多点式地面火炬长周期运行工艺研究

2020-07-13王友金

山东化工 2020年11期

王友金

(中韩(武汉)石油化工有限公司，湖北武汉 430000)

多点式地面火炬是国内在石油化工企业最近十几年才逐渐兴起的一项处理废气燃烧工艺的设施。相对于传统的高架火炬，其安装高度低，可有效避开机场等航运要求高的地区；自动化程度高，日常运行无需人为手动操作，极大程度优化人员编制，提高人员工作效率；安装在地面，易于维修；燃料嘴设置极多，燃烧均匀，不易产生黑烟[1]。

某乙烯厂的地面火炬已投用7年，顺利经过一个大修周期，在7年的使用过程中，出现了一些如长明灯堵塞、火炬头堵塞、回收气总管带液、回收压缩机运行不稳定等生产难题，现就这些生产难题的应对策略进行详细的论述。

1 主要生产难题及原因分析

1.1 部分长明灯熄灭故障

1.1.1 故障现象

经过长达7年使用时间(2016年全厂大检修期间烯烃火炬曾停工35天、聚烯烃火炬未停工)的运行，烯烃和聚烯烃火炬长明灯系统均出现如下问题：多数长明灯火焰防风、防雨能力降低，时常出现熄灭故障。一旦生产装置跳车，不能及时点燃火炬气进行传燃，可燃气积聚达到爆炸极限则地面火炬存在爆炸风险[1]。

1.1.2 原因分析

长明灯全部设置在火炬防辐射围墙以内。正常工况下，火炬围墙内持续有火焰燃烧(长明灯火焰、燃烧火焰)，生产装置也随时可能突然跳车排放巨量可燃气。因此，火炬围墙内禁止人员进入。只有当火炬系统全部停工期间，人员才能进入围墙内从事检修作业[2]。

首先从围墙外部排查原因。每一根长明灯燃料气供气管线在围墙外部设置有低点排凝，检查低点排凝口，无存液。排除雨水堵塞燃料气流道，造成长明灯熄灭的疑点。

再次采取加大燃料气供气压力从0.1 MPa升至0.3 MPa，夜间通过工业摄像头明显观察到长明灯火焰变大，熄灭次数减少。说明燃料气管线确有部分堵塞。

图1 灯芯筛网完好状态

图2 灯芯筛网烧穿状态

经公司批准，使用无人机飞入围墙内进行低空近距离拍照的方式对易熄灭的长明灯内部结构进行拍照，发现长明灯头内灯芯筛网多数已烧穿，已不具备防风防雨能力。结合长明灯的设计使用气源、实际使用气源和备用气源的组分和热值数据，初步判断原因为长明灯使用的燃料气热值较原设计值过高，超过长明灯筛网长期烘烤能承受的温度能力，最后烧穿。如图1、图2。

另外，对2016年大检修期间拆卸下来的旧长明灯燃料气管件进行检查，发现存在以下问题：

(1)长明灯下部供燃料气过滤器不畅通。拆开过滤网，发现滤网上覆盖一层较厚的黑色积炭，积炭已堵塞内衬丝网，过滤网通气能力下降。

(2)长明灯下部供燃料气过滤器后的文丘里管喷孔直径过小。文丘里管喷孔最窄处直径1 mm，当长明灯灯罩和筛网金属碎屑等杂物落到长明灯燃料气管内，杂物就有可能卡在喷孔内，堵塞喷孔，切断燃料气通道，使长明灯熄灭。

1.2 长明灯无可靠备用气源问题现象

两套地面火炬共用一套长明灯燃料气源。燃料气源日常采用裂解装置自产过剩燃料气，当过剩燃料气管网压力不足时，采用西气东送外购天然气作为气源。2018年外购天然气曾发生过一次管道泄漏紧急降压运行的事故，致使我公司面临停用天然气，长明灯失去备用气源的紧急情况。因长明灯仅设置了一处天然气钢瓶组供气阀组甩头作为备用气源接口，一旦长明灯失去现有气源，则仅依靠钢瓶组无法获得稳定和足够的气源[3]。如图3。

