空气消烟在火炬中的成功应用

2020-03-04何敏

化工设计通讯 2020年1期

何敏

（江苏中圣高科技产业有限公司，江苏南京 211112）

在石油化工工业迅猛发展的今天，炼油、化工、塑料、制药等石化及后衍生产装置更加呈现出生产规模扩大、联建联产和公用工程集中供应的特点。由于这些装置的规模化和相互连带关系，在日常运行、开停车工况特别是停电、停水、停气等突发事故发生时，装置将排放出较大量的排放气。为保证生产装置的系统稳定和安全，这些大量的排放气不能通过常规的存储或热能转化进行回收利用，常规安全的做法是将排放气体通过火炬气管网送到火炬去燃烧处理。火炬系统的设置需要兼顾稳定生产、安全和环保三大作用。如图1所示。

图1 火炬排放冒黑烟的现象

大型的炼油、石化及相关产业项目的规模越来越大，生产装置在开停工或事故工况下泄放的火炬气量也越来越大，导致火炬的规模越来越大，火炬头的直径越来越大，对火炬安全稳定的燃烧要求也越来越高。按照石化规范[1]重组分的火炬气在火炬系统中通常都会经过火炬气分液罐将液滴直径大于600μm的成分分离出来，防止火炬燃烧下火雨。由于一般火炬气的泄放温度都比较高，在事故排放过程中，重组分来不及冷凝下来就已经去火炬头燃烧处理，根据燃烧原理，这些重组分的火炬气的燃烧都需要大量的空气，如果来不及供给足够的空气，火炬头就会冒黑烟或下火雨，所以为保证重组分的火炬气安全稳定的燃烧，通常会从火炬气的燃烧特性、火炬头的结构形式、消烟的方式等因素对火炬气的燃烧进行选择性的改进，对应的处理方法有音速及亚音速火炬的研究、消烟介质注入火炬头方式的研究、空气（蒸汽或燃料气）的消烟介质的研究等。

1 提出空气消烟的课题

在大型煤化工项目中，MTO装置及PP、PE装置的泄放气通常为分子量较大的烃类火炬气。随着煤化工项目的规模越来越大，烃类火炬筒体的直径也较大，无法兼顾烃类火炬系统小流量工况下的稳定燃烧，导致经常发生的焖烧情况。为避免该种情况，将小流量火炬气引出，单独作为小流量火炬系统处理。一般煤化工项目中的酸性气火炬的处理量较小，且酸性气热值低，不易燃烧，需要额外添加伴烧燃料气，工程上常将大火炬系统的小流量气切换进入酸性火炬头，一方面确保了小流量工况的完全燃烧，另一方面也为低热值不易燃烧的酸性火炬气提供助燃气维持燃烧的温度场。

但如果没有任何消烟措施，酸性气火炬气中的含硫成分及小流量的烃类火炬气在酸性气火炬头燃烧会发生燃烧不充分的冒烟现象。2011年某项目的全厂火炬的酸性气火炬在运行过程中就发生过此类现象。火炬作为处理各个装置泄放废气的安全通道，安全、高效、稳定的燃烧是关键，不完全燃烧导致冒黑烟的现象会给周围环境及工厂居民的生存空间带来威胁，为企业的社会名誉带来不良的影响。

由于酸性气一般含有H2S等的酸性气体，不适宜使用通常的蒸汽消烟方式，酸性火炬气中的H2S，一旦与水结合，形成的弱酸会对火炬头的材质（SS310）造成严重的腐蚀，损害火炬头的使用寿命。这种情况下，根据实际情况创造性地提出了在不能利用蒸汽消烟或者没有蒸汽条件的场所，采用高压压缩空气代替蒸汽对火炬头燃烧进行消烟。在火炬头上增加了压缩空气消烟措施的设计，通入火炬头的压缩空气管道配备了调节阀组，根据控制室排放监控，手动调节压缩空气流量，达到消除黑烟的目的。

2 关键技术和疑难问题

燃烧过程是涉及到流动（湍流）、传热、传质、化学反应在内的复杂的物理化学过程。火炬头的设计对理论分析和试验手段的要求均很高。蒸汽消烟是利用蒸汽引射卷吸空气及高温分解水分子得到氧气来给火炬气燃烧增加含氧量。空气消烟是直接利用空气引射空气及本身的氧含量给火炬气的燃烧增加含氧量。

在出现某项目的酸性气火炬头冒黑烟的问题后，考虑到其是不能用蒸汽消烟的场合，创造性地利用压缩空气强制引射空气助燃，火炬头的结构形式独创，成功地解决了压缩空气消烟的难题。

采用压缩空气对火炬的冒烟情况进行消烟选取的空气的压力不宜低于0.7MPaG，消烟所需的压缩空气的耗气量G（kg/h）可按如下公式[1]进行计算：

k：比例系数，取值为1.2～2；

qcm：排放气体中碳氢化合物的质量流量kg/h；

MC：排放气体中碳氢化合物的平均分子量。

2.1 空气消烟的应用

某项目通过实际改造，验证了压缩空气的消烟效果，取得了良好的经济效益和社会效益，为业主解决了难题。在随后的多个煤化工及炼油项目中空气消烟在的酸性气火炬系统中得到成功的应用。如图2所示。

图2 典型压缩空气消烟流程示意图

利用火炬系统处理工业废气是目前很多企业保证节能环保的重要方式，因为火炬气的成分复杂多变，有很多火炬气的组分是不能与水蒸气混合的，例如产生结晶、腐蚀、低温介质等问题，或者在寒冷地区、在沙漠或者海洋平台上，蒸汽条件不能满足，但空气是无限的，不受场地限制。在火炬系统中利用空气消烟代替蒸汽消烟，既能解决火炬冒烟的环境问题，也能给业主节省投资，为企业的绿色环保带来更大的发展空间。如图3所示。

2.2 经济和社会效益

目前某项目改造后已经投产7a，应用压缩空气代替蒸汽消烟的改造方法每年为业主节省了大量的水和蒸汽，也减少了蒸汽系统的检验和维修工作，为企业带来巨大的经济效益。

图3 酸性气火炬成功改造的消烟案例

以该项目为例，1.1MPa（G）的低压蒸汽成本约为90～120元/t，0.6MPa（G）的压缩空气的成本约为0.1元/m3，常燃小火炬需要蒸汽消烟的量为27794kg/h，压缩空气的量为蒸汽的1.2倍～2倍，折合成体积量约为4984m3/h，相比之下，每小时节省的成本是27.794×100-4984×0.1=2281元。长期运行下来，能够为企业节省很大的火炬运行费用。