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技术前沿

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论开放式地面火炬防护距离的确定

  

      石油和化工企业进园区发展是目前新型工业化的必要途径,在集约土地、资源共享、产业共赢、环境保护中有着不可小看的优势。而作为试生产及紧急事故泄放系统必不可少的火炬系统,也随着科学技术的进步不断地改善着其燃烧的方式,力求做到完全燃烧的同时无光污染、无噪声污染、无地下水污染,同时缓解土地供应日益紧张的局面。于是封闭式地面火炬应运而生,其安全防护距离也随之产生?。同时开放式地面火炬也开始慢慢为大型国企或合资企业所接受,特别在乙烯和天然气的领域,但因其安全防护距离在国内标准里没有相应的标准,其应用在一定程度上受阻。本文试从辐射热角度、噪声分贝数、完全燃烧后的有害气体组份等几个因素来探讨开放式地面火炬防护距离。

1 开放式地面火炬流程及结构特点
1.1 简单流程及结构
      带压火炬气首先经分液罐、水封罐后进入排放气集气总管,为适应不同工况和排放气流量变化的要求,采用分级控制、分级燃烧。即根据正常排放、事故排放等不同情况分成Ⅳ级燃烧系统,每级燃烧系统管线上设置有级燃烧系统管线上分别设有气动切断阀。当排放气量增大或事故状态下第1至第Ⅳ级管线上气动切断阀相继开启,各级燃烧系统上的地面燃烧器相继投入工作,同时设置爆破片作为气动切断阀的旁路以确保系统的可靠燃烧;气动切断阀的启闭信号来自于阀前集气总管上的压力信号,其中前几级的控制采用比例微分控制以减少相应的滞后(图1)。
 

图1 开放式地面火炬流程示意图
Fig.1 Opening ground flare flow diagram

1.2 主要结构及燃烧特点
1.2.1 分液罐和水封罐
      分液罐是开放式地面火炬成功安全燃烧的前置,依最大排放条件分别计算求得分液罐及水封罐的大小,从而使火炬气中无大于30μm的液滴,以确保开放式地面燃烧系统可靠安全运行,同时回收凝液中的烃类组份。并利用分液罐防止回火及可能产生的爆炸。

1.2.2 防辐射金属围栏
      金属匍栏在开放式地面火炬中起到了两方面的作用。其一:防止地面火炬辐射热的低空辐射。其二:为火炬气的充分燃烧提供空气。其三:削弱噪声。因此金属围栏的设计为非透明型的,风载荷符合当地的气象条件,地震负荷符合当地的地质条件。围栏底部被架空,以提供燃烧时提供足够的空气。同时可以通过在围栏的支撑结构上增加面板来屏蔽热辐射。围栏高度按火焰高度进行设计,充分考虑最大排量时中间区域因供氧不足而引起的火焰高度。

1.2.3 地面燃烧器
      按最大燃烧量设计的很多个多孔地面燃烧器成排排列,与其周围的防辐射金属围栏共同组成火炬燃烧区域,大股的火炬排放气通过很多只地面燃烧器而分成许多小股,以利于排放气与空气混合,增加与空气接触面积,空气与排放气的混合主要是依靠排放气自身的压力和特殊结构的地面燃烧器来完成,在设计合理、维护保养可靠的条件下可保证100%无烟燃烧。同时因为在地面燃烧,则无高架火炬所存在光污染与火雨。在排放器压力不足时,系统需要使用少量蒸汽,一般会在前几级燃烧器中设计采用蒸汽助燃消烟,而其余燃烧器无需蒸汽。整个开放式地面火炬基本不用蒸汽,因此在噪声污染上有别于高架火炬带来的声污染。

1.2.4 长明灯及点火系统
长明灯保持常燃,以便任何时刻有排放气排放都能立即点燃,以确保系统燃烧安伞。灯型设计可保证在恶劣环境下能够可靠点火,火焰可抵御12级大风及暴风雨雪。点火系统具有火焰检测和自动点火功能。电点火器可以实现自动、遥控、现场手动3种点火方式。

2 开放式地面火炬与周边设施防护距离的探讨
      开放式地面火炬(图2)在国内还处在起步阶段,科学、合理确定防护距离,既可以有效减轻事故的危害,也可充分利用有限的土地资源。石化项目防护距离主要依据卫生防护距离和安全防护距离确定。卫生防护距离是指在正常生产条件下,无组织排放的有害气体从车间或单元的边界扩散至居住区边界后,达到限制浓度所需的最小距离;安全防护距离主要是指在发生火灾、爆炸、泄露事故时,防止和减少对人员伤亡、中毒、邻近装置和财产破坏所需的最小距离;因此开放式地面防护距离确定的基本原则主要是:1.热辐射的作用2.噪声的危害3.完全燃烧后的排放浓度4.节约用地。其中热辐射作用是其中最关键的因素。
 
图2 开放式地面火炬
Fig.2 Opening ground flare

2.1 开放式地面火炬的热辐射
      燃烧产生的热辐射会对人和设备造成损害,更甚的可能会使周边设施泄漏出来的燃烧源达到一定的爆炸能量。而此程度取决于热辐射强度,热辐射的不同强度可造成的损害如表1所示。
表1 不同的热辐射强度造成的损害

