高架火炬的应用

莫 佩 张富国

(河南心连心化肥有限公司 河南新乡453731)

河南心连心化肥有限公司是以生产尿素、甲醇和热电联产一体化的股份公司。其原料结构调整项目是目前为止承担的最大规模的合成氨项目，即以煤为原料，采用水煤浆加压气化技术的大型合成氨及国产CO2汽提尿素工艺的全套新建装置。整套装置包括空分、气化、合成、尿素等23个主系统。根据此23个主系统工艺进行分析，必须设置1套火炬系统作为该装置生产、事故排放及配套的安全设施，以保证项目相关装置在开、停车状态，正常状态及事故状态时产生的放空气能及时、安全、可靠地放空燃烧，并满足热辐射、有害气体排放浓度等环保要求。

1 火炬系统的基本配置

本项目火炬系统采用高架火炬，火炬总高70 m，塔架高度65 m。整套火炬系统分为事故火炬、酸性气火炬和氨火炬系统。事故火炬用于焚烧处理在气化炉开工、事故、紧急、非正常生产工况下产生的易燃和有毒气体；酸性气火炬用于焚烧处理在正常、事故、紧急、非正常生产工况下产生的酸性气体及装置运行时产生的常排气体；氨火炬用于焚烧处理在正常、事故、紧急、非正常生产工况下产生的含氨气体；排放气分4路(其中1路为低温氨排放气)分别进入火炬排放系统，经过各自的独立排放管线进行燃烧放空，4路排放气筒体采用同一座塔架支撑。事故火炬设置水封分液罐和分子密封器各1台，酸性气火炬和氨火炬分别设阻火器和流体封各1台。

2 火炬系统简要说明

(1)事故火炬系统。事故火炬气进入界区后经分液罐、水封罐、火炬筒体在火炬头燃烧排放。

(2)氨火炬系统。冷、热氨火炬气进入界区后分别经阻火器进入冷、热氨火炬筒体在各火炬头燃烧排放。

(3)酸性气火炬系统。酸性火炬气进入界区后经水封分液罐、阻火器、火炬筒体在火炬头燃烧排放。

(4)燃料气系统。燃料气进入界区后作为长明灯，高空、地面点火器及助燃燃料气的气源。

(5)仪表空气系统。来自外网的仪表空气，除满足仪表用气外，同时进入地面点火器，作混合爆燃用空气。

(6)氮气系统。氮气作为火炬分子密封器密封介质，用于防止回火及系统吹扫。

(7)生产水系统。生产水用于维持水封分液罐液位。

(8)凝液系统。开工事故火炬水封分液罐内的凝液经凝液泵加压送出界区集中处理。

3 工艺计算

3.1 设计能力的确定

按不考虑任何工况同时发生为原则，确定设计能力：事故火炬设计能力为气化系统事故排放气443 305 m3/h(标态)；冷氨火炬设计能力为氨罐区排放气7 250 m3/h(标态)；热氨火炬设计能力为氨冷冻冷源中断排放气3 774.8 m3/h(标态)；酸性气火炬设计能力为低温甲醇洗系统排放气6 219 m3/h(标态)。

3.2 火炬直径的确定

按火炬设计处理能力计算，开工事故火炬直径为DN 1 300 mm，马赫数为0.140 3；冷氨火炬直径为DN 250 mm，马赫数为0.091 9；热氨火炬直径为DN 600 mm，马赫数为0.164 1；酸性气火炬直径为DN 250 mm，马赫数为0.130 6。

3.3 火炬高度的确定

(1)按热辐射计算。对火炬高度的确定主要依据是地面热辐射强度，且不考虑太阳热辐射影响，仅考虑火炬气的燃烧对距离火炬头任意处的所产生的热辐射强度。取全年平均风速2.13 m/s、全年平均气温14.7 ℃、历年平均相对湿度67%、平均气压100.807 kPa为计算气象参数，不考虑任何工况排放气同时排放燃烧的可能性，以对地面产生的最大热辐射值≤1.58 kW/m2为指标进行控制。经核算，气化系统水洗塔间断排放火炬气时燃烧对地面热辐射最大，计算得到火炬总高为40 m。

