高架火炬排放高度的计算

朱海峰

(康泰斯(上海)化学工程有限公司，上海 201210)

化工设计

高架火炬排放高度的计算

朱海峰

(康泰斯(上海)化学工程有限公司，上海 201210)

高架火炬是目前行业内应用最广泛的火炬排放装置。根据国内外火炬设计规范，确定火炬排放筒体的直径和高度，再通过大气污染物排放标准和噪声相关计算方法核算火炬高度。

火炬高度；安全区域半径；热辐射强度；泄放量

火炬是用来处理工厂或装置在开停车、紧急事故或正常生产过程中产生的可燃、易爆、有毒、有腐蚀性气体的特殊燃烧设施，通过火炬燃烧处理后，能将可燃或可燃有毒气体转变为不可燃的惰性气体，将有毒、有害、有臭物质转化为无毒、无害、无臭物质，并满足大气污染物的排放高度及浓度标准后放空，它是保证工厂安全生产、减少环境污染的一项重要措施。根据气体排放的要求及场地条件，可分为：高架火炬、地面火炬和坑式火炬。其中，高架火炬是目前石油、化工、天然气、煤气化等行业应用最广泛的火炬排放装置。

本文讨论的高架火炬计算方法主要参照石化行业标准SH3009 《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》2001版，部分参数和公式参考2013新版。

1 火炬高度的计算公式

火炬的计算高度与火炬的安全区域半径、火焰长度以及火炬释放的总热量等因素有关。

火炬筒体高度的计算公式：

(1)

式中:QF——火炬释放的总热量，kW；

∑——热辐射系数；

q——允许热辐射强度，kW/m2；

R——安全区域半径，m；

Xc,Yc——风速作用下火焰中心的水平位移和垂直位移，m，见公式(7)、(8)；

hT——受热点的离地高度，取人员身高1.8～2.2 m。

2 计算公式的参数

2.1 火炬释放的总热量

排放气体在火炬头燃烧时产生的热量大小与排放气的低热值、气体排放量和燃尽率等因素有关，而低热值则由气体的组分及浓度决定。当气体的热值低于7880kJ/Nm3时，在排入火炬系统前应对热值进行调整。

释放的热量公式：

(2)

Hl=∑GiHi/∑Gi

(3)

式中:Hl——低热值，kJ/kg；

G——气体泄放量，kg/h，

Gi,Hi——气体中各组分的质量浓度及其纯组分的低热值。

在释放组分已确定的前提下，火炬释放的总热量与气体的泄放量成正比，而泄放量又与泄放源大小和多少有关。通常，火炬的额定泄放量多以火灾工况下的紧急泄放为主。那么，火灾工况下的泄放量如何取值？根据API 521《泄压和减压系统指南》和化工部标准HG/T 20570.2-95《安全阀的设置和选用》的规定，应取任意区域面积为460m2，即半径12m范围以及距离地面高度7.5m范围内所能覆盖的设备群，在火灾工况下的泄放量，取其中泄放量最大的一组设备群，作为装置额定泄放量的泄放源。一般情况下，设备布置中，由于罐区设备数量众多，且布置紧凑，故火灾工况下的最大泄放量区域以罐区为主。

另外，火灾工况下设备的泄放量又与其外壁校正系数有关，应考虑有无保温、砂土覆盖(地下设备)和水喷淋降温等措施因素，这些措施能在一定程度上阻碍外部火焰的热传递。例如：当设备顶部设水喷淋装置且喷淋强度大于10 L/(m2·min)时，与未设置水喷淋时相比，泄放量可按减少40%计。

2.2 热辐射系数ε

热辐射系数表示火炬燃烧时产生的高温火焰以辐射方式向环境释放热量的能力。火焰的热辐射系数不仅与火焰的组成有关，而且与是否完全燃烧、有无黑烟、空气湿度以及辐射距离等因素有关。2013版规范给出了一个基于氢气和烷烃类组成的经验公式。简化计算时，热辐射系数一般可取0.2。某些火炬制造厂家在进行火炬设计时，还会引入辐射强度传递因子，优化热辐射系数的取值。

2.3 安全区域半径R

安全区域半径也即划定的火炬辐射圈的边缘，到火炬筒体中心线的水平距离。安全区域半径一般在装置总图布置时确定，根据GB 50160-2008 《石油化工企业防火设计规范》内关于石化厂总平面布置的防火间距规定：高架火炬与工艺主装置、可燃液体、气体储罐和全长重要设施的防火间距不小于90m。实际在对装置进行总图布置时，一般均考虑给高架火炬留出90m的辐射圈，即90m安全区域半径。

2.4 热辐射强度q

热辐射强度与允许暴露在热辐射区域内的时间有关。公共区域内人员可持续暴露的安全热辐射强度应不大于1.58 kW/m2(不含太阳辐射)。火炬辐射圈外一般都会有人员走动，故设计时，火炬辐射圈边缘处的热辐射强度通常按1.58 kW/m2考虑。