Tablel Dam age caused by different heat emission

 
      根据国家规定:未计太阳辐射热(0.79~1.04kW/m2,操作人员需要长期暴露的任何区域的允许热辐射强度≤1.58 kW/m2 。
     对于地面火炬,以火焰的燃烧性质作为设计主要考虑的内容,在API—RP521 中从火焰的性质、烟雾、辐射、噪声和污染等方面提出了设计要求。
      同时确定了相关计算方法,包括火炬直径、长度、高度以及由风速引起火焰变形的计算,而水平方向的辐射热与距火炬中心水平距离之间的关系按照API—RP521有如下公式表示:

 
同时API也强调必须结合实际的模拟计算,现在国外已有相应的软件对此进行模拟计算。
以宁波禾元化学有限公司180万t甲醇制烯烃为例,开放式地面火炬最大排放处理量为1066t/h,设计防辐射墙高度为15m,模拟计算得0m层、15m层及垂直面的热辐射图(因业主单位及设计单位要求这些图保密暂不提供)。从模拟计算图来看,在15m层以下,防辐射墙外的辐射热低于国家规定的1.58 kw /m2, 而在15m层以上,辐射将向周边扩散。因此在考虑安全防护间距时必须最大限度地考虑周边装置的建筑高度、临近设施采用的耐热材料、周边装置的危险等级。

2.2 开放式地面火炬的噪声
火炬燃烧产生的噪声主要来源于火炬的燃烧器与周围空气相混合的喷射气体、消烟媒介以及相关的混合、燃烧。高架火炬为改善燃烧状况、减少黑烟产生,会在火炬头处注入蒸汽或强制鼓风,从而大大增加了火炬的噪音,在其最大量排放时方圆几千米似乎置身于飞机场之中。地面火炬系统的排放在设计上可以实现分级控制。在排放压力不足时,系统需要使用少量蒸汽,一般只在前几级燃烧器中设计采用蒸汽助燃消烟,而其余燃烧器无需蒸汽。因此其噪声将大大低于高架火炬,以宁波禾元化学地面火炬为例,对其噪声进行了计算分布图(因业主单位及设计单位要求该图需要保密)。由模拟图得0m层距防辐射墙约10m外,其噪声低于85dh 。

2.3 开放式地面火炬完全燃烧后的有害气体浓度
燃烧后的有害气体浓度是开放式地面火炬在设计中必须考虑的问题,因此目前开放式地面火炬基本上都用乙烯和天然气的领域。宁波禾元化学有限
公司180万t甲醇制烯烃去火炬处理组份主要为乙烯、丙烯、甲醇气、丙烷等,这些物质在其完全燃烧后的组份为CO2 和H20,有害气体浓度基本为0。
因此如何百分之百地确保火炬气体完全燃烧是开放式地面火炬的关键。

2.3.1 长明灯点火系统必须灵敏、稳定
抵御外界的不确定因素,比如台风、暴雨、大雪,保证流量发生巨大变化条件下废气的稳定性。
(1)正确设计火嘴系统。尤其重要的是从燃烧区获得足够的机械动能来提高混合率;
(2)可靠的多个长明灯设置。人口压力高,长明灯明采用了引射技术火焰,可抵御12级大风及暴风雨雪;
(3)火嘴离地面有较大的高度差,同时整个燃烧区设置良好的排水系统,以确保暴雨时不受淹;
(4)稳定可靠的自动检测、控制、联锁系统;
(5)多种点火方式,同时还设计有备用点火系统。

2.3.2 足够的空气以保持稳定燃烧
(1)燃烧器与防辐射金属围栏之问相隔一定的距离以保证围栏顶部有足够的空气进入燃烧区域;
(2)每排燃烧器相距一定距离;
(3)向上直烧的方式增加热的对流和自然通风;
(4)燃烧器利用废气压力促使空气与废气充分混合;
(5) 空的金属围栏可保证地面火炬四周的自然通风;
(6)考虑断电时有烟燃烧情况下可将备用空气送到系统中。

2.3.3 排放速率的合理控制
多级燃烧控制系统以减少火炬系统的瞬时排放量,使得排放燃气的压力和流量控制在燃烧器的最佳负荷范围内;设置爆破片作为气动切断阀的旁路以确保系统的可靠燃烧。

3 结论
(1)根据国内外的经验开放式地面火炬的应用是可行的。
(2)设计方与业主方应遵循国内、国外的标准。以上分析认为热辐射对周边造成的危害是最大的。因此认真核算最大排放量,结合当地的气象条件模拟计算得出的各个高度层辐射热和水平距离的关系,是化工企业在特定工业区内确定防护距离的主要依据。对于化工园区内相邻类似产业企业,火炬类型应相同。在总图的布置上宜相邻,以运行安全为原则最大限度地节约用地。
(3)可靠的、稳定的燃烧是地面火炬正常运行、环境质量、安全防护得以保证的重大条件。为提高安全生产的能力,在装置区内应设置电视监视系统;
地面火炬还应设有可燃气体检测器,并将信号接至DCS系统,设置独立的声光报警,以防可能出现的可燃、有毒气体泄漏或聚集。




来源:《当代化工》