开放式地面火炬系统工程应用实例分析

摘 要：介绍了开放式地面火炬系统的工艺流程及项目应用简介，同时阐述了燃烧器布置原则和无烟燃烧的设计。详述了火炬气燃烧系统的逻辑联锁控制方案，并提出了水封罐节约用水和减少污水外排的措施。

关键词：开放式地面火炬;燃烧器;水封罐;无烟燃烧;污水

开放式地面火炬和封闭式地面火炬类似，同样采用多燃烧器处理和分级燃烧原理，而且采用金属围栏来屏蔽火焰对外界的影响。但是和封闭式地面火炬相比，开放式地面火炬可以适应更大的火炬气处理量的要求。因此，随着石油化工生产规模的不断扩大，开放式地面火炬将得到更加广泛的应用。开放式地面火炬同样具有无烟、无光污染、低热辐射、低噪音等优点[1]。本文通过工程实例阐述开放式地面火炬系统的工艺流程和逻辑控制，并提出减少开放式火炬在大排放的过程中冒黑烟的逻辑控制方案，以及水封罐节约用水和减少污水外排的措施。

1 开放式地面火炬系统的工艺流程及工程应用简介

1.1 开放式地面火炬系统的工艺流程

开放式地面火炬的工艺流程与封闭式地面火炬的差不多，即火炬气首先经过分液罐和水封罐后进入排放气的集气总管，为了适应不同工况和流量变化的要求，将火炬气分级，在每一级的排放总管上设置气动切断阀，根据集气总管上的压力信号开启或者关闭气动切断阀。其中前几级的控制采用比例微分控制以减少相应的滞后。

1.2 开放式地面火炬系统的工程应用简介

某新材料有限公司丙烷脱氢装置配套的开放式地面火炬的最大设计处理量为1000t/h，排放的主要成分为丙烷、丙烯等，火炬系统的排放背压按照110kPag考虑，经设计计算后开放式地面火炬系统的火炬总管为DN1600，总共分14级燃烧，设置400套燃烧器，单台燃烧器的处理量为2.5 t/h。前3级燃烧器配有蒸汽消烟，火炬按100%无烟燃烧设计，林格曼黑度按小于1级设计。共设32套节能型长明灯和配套自动点火系统。火炬各级均设置有至少两套长明灯，第一级每套燃烧器均配置独立长明灯，确保日常小排放工况的稳定点火燃烧。其中主要配置见下表：

2 燃烧器的布置和无烟燃烧

2.1 燃烧器的布置

开放式地面火炬系统一般设置为矩形燃烧区域，燃烧器呈列平行布置在矩形燃烧区域内，燃烧区域外围设足够高度的防辐射屏，并具备一定的防风作用。因开放式地面火炬是根据各分级控制阀前的压力信号逐级控制开启各级控制阀的，火炬气的排放量通常较小，因此低压力级燃烧器比高压力级燃烧器的使用频次高，为尽量减小火焰对金属围栏的影响，低压力级燃烧器宜布置在防热辐射金属围栏的中间，高压力级燃烧器宜布置在两侧[2]。火炬气根据流量（压力）大小进入部分或全部燃烧器燃烧。每级燃烧器分别布置在火炬氣管道的两侧，且两个燃烧器前后错开，两个燃烧器之间需要保持一定的间距，这个间距取值是经过严格FLUENT模拟计算出来的，以确保两个燃烧器之间能够相互传焰，且防止火焰粘连在一起。

2.2 无烟燃烧

燃烧器的多孔设计增加火炬气和空气的接触面积，有效利用空气;通过分级系统充分利用燃烧器处的泄放气压力，提高燃烧器喷孔处的火炬气速度，以保证吸入足够量的自由空气，从而达到消烟的效果[3]。当火炬气排放量比较小时，火炬气管内的压力比较低，只有前几级的燃烧器参与燃烧，此时燃烧器出口火炬气压力比较低，需要通过蒸汽消烟来达到无烟燃烧的效果，所以在第一、二、三级设有蒸汽辅助燃烧，通过蒸汽喷射与燃烧器喷孔相结合，可以确保在泄放气低压力时的无烟燃烧。当火炬气排放量增大，火炬气管道的压力增高，后续几级采用分级控制阀，以获得燃烧器出口更高的泄放压力，从而保证在没有蒸汽辅助情况下的完全燃烧。

