大型化工装置火炬系统防回火技术的研究与探讨

高元

（山西焦煤集团飞虹化工股份有限公司，山西 洪洞041606）

山西焦煤60万吨／年烯烃项目是2010年9月太原能博会期间，山西焦煤与神华集团拟定合作建设的4000万吨级“煤焦化”循环经济一体化项目中的重点突破项目。该项目是以甲醇为原料，通过甲醇转化制烯烃、烯烃分离、烯烃转化、烯烃聚合等工艺过程生产聚乙烯、聚丙烯产品的大型化工项目。项目配套火炬系统用于各装置放散气的处理，承担可燃气体事故、开停车及检修时的放空任务。

本火炬系统分为两部分：①全厂性火炬系统，负责处理各装置开停车工况、正常工况及事故工况下排放的可燃性气体；②检修火炬，负责处理各装置停车时，各罐区安全阀排放的可燃性气体。火炬系统的设计要确保将正常工况和事故工况下各装置排放的火炬气充分燃烧，从而使易燃和有害物质转变为不燃和无害物质，保证各装置生产的安全稳定运行。火炬的设置严格执行国家及行业的规范、标准；设计本着节省投资、减少占地、提高经济效益且便于生产等原则进行，并力求技术先进、可靠、操作简单、灵活，完全满足安全、环保、健康、节能的要求。

目前火炬系统设计中所执行的规范标准一般为API 521—2007《Guide for Pressure－Relieving and Depressuring Systems》［1］、API 537《Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service》［2］、SH 3009—2001《石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范》［3］、HG／T 20570.12—95《火炬系统设置》［4］。以上规范标准均以早期相对小型化工装置安全运行数据为其经验数据。

本次研究探讨的目的是以现行的规范标准为理论计算依据，以目前大型化工装置火炬系统所出现的问题为参考，对火炬系统防回火措施进行有针对性的计算分析，为火炬系统的设计、运行提供参考。

1 火炬系统的回火的发生机理及危害

火炬系统回火现象是指火焰返回到火炬头或火炬筒体内燃烧或爆炸的现象。当火炬气喷出速度（ug）小于火焰传播速度（ut）即ug＜ut时，回火现象产生。表1为几种气体在与空气混合时的火焰传播速度［5］。

湍流火焰传播速度经验公式如式（1）。

式中，ut为湍流速度；u′为脉动速度；ul为层流速度。

由于火炬头属于特殊形式的燃烧器，火炬头出口直径以火炬气最大事故放空量设计，而正常工况下火炬气的流量均较小甚至为零，大直径火炬头经常会发生出现回火、焖烧、火炬头内燃甚至爆炸现象。图1为湍流火焰传播速度线算图。

2 火炬系统的防回火措施

火炬系统防回火一般有如下措施。

2.1 速度型密封器及分子密封器

火炬密封器可分为速度密封器和分子密封器两大类，分子密封器又分为倒吊钟式及迷宫挡板式。以上密封器的基本原理均为在密封器各级折弯或缩口处形成逐级减速扩压效应，密封气体由火炬密封器的下部通入，形成分子气垫，从而阻止空气的回流扩散。通过火炬密封器能减少密封气体的消耗量，但并不能取代密封气体的作用。表2为密封气体速度。

表1 几种气体在与空气混合时的火焰传播速度

图1 湍流火焰传播速度线算

表2 密封气体速度

2.2 水封

水封可将火炬系统与上游装置进行有效隔离，水封装置见图2。

（1）能满足排放系统在正常生产条件下有效阻止火炬回火，并确保排放气体在事故排放时能冲破水封排入火炬。

（2）对于含有大量氢气、乙炔、环氧乙烷等燃烧速度异常高的可燃性气体，水封高度应按式（2）计算，水封高度应大于等于300mm。

（3）对于密度小于空气的可燃性气体，水封高度应按式（2）计算，水封高度应≥200mm。

（4）对于密度≥空气的可燃性气体，水封高度应≥150mm。水封计算式如式（2）。

图2 火炬系统水封图

式中，hw为水封高度，m；H为火炬头出口至地面的垂直距离，m；h为火炬水封液面至火炬头出口的垂直距离，m；p为火炬头出口处的压力，kPa；p1为水封前管网需保持的压力，kPa；T为可燃性气体的操作温度，K；Ta为环境日平均最低温度，K；¯M为可燃性气体的平均相对分子质量。

3 大型化工装置防回火技术的探讨

近年来，随着国内化工装置的发展，大型化工装置火炬系统防回火技术也在摸索中不断地发展完善。主要体现在以下方面。

3.1 火炬系统优化组织防回火

根据前端工艺装置火炬气排放工况特点，对火炬系统进行优化组织，以某煤化工火炬说明如图3。

图3 火炬系统优化组织

本方案设常燃硫化氢火炬和甲醇事故火炬，通过水封的作用将火炬总管中正常排放火炬气及由安全阀、泄压阀等在正常生产中所泄漏的火炬气引至常燃硫化氢火炬头燃烧排放，并通过常燃火焰辅以少量的伴烧气来保证低热值火炬气、酸性气的稳定完全燃烧。