图3 长明灯气源流程

1.3 常用火炬头堵塞

1.3.1 故障现象

自2018年以来，发现烯烃火炬第1～2级火炬头(共5个燃烧器)、聚烯烃火炬第1～2级火炬头(共5个燃烧器)的火焰燃烧长度呈逐渐减小趋势，直至这10只使用频率最高的燃烧器彻底没有火苗，只能暂停使用，关闭阀门，依靠自动升级到后续的分级设施实现燃放火炬气[4]。

1.3.2 原因分析

分析原因可能为：(1)10只火炬头长时间使用，受到高温烘烤，火炬气带有的结晶物或火炬气燃烧时在火炬头处结焦堵塞了火炬头；(2)因烯烃火炬总管管径达1.8 m，聚烯烃火炬总管管径也有1.35 m，火炬气到达每一级的延伸管的直径为100 mm，而两套火炬最终端的火炬头的喷孔直径才4 mm。管径变化太大，一旦火炬气总管带入了杂物，极容易堵塞火炬头。

1.4 火炬燃烧不完全产生黑烟和异味

1.4.1 故障现象

(1) 两套地面火炬在火炬气排放量很小的时候会出现燃烧不完全的情况，火炬周围偶有异味。

(2)当前五级分级阀开始降级关闭后，相应的蒸汽分级阀关闭的瞬间，相应的火炬头会出现短暂的黑烟。

1.4.2 原因分析

(1)正常工况下，排放的火炬气中瓦斯含量较低，绝大多数组分为氮气(正常工况下，分别4次对火炬气含量分析结果见下表)。火炬气无法完全燃烧造成周边有异味，对大气有一定污染。见表1。

表1 火炬气分析结果

(2)前5级分级阀降级关闭后对应的蒸汽伴烧分级阀会立即关闭，同时氮气后吹扫阀会立即打开，分级阀后的一段火炬延伸管内存有的少量火炬气被大量氮气包裹，不能完全燃烧，出现短暂黑烟。

1.5 火炬回收气总管带液

1.5.1 故障现象

(1)火炬回收气经回收压缩机增压后，送往全厂回收气管网，供裂解装置加热炉燃烧器使用。由于回收气中夹带液体过多，经常堵塞加热炉燃烧嘴，需要人工进行脱液。

(2)火炬回收气总管设有一套在线氧分析仪，其监测数据经常出现假值和掉线的情况，检查原因为回收气总管带液，液体进入氧分析仪后，使读数不准现象发生。

1.5.2 原因分析

(1)连续一个月对烯烃火炬总管进行采样分析，发现经常带液。

(2)压缩机在运行时会在入口加入柴油进行机体冷却，虽然压缩机出口设置有气液分离器，但气液分离器中的丝网除沫器除液效果不好，无法彻底将气体中夹带的液体分离。

(3)未完全分离的液体一方面进入回收气总管在线氧分析仪内，使氧分析仪指示数据长期不准；一方面进入裂解装置加热炉再燃烧时，存在堵塞加热炉燃烧嘴降低燃烧效率的风险。

1.6 火炬升降级压力设定不合理

1.6.1 问题现象

(1)火炬前5级经常出现频繁升降级的情况；

(2)火炬第1级开启压力设定为10 kPa，但每当压力降至13 kPa时，生产调度就会发出压力低报警，提醒火炬岗位及时手动调整火炬压力，不得继续排放泄压。

1.6.2 原因分析

(1)按原设计，两套火炬第2、3、4级的降级压力过于接近，且第3级降级压力高于第4级，不适用于实际情况。当火炬总管压力低于20 kPa时会依次关闭3级、4级(3级有5个火炬头、4级12个火炬头)，关闭后排放量会突然减少，导致1级、2级(1级2个火炬头、2级3个火炬头)排放量太小，不能及时泄压，总管压力又迅速上升至100 kPa后重新升级，升级后压力迅速降低，从而出现频繁升降级的情况。频繁升降级会使分级阀受到严重磨损，同时也不利于火炬平稳燃烧。

