向四周擴散,圍欄外面的輻射熱低于1.6kW/m3.1地面大火的主要部件地面火炬的主要部件包括:多點的火炬燃燒;長明燈、排放點火器和火焰檢測器;支持結構和輔助設備;分液罐;液體密封;管道系統;輔助設備。3.2燃燒的穩定性和使用壽命多點火炬的火炬頭火炬燒嘴的安全可靠性應從兩個方面驗證,即燃燒的穩定性和使用壽命。從國外的地面火炬的運用情況及我們考察的情況來看,燃燒器的使用效果較好,具有良好的穩定性,國外的燃燒器已經用于許多項目,一些燃燒器已經連續使用十多年。3.3提高混合率時利用機械動能來創造能耗在多點燃燒火炬系統中應正確設計火嘴系統,尤其重要的是從燃燒區獲得足夠的機械動能來提高混合率。往往通過使用廢氣壓力或通過注入蒸汽來產生,可通過用體積之和乘以燃燒區的流體差來計算能級近似值。VDP相加值必須達到給定廢氣組分、火嘴設計、環境條件和其他常量的常數值,才能提供無煙燃燒。3.4流量設計火嘴設計必須保證能注入一定比例空氣和燃燒氣體流量,火嘴設計要保證流量發生巨大變化條件下廢氣的穩定性。火嘴的中心浴槽是火嘴的穩定點,它能夠通過接受各種組分及其配合比例使燃燒穩定。3.5燒前燃燒廢氣流率控制自動分級燃燒控制系統的設計,燒嘴的調節可以通過燒嘴分段系統來控制,燒嘴分段系統能夠按比例調節燒嘴必須燃燒的廢氣流率,不恰當的分段會造成冒煙燒嘴和閥門波動。采用數個邏輯控制器PLC,實現高效分級控制,運行時根據壓力自動逐級打開燃燒器,以適應不同的排放流量。分段歧管為各分段閥門安裝提供了一個分布總管,同時也是低流量液體收集管,而且是分段控制儀表接頭的穩定點。3.6泄放旁路的在線燒圓由于分段系統在緊急狀態下故障開的遠程可能性,因此一個備用流路一直在線以防不測,這個備用流路是分段閥門的一個泄放旁路置換系統為每一根在線燒嘴排提供連續的氮氣置換,氮氣置換將保證燒嘴排和上升管內部的氧氣值為0。3.7地面火炬的燃燒方式空氣的供應是自然通風。空氣的供應與燃燒廢氣的噴射速度有關,空氣供應是從圍墻上和下面的架空的地方自然通風進來的。應該說自然通風是地面火炬最好的送風方式。燃燒器與防輻射金屬圍欄之間相隔一定的距離以保證圍欄頂部有足夠的空氣進入燃燒區域;每排燃燒器相距一定距離,并充分利用整個燃燒空間,以加強對空氣的應用;向上直燒的方式增加熱的對流和自然通風;特殊結構的金屬圍欄可保證地面火炬四周的自然通風;特殊結構的燃燒器利用廢氣壓力促使空氣與廢氣充分混合。可以看出空氣的供應應該是穩定的,特別是在設計時還考慮了斷電時有煙燃燒情況下可將備用空氣送到系統中。3.8火炬墻體的安全防護圍欄輻射控制:輻射圍墻設計有兩個功能,第1個功能是防止任何人員進入火炬圍墻,第2個是減少圍墻外部可見火焰和使輻射達到合格的水平,金屬圍欄將地面火炬的熱量吸收從而不使其向外和四周擴散。3.9多長明燈依靠電擊長明燈點火系統與高架火炬的設計相同,安全可靠,多個長明燈保障安全,入口壓力高,長明燈可以抵御每小時100英里(約合44.7m/s)的風速而不被吹滅,其電打火可以在水中工作。3.10火炬輻射方程廢氣燃燒時,一部分產物以輻射熱的形式輻射到周圍的環境中,地面火炬設計重要條件是要考慮到熱輻射。輻射熱來自火炬燃燒的熱輻射,包括水蒸氣、二氧化碳和煙灰顆粒。國內應遵循的有關標準規范有:SH3009-2000《石油化工企業燃料氣系統排放設計規范》,HG/T20570-95《火炬系統設置》。國外API標準:安全區域<1.58kW/m輻射強度是由下列條件決定的:火焰溫度;火焰中的各種物質的濃度;火炬尺寸、形狀以及火焰高度的位置;與火焰相關的目標物體的位置和方向;火焰和目標物體間空間的性質。輻射熱的方程:K=τFQ/4ПDK——輻射,Btu/h-ftτ——大氣傳送系數;F——輻射系數;Q——熱量釋放,Btu/h;D——散熱中心到物體的距離,ft。火炬燃燒時,有一部分熱量形成輻射熱,占燃燒熱的10%—25%,火炬燃燒的排放氣的輕組分不會產生大量輻射熱,火炬燃燒效率高的火炬也不會產生大量的輻射熱,因此輻射方程中溫度和距離是一個重要的因素。使用此公式計算輻射熱,確定火炬周圍的設備最大事故輻射量。3.11高壓燃燒的氣體火炬的燃燒會伴著熱量、氣體、光和聲音的能量的釋放。大多數火炬都會產生聲音。燃燒的聲音來自3種機理:火炬的燃燒器與周圍空氣相混合的噴射氣體;消煙媒介以及相關的混合;燃燒。因此設計時需要考慮火炬的多級噴嘴的噪聲對周邊的影響,最大無煙燃燒率的蒸氣和空氣輔助火炬燃燒器,氣體噴射噪音較小,地面火炬的噪聲在小排量時聲音較小。3.12地面火炬的燃燒方式,是由金屬競爭地面火炬設有一定的高度墻的防輻射金屬圍欄,將燃燒區域的熱輻射封閉在內,不向周圍擴散。地面火炬的燃燒噴嘴較小,均勻地使用整個燃燒空間,燃燒的火焰低于金屬圍欄的頂端,光線被圈在地面火炬的封閉區。正常在小量燃燒情況下,基本上看不到光,事故狀態下大的排放時可以看見,主要是晚上燃燒時會形成大的光源。4地面火炬的安全性能多級多燃燒器的地面火炬從技術上講是先進的,與傳統的高架火炬一樣,已開始成為石油化工生產裝置排放廢氣及緊急排放事故的一種有效的途徑和手段。4.1多級多燃燒器的地面火炬技術是可行的,國外已有大型地面火炬的應用,應對火炬圍欄的高度、火炬燃燒的輻射熱與相臨裝置的距離等進行計算,確保熱