本燃烧系统有如下优点：①通过设置常燃硫化氢火炬解决了小流量火炬气在大直径甲醇事故火炬头内回火焖烧问题；②硫化氢火炬头中的常燃火焰为低热值火炬气和硫化氢火炬气提供了稳定的燃烧场和着火源，提高了低热值火炬气和硫化氢火炬气的燃尽率并减少了伴烧气的用量。

系统安全的保证措施如下：①为保证事故最大工况排放时甲醇事故火炬气不串入H2S系统管路，硫化氢火炬水封罐内保证足够的存水，水封罐进口管路具有足够的标高；②为减小事故火炬气在事故最大排放水对硫化氢火炬水封的冲击，连通管采用45°斜接的方式接入硫化氢水封罐后的水平管路；③为防止酸性气串入事故火炬气系统，连通管线上设止回阀；④为防止酸性气管路产生积盐而堵塞管路，水封罐后酸性气管道设伴热保温。

3.2 火炬设备优化防回火

火炬设备优化防回火装置见图4。

3.2.1 火炬头

由于火炬燃烧均属湍流燃烧，根据火炬头湍流燃烧速度经验公式（式1），火炬气湍流燃烧速度与气体脉动速度成正比。采用合理的分割措施，通过多分火炬头出口截面，降低气体脉动速度，是大型火炬头行之有效的阻火措施。

3.2.2 速度型密封器

作为火炬系统的安全设备，分子密封器能阻止空气倒流到火炬筒体内，防止发生回火或爆炸，确保火炬设施及生产装置的安全。

图4 火炬设备优化防回火装置

传统的倒吊钟式分子封由于其特定的钟罩结构，易发生由于钟罩脱落和积水引发的火炬系统憋压的安全事故（某石化厂发生过由于分子封钟罩脱落而引发的裂解炉火灾事故，直接经济损失达2亿元人民币）。另外，分子密封器还有易积灰、积水、结冻而堵塞的风险。

近年来，速度型密封器在大型化工装置，尤其在大型煤化工装置中得到了广泛应用，通过优化其内部轮廓流线，能有效降低火炬气流动阻力和提高阻火密封效果。

3.2.3 阀式水封罐

目前石油化工装置大型化火炬系统带来的重要课题之一是事故大排放时，有效水封水从水封段全部排入蓄水段，如不及时补水，使得系统存在很大的安全隐患。

实践证明，阀式水封罐对解决大型火炬排放系统水封罐失水问题是行之有效的。

阀式水封罐结合水封罐及阀门切断优缺点，阀式水封罐一般由罐体、内有效水封段、排水蓄水段双层密封组成。火炬气燃烧排放／回收装置可用阀式水封罐进行切换，阀式水封罐的水封高度可按系统水力工况进行调整，调整范围高达15000Pa，在回收运行时，阀式水封罐按设定水封值运行——该水封值按各种排放工况不同，可在6000～15000Pa甚至更高水封值运行。保证回收气柜的安全运行及有效防止火炬头内部小流量排放燃烧，防止火炬筒闪爆并延长火炬头寿命。一旦需要排放时［进口管排放信号（压力、温度、流量达到一定设定值）］，阀式水封罐进口压力达到设定值，报警、连锁内外筒连通阀开，有效水封值降至200～300mm，保证气柜避免抽瘪的隐患并使放空气低阻力排放。阀式水封罐内筒有效水封段水在数秒内泄至水蓄水段，使系统恢复转换至到原燃烧排放状态，经总调确认事故排放结束后，手动关内外筒连通阀，开紧急补水开关阀，恢复正常运行、火炬气回收状态。蓄水段水可人为控制用2～10min时间排向罐外，阀式水封罐组一般设带自动控制阀的有效水封段、排水蓄水段连通管、安全排水水封、防震、防冻保护，连通自动控制阀可就地也可在控制室操作措施。

3.2.4 火炬系统密封氮气紧急吹扫

当高温放空气体排放结束后会导致这个火炬气放空系统产生冷缩，使得空气沿火炬头回抽进入火炬系统。在火炬总管上设置低压力报警、联锁，压力低报与火炬总管上的紧急补氮连锁。当高温放空气体排放结束后，压力变送器低报，紧急补氮控制阀就自动连锁打开，防止火炬总管由于降温而产生负压，导致空气扩散进入火炬内部产生安全隐患。

［1］ API 521—2007.Guide for pressure－relieving and depressuring systems［S］.

［2］ API 537.Flare details for general refinery and petrochemical service［S］.

［3］ 尤志平，陈强.SH 3009—2001.石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范［S］.2002.

［4］ HG／T 20570.12—95.火炬系统设置［S］.

［5］ 徐旭常，周力行.燃烧技术手册［M］.北京：化学工业出版社，2008.