(2)烯烃火炬第1级分级阀开启压力设定为10 kPa不合理。因裂解装置分离工段湿火炬分液罐(D-902)压力设定为当烯烃火炬总管压力低于13 kPa时自动打开调节阀，补充天然气，以防止管网压力过低时，空气窜入管网。当烯烃火炬总管压力持续降低至8 kPa时，会联锁强制打开补气阀XZV90001，大量补充天然气，以保证火炬总管压力为微正压。所以原设计烯烃火炬第1级高于10 kPa即开阀泄压的设计不符合实际生产要求。

1.7 回收压缩机运行不稳定

1.7.1 故障现象

经过长时间运行后，回收压缩机排气温度经常超高，达到95℃联锁值自动停机。

1.7.2 原因分析

结合历史趋势数据，认真分析回收压缩机存在的排气温度超高问题，发现存在以下三个原因：(1)是压缩机喷淋冷却用柴油长期使用后变质，形成糊泥状物质，一方面堵塞柴油喷淋过滤器，造成压缩机喷淋冷却效果不好，排气温度异常超高；一方面当装置大量排火炬气时，压缩机气液分离器内会有剧烈扰动，将糊泥状物质带进回收气总管，并通过回流线进入回收压缩机入口过滤器，从而堵塞入口过滤器。(2)是气液分离器内丝网除沫器故障，不能满足使用要求；(3)是压缩机入口柴油喷淋小孔数量太少，容易被入口杂质堵塞，压缩机螺杆阴阳转子干磨，加剧排气温度超高情况[5]。

2 优化措施

2.1 长明灯部分熄灭故障采取的优化措施

经ZEECO厂家与设计人员确认，决定利用2020年全厂大检修机会，进入围墙内，将烯烃、聚烯烃火炬每级更换一支长明灯，共计31支，以消除存在的生产隐患，及时恢复正常生产工况；并在ZEECO 厂家人员指导下检修原长明灯内部积碳及结焦，分析结焦原因，从而根本上解决长明灯易熄灭问题。

大检修之前，由装置制定详细的管理规定，加强班组人员HEI和FFG自动、手动点火能力培训，确保异常工况下的长明灯熄灭再点燃工作正常进行。

2.2 长明灯无可靠备用气源

2.2.1 采取的优化措施

利用中间罐区丙烷+LPG罐(6×3000 m3，0.66 MPa)作为备用气源，经减压阀减压至0.3 MPa后送至长明灯备用气源给气点。当长明灯燃料气压力低于1 kg时，火炬岗位操作人员紧急到现场打开备用气源阀门，同时关闭现有气源阀门，及时切换到备用气源状态；当现有气源恢复正常时，及时进行切换。见图4。

图4 改进后设计流程

2.2.2 依据的原理

当丙烷+LPG罐(6×3000 m3，0.66 MPa)正常工况时，每天保持60%罐存量，即6×3000 m3×60%×0.5 t/m3=5400 t。而70支长明灯每天的燃烧量(长明灯压力为1.05 kg/cm2g)=70×1.16 nm3/h×0.5 kg/m3×24 h=974.4 kg≈1 t。则丙烷+LPG罐的日常罐存量可够两套火炬在危急时刻使用约5400天。可保证长明灯在危急时刻的正常供气，确保长明灯的安全。

2.3 常用火炬头堵塞采取的优化措施

(1)利用2020年大检修的机会，对烯烃火炬的第1～2级、聚烯烃火炬的第1～2级火炬气延伸管处割开，检查内部结焦情况，并更换新的火炬气延伸管和火炬头，火炬头型式为MJS-4，同时增加火炬头开孔数以防止结焦。若前2级延伸管内部结焦严重，则对第3级的5只延伸管也进行切割，清理内部结焦情况，并在延伸管前增加可清洗过滤器，以截留杂物。

(2)火炬头的结焦物在火炬设施停工期间进入围墙采样化验分析结焦成分后，再与ZEECO专利商制定针对性的措施，确保从根本上消除堵塞隐患。

2.4 火炬燃烧不完全产生黑烟和异味采取的优化措施

(1)当管网中氮气含量较高，无法点燃火炬气时，请示生产调度由火炬岗位操作人员现场手动投用天然气(0.3 MPa)进行伴烧，以最大程度消除黑烟。

(2)蒸汽分级阀在对应的火炬气分级阀关闭后延时1 min后联锁关闭。当前五级分级阀降级关闭时，火炬气管道上氮气后吹扫阀立即联锁打开，大量氮气持续进入火炬气延伸管，只需要在几秒钟时间内就能将分级阀后火炬管内残留的火炬气吹出，在蒸汽仍在伴烧的状态下，火炬气仍然能够得到充分燃烧，从而减少黑烟的产生。经过多次经验积累，我们将蒸汽分级阀的联锁关闭延时时间确定为1分钟，可以完全实现分级阀关闭后的火炬气燃烧黑烟情况[6]。见图5、6。