3 火炬气燃烧系统的逻辑控制

对于开放式地面火炬燃烧，火炬气进入燃烧器烧嘴需要有一定的流速，其所需入口压力高低影响到阻力分配及火炬系统的稳定和燃烧效率。火炬气的分配靠分级控制阀控制，通过火炬气压力信号控制。火炬气量小时，只有第一级燃烧器工作，随着火炬气量的增大，逐级开启第二级、第三级等后续燃烧器参与工作。每级的开启压力与火炬气的排放量是一一对应的关系。当火炬气流量（压力）降低时，再根据预先设定好的分级阀关闭压力，逐级关闭燃烧器，确保合理的燃烧器工况。如果跳级关闭分级阀就会产生冒烟的后果，为了防止跳级关闭分级阀（当火炬气管道上的压力变送器检测到第二级分级阀的关闭压力时，如果此时第三级分级阀未关闭，第二级分级阀会关闭），关闭逻辑控制为：当第三级分级阀的状态为关闭指令且第三级分级阀触发关闭信号10S后，此时如果火炬气管道上的压力表检测到第二级分级阀关闭压力值时，才会触发第二级分级阀的关闭信号。

另外，为了避免分级压力控制阀故障而对排放系统产生影响，每一个分级控制阀都设有爆破旁路，在分级控制阀故障时，火炬气可通过旁路进入火炬燃烧器燃烧，实现系统的本质安全。为了防止回火，第一级常燃火炬气系统管道上设置了连续吹扫氮气系统，通过限流孔板限制流量以免吹灭长明灯。各分级压力开关阀后应设氮气紧急吹扫系统，氮气吹扫系统的联锁控制为：当触发各级分级控制阀门关闭信号同时，打开阀门，吹扫10min后，关闭阀门。

4 水封罐减少污水外排和节水措施

水封罐是防止火炬回火爆炸导致可燃性气体排放管网及其连接的设备被破坏的重要设施和手段[2]。在以往的项目中水封罐内的污水通过自流的方式送至污水池，但是随着目前环保和节能要求的提高，都不建议将水封罐内的污水送至污水池。本项目设置了污水罐和污水泵，项目开工时将水封罐内的水通过生产水管道补充到设计的水封高度，污水罐内的水也通过生产水管道补充到设定的液位。在项目运行时，通过污水泵连续运行将污水罐内的水连续补充到水封罐内，水封罐内的高于水封高度的水自动溢流到污水罐内，这样既保证了水封罐的连续补水，又减少了污水外排。当水封罐内液位低而污水泵来不及补水时，需要打开生产书i补水管道上的阀门补水，以确保水封罐内的水封高度。

5 总结

通过对开放式地面火炬在某工程项目上的应用，积累了丙烷脱氢装置火炬气的开放式地面火炬设计及应用经验。详细介绍了其工艺流程和燃烧分级情况，以及燃烧器布置原则。提出了防止产生冒烟的火炬联锁控制系统，同时也提出了水封罐减少污水外排和节水的优化设计，对同类型的装置有一定的指导意义。

参考文献：

[1]郭万青，盛利.多点式地面火炬应用及安全距离[J].中国安全科学学报，2016，32（2）：32-35.

[2] SH3009-2013.石油化工可燃性气体排放系统设计规范[S].北京：中国标准出版社，2013.

[3]孔爱平，董国亮，刘团练.开放式地面火炬在FMTP科技示范项目中的应用[J].煤化工，2017，45（3）：54-57.

作者简介：

赵晓媛（1985- ），女，汉族，江苏南京人，硕士，工程师，目前从事大气污染控制方面的研究。