2.5 火炬筒体直径

火炬筒直径的大小，取决于气体的泄放量和泄放速度，而泄放速度与允许的压力降有关。根据火炬筒体内径与火炬排放口直径一致的原则，可以推导直径的公式：

(4)

式中:Va——火炬气的允许流速，m/s；

ρ——排放气密度，kg/m3。

允许流速与声速的比值称为马赫数(Ma)，即马赫数是表征声速倍数的数。采用近似法计算，正常排放时的马赫数按0.2取值，事故或紧急排放时的马赫数可以按0.5取值。相关的火炬研究文献指出，马赫数在0.2～0.5取值范围内，可以保证火炬稳定燃烧。

2.6 火焰长度h

火焰长度对火炬高度的计算结果影响较大，肯特(G.R.Kent)提出的火焰长度计算公式如下：

马赫数(Ma)≥0.2时，h=118DF

(5)

马赫数(Ma)<0.2时，h=23DFln(Ma)+155DF

(6)

2.7 火焰倾斜角Ø、火焰中心位移XC、YC

在横向风速的作用下，火炬排放口的火焰会发生倾斜，同时火焰中心产生水平偏移和垂直偏移。倾斜角度及偏移量示意图如下：

计算公式为：

(7)

(8)

(9)

式中:h——火焰长度，m，火焰中心距离火炬出口的高度为3/h；

Ø——有风状况时的火焰倾斜角；

Vw——火炬出口处最大平均风速，m/s。

最大平均风速等于装置所在地区的基本风速与该地区风速高度变化系数的乘积。

美国建筑规范UBC97给出的基本风速取值为最大英里风速，即基于1英里长的空气样本通过一个固定点时间的最高持续不变的平均风速，可通过规范ASCE7-10换算成不同时距的基本风速。我国的基本风速是根据当地气象站历年测得的不同风速仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算成离地高度为10m、时距为10min的平均年最大风速数据，经统计分析后确定重现期为50年的最大风速。火炬计算时，一般按装置所在地的气象条件，即提供的最大风速来取值。

风速高度变化系数可以参考SH/T20570.12-95《火炬系统设置》的附表，或者按照GB50009-2012《建筑结构荷载规范》的规定，按地面粗糙度划分陆地上的风速高度变化系数。后者也是国内很多火炬设计和制造厂商所采用的准则。

2.8 其它因素

2.8.1 大气污染物排放高度

火炬筒体高度应满足大气污染物的排放要求。应遵循火炬气燃烧后的污染物，其最大落地浓度不超过国家和地方大气污染物排放标准的原则。烟气最大落地浓度计算的基本原理采用高斯扩散模式，可通过专业软件EIAProA进行模拟计算。软件需要输入的烟气抬升高度值，则可通过GB/T13201-91《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》的公式推算。

2.8.2 噪声

火炬排放产生的噪声应满足现行的国家环境噪声限值。API521提供了放散筒的气流噪声估算，该估算值加上3dB的分贝增值作为火炬噪声的估算公式。实践证明从增加火炬筒高度来降低地面噪声的效果不明显，设置消音罩或采用多孔型火炬头则是火炬降噪的有效措施。

3 结束语

火炬筒体的高度，影响热辐射的安全区域半径、排放气体中污染物的落地浓度、噪声的大小，也决定着火炬的支撑方式、支撑高度，桁架钢结构的荷载和用量等，最终反应到设备的总投资上。本文是笔者在以往参与火炬技术评标及设备采购过程中运用到的计算方法和一些思路与体会。作为工程技术人员，熟悉和掌握火炬高度的计算方法，在火炬装置的设计和采购过程中，可以对各火炬设计制造厂商提供的技术方案作出合理的分析与评价，合理优化报价中可能虚增的部分，降低火炬装置的投资和运行费用。

[1]中国石油化工总公司.SH3009-2001, 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].北京：中国石化出版社，2002.

[2] API.API 521-2007 Pressure-relieving and depressuring systems[S].Washington, D C:API Publishing Services,2007.

[3]中华人民共和国化学工业部.HG/T 20570.2-95, 安全阀的设置和选用[S].北京：化工部工程建设标准编辑中心，1996.

[4]中华人民共和国化学工业部.HG/T 20570.12-95, 火炬系统设置[S].北京：化工部工程建设标准编辑中心，1996.

[5]国家质检总局.GB 50160-2008, 石油化工企业防火设计规范[S].北京：中国标准出版社，2008.

[6]国家质检总局.GB 50009-2012, 建筑结构荷载规范[S].北京：中国标准出版社，2012.

[7]刘天英, 齐秋平. 中外规范基本风速对比分析[J].钢结构, 2012, 27(12):57-59.

[8]朱洪文. 火炬设计计算中几个问题的讨论[J]. 油田地面工程, 1993,12 (2): 71-72.

(本文文献格式：朱海峰.高架火炬排放高度的计算[J].山东化工，2016，45(08)：104-106.)

2016-03-07

朱海峰(1978—)，化工工艺工程师，华东理工大学化学工程与工艺专业，从事工程设计工作。

TQ050.2

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1008-021X(2016)08-0104-03