图5 有黑烟

图6 无黑烟

2.5 火炬回收气总管带液

2.5.1 采取的优化措施

(1)经过统筹考虑，公司决定将回收气改进动力部锅炉，将回收气与天然气混合送至中压锅炉燃烧嘴燃烧。

(2)同时，一方面在压缩机出口管线处增设除液聚结器。除液聚结器采用5 μm过滤精度的过滤网将液滴分子进行拦截，彻底将液滴与气相部分分开；一方面在回收气出口总管氧分析仪前增设分液罐，将回收气中的液体组分进行沉降分离，并利用0.35 MPa的管道压力自压至聚烯烃分液罐(压力约0.010～0.1 MPa)储存，消除回收气管网带液的生产难题。见图7、8。

图7 原回收压缩机出口工艺流程

图8 改进后的回收压缩机出口工艺流程

2.5.2 依据的原理

(1)聚结器处理量为900 Nm3/h，过滤面积6 m2，过滤精度为5 μm。回收气进入聚结器后，首先分散进入聚结滤芯，由聚脂聚结层将微小的液滴聚结成大的液团，沉降于集液槽内；然后未来得及聚结的小液滴靠分离滤芯的斥液作用进一步分离，储存在聚结器底部。干净的回收气通过分离滤芯后，由顶部出口排出。当聚结器内液位达到高液位报警时，自动打开调节阀排液，将液体组分排至烯烃分液罐(压力0.015～0.1 MPa)储存。2019年7月至2019年12月已累计回收残液量：1430 L。

(2)回收气管网压力0.35 MPa，通过管径DN25的管道连接氧分析仪，同时液体在自身压力下流入分液罐缓存后，再压入聚烯烃分液罐(压力0.01～0.1 MPa)，通过视镜可直观的检查存液流动情况。

2.5.3 实施的效果

经过半年时间的调试，除液聚结器和氧分析仪分液罐运行良好，能够将液滴与回收气体分离，较好地保证了回收气不带液。

2.6 火炬升降级压力设定不合理

2.6.1 采取的优化措施

(1)升级压力调整见表2。

表2 烯烃(聚烯烃)火炬升级压力调整

(2)烯烃火炬降级压力调整见表3。

表3 烯烃火炬降级压力调整表

(3)聚烯烃火炬降级压力调整见表4。

表4 聚烯烃火炬降级压力调整表

2.6.2 依据的原理

为避免烯烃火炬总管压力过低，裂解装置大量补充天然气，造成能源浪费。规定烯烃火炬总管压力不得低于15 kPa，同时修改火炬气回收压缩机回流调节阀联锁开启压力设定值，由原来的10 kPa 改为15 kPa，以便当烯烃火炬持续小流量排放时(排放量小于回收压缩机回收能力)，具有固定回收能力的火炬气回收压缩机通过打回流的方式仍能够正常持续运转；以便于烯烃火炬管网随时可能频繁排放的适量废气能够被及时回收，不会直排大气烧掉，从而更彻底的降低碳排放总量；也可以避免压缩机频繁起停造成的设备损坏。

2.6.3 调整后的效果

升降级压力程序修改完成后，地面火炬升降级不再频繁，一般能达到十几天甚至一个月不进行升级(达到第1级升级压力40 kPa)排放废气，各装置正常生产时的小流量排放的火炬气几乎全部得到有效回收，碳排放得到有效减少，真正做到了“熄灭”火炬。反之，当火炬处于升级燃烧状态时，说明某个装置生产工况出现波动，正在通过排放废气或置换工艺设备以回到正常生产工况。此时，我们会及时提醒生产调度反向配合装置调整生产运行工况，以将装置生产损失降到最低。