(2)有毒有害物排放速率计算。按低温甲醇洗系统间断排放火炬气3 774.8 m3/h(标态)、硫化氢体积分数40.68%(各股排放气中硫化氢体积分数最大值)、火炬头燃尽率99.50%计，硫化氢排放速率为11.65 kg/h。根据GB 14554—1993《恶臭污染排放标准》的要求，可得火炬总高度为70 m。

综合考虑热辐射及有毒有害物排放速率，确定火炬总高度为70 m。

4 装置运行过程中出现的主要问题

(1)自动点火系统点燃率未达到设计指标。自动点火系统点燃率偏低，与设计值100%差距较大，不能保证火炬头处的长明灯100%被点燃。

(2)水封分液罐水位偏高。生产运行中，水封分液罐水位偏高，甚至还有充满水的可能，污油泵不能及时排除分液罐中分出的液体。

(3)有轻微的火雨现象。火炬塔架上方有轻微的火雨顺风飘下。

(4)事故火炬管线排气不通畅。事故火炬排放主管管壁有一些结晶，尤其是氨合成放空总管与事故火炬排放管接口处结晶较多，堵塞管道，致使排气不畅。

(5)水封分液罐出口管道抗振动能力差。水封分液管出口排气管线振动较大。

5 原因分析

(1)燃料气的影响。本火炬系统开车采用半水煤气作为燃料气。半水煤气由老装置供应，采用管道输送，压力≤2.4 MPa(表压)；半水煤气组成(体积分数)：H243.0%，N217.6%，CO 29.0%，CO28.5%，CH4+Ar 1.5%，O20.4%。从半水煤气的组成可看出，半水煤气具备了燃烧的基本条件。实际上，该半水煤气的成分受生产工况波动影响，有时半水煤气的质量可能更差，甚至带水，以至于点燃比较困难，即便是能够点燃也因为热值较低而容易熄火，所以，影响了自动点火系统的点燃率。

(2)排放气成分存在偏差。生产装置开车、停车及事故工况下，所产生的排放气成分与设计的排放气成分存在较大偏差，尤其是气体中的水分含量，排放气的含水量远远高于设计值，致使水封分液罐分液能力跟不上，水封分液罐液位偏高，甚至积满，且出口管线因为带液而振动增大，排放至火炬头的排放气夹带液滴，经燃烧后有火雨现象产生。

(3)合成氨放空总管排放气含氨。事故火炬接收了一路来自于合成氨放空总管的排放气，理论上这股排放气成分中不含氨，但实际生产中，难免会含有少量的氨，进入事故火炬与其他系统排出的气体中的二氧化碳发生反应，生成碳酸氢铵结晶，堵塞排气管道。

6 改进措施及效果

(1)改善燃料气的质量。尽量稳定半水煤气的质量，并在火炬界区内配置配套的燃料气缓冲装置，对燃料气进行缓冲、过滤并排除多余的水分；再经与火炬技术商沟通，重新调整燃料气的配比，经多次点火试验，最终保证了火炬点火系统的点燃率达到100%的理想指标。

(2)降低进界区的排放气中水含量。针对火炬排放气中水含量过高的情况进行分析论证、查找原因，最终决定对火炬排放气管网进行改造，即在从火炬气排放总管的源头到火炬界区中间的管网部分，分段增设分液装置(即在火炬气外管网处每隔一段距离设置1套分液装置，共设置4套)，逐渐分离出管网中的排放气夹带的水分以及排放气在较长的运输管道中运输过程中冷凝产生的水，以降低排放气中水含量，减轻水封分液罐的负荷，以保证在送至塔架之前能够彻底分离掉气体中的水分。

(3)优化事故火炬的工艺流程。将合成氨放空总管的排放气由原排至事故火炬总管改为排至氨火炬总管，避免了产生碳酸氢铵结晶而堵塞排放管线。

7 结语

通过对火炬系统的优化和改进，目前火炬系统运行正常，火炬自动点火系统点火率可达100%；优化火炬气工艺流程，火炬气排放管线畅通且进入火炬界区内的水分大大减少，再经界区内的水封分液罐分离水分，气体沿火炬筒体排至火炬头，完全杜绝了下火雨现象；同时，水封分液罐出口气体管线振动大和火炬气排放管线结晶、堵塞的问题也得到了解决，火炬系统的各项工艺消耗均控制在指标范围内。