多点式地面火炬及长期运行情况的研究

马丽娜

徐州燃烧控制研究院有限公司 221000

摘要：随着现代化建设的发展，我国的化工工程建设也有了提高。火炬系统是石油化工企业重要的安全环保设施之一。若火炬系统的安全环保性能不达标，既影响装置的安全排放，还会造成环境污染，增加企业的环保压力。多点式地面火炬由于安全性能高、燃烧充分、污染低等优点日益受到社会的关注。本文介绍了多点式地面火炬的特点，对多点式地面火炬的安全环保性能进行了系统分析，指出了多点式地面火炬存在的一些问题，给出了应对措施。

关键词：多点式地面火炬；长期运行情况；研究

引言

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 地面火炬的组成

多点式地面火炬主要由燃烧器、分级控制器、吹扫及消烟设施、防辐射墙等构成。排放量决定采用燃烧器的数量，燃烧器一般分为多级，每级燃烧器由若干支火炬头构成，燃烧区四周用防辐射墙隔离热辐射[1]。如某厂烯烃火炬有19级，使用800多支火炬头。

1.1 分级控制器投用

分级控制的目的是为了保证泄放气在火炬头有足够的速度，与空气混合实现无烟燃烧。升降级由压力控制，当排放量增加，压力达到升级值，分级阀顺序打开；当排放量减少，压力达到降级值，分级阀顺序关闭。

1.2火炬头及燃烧器

燃烧器的设计、钻孔和排布是影响整个系统性能的关键。燃烧器布置在一定的高度以保证充足的空气来源。每一级燃烧器带有多个交错排布的星形火炬头，燃烧器之间既要留有足够的距离以保证无烟燃烧所需要的空气，又要保证火炬头之间能够互相传焰点火。

2系统组成及主要流程

多点式地面火炬由燃烧器、长明灯组件、点火设施、分级控制阀组、蒸汽消烟系统、氮气后吹扫系统、防辐射墙、凝液回收系统及相关自动控制系统组成。以某乙烯厂为例，其流程如下：装置排放的高压火炬气经火炬气主管进入分液罐，脱去带液，然后进入分级控制系统，根据来气压力由低到高逐级打开分级阀释放燃烧，同级蒸汽阀门自动打开消烟，随来气压力降低分级阀由高到低逐级关闭，分级阀关闭后同级氮气后吹扫阀门自动打开吹扫2分钟，防止回火。其主要特色如下。

2.1 分级控制系统

分级控制系统是多点式地面火炬的关键所在。通过分级控制阀改变投用的燃烧器数量，保证火炬气在燃烧器处有足够的速度与压力，以吸入足够的空气形成低辐射的无烟燃烧，进而满足大流量火炬气释放的生产需求。如某乙烯烯烃火炬有19级分级控制阀，800多支火炬燃烧器，可满足最大达1 620 t/h的事故工况释放量的排放需求。

2.2 火炬燃烧器的分布、选型

地面火炬燃烧器之间应保持足够的距离和高度以保证无烟燃烧所需的空气，同时还应保证同级燃烧器之间能够相互传焰、点火，相邻但不同级的燃烧器之间不发生火焰干涉，以降低热辐射和防止生烟。燃烧器的选型也很重要，一般采用多个交错排布的星型或梅花型多孔结构，以尽可能增加与空气接触面积，多孔结构的扩散引流还可降低噪音，由此带来的空气引射亦可降低燃烧器温度。

2.3 蒸汽消烟系统

地面火炬前5级的燃烧器设有助燃蒸汽环，以保证低流量低压力下的无烟燃烧。助燃蒸汽喷孔与燃烧器本身喷孔交错布置，可以确保火炬气在较低压力时的无烟燃烧。后续级火炬气在分级控制阀作用下会有足够高的压力，可保证在没有蒸汽助燃的情况下亦可完全燃烧。

2.4 爆破针型安全阀

为避免分级控制系统失效或某级分级阀故障，在每级分级阀均设计有旁路爆破针型安全阀，其起跳压力高于相应分级阀控制压力。该阀采用了阀外设置的固定针来使密封塞保持在阀座上，当系统作用于针上的力超过设定点，针会弯曲使阀座松开，使火炬气释放。此阀优点在于复位方便快捷，阀门起跳后仅需更换爆破针即可。

2.5 长明灯系统

地面火炬每级设置至少两个长明灯，长明灯采用空气预混型一文丘里管结构，以急速通过文丘里管的燃料气形成的负压吸引空气源源不断进入混合器，形成可燃混合气，可远距离火花点火。长明灯本身设置有两组热电偶检测火焰，若检测到温度低于177 ℃，系统将判定长明灯熄灭，会触发报警并自动引发HEI电子点火系统点火。此外，还设置有备份的自动FFG型长明灯点火系统。

3优化措施

3.1 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。

3.2 长明灯无可靠备用气源

3.2.1 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。

3.2.2 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。

3.3 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。

3.4 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]。

结语

(1)多点式地面火炬通过分级控制、多点燃烧、蒸汽消烟、氮气补压等实现了火炬气的安全泄放和环保处理，点火系统可靠，在安全、环保性能方面优于高架火炬。因炼油、化工生产装置日趋大型化，对火炬的处理能力和燃烧效率的要求不断提高。同时，国家对环境保护管理的加强，促进了地面火炬国内的推广应用。

(2)实际操作过程中发现地面火炬存在燃料气消耗量大等问题，值得进一步探讨和解决。

(3)由于我国引入地面火炬技术较晚，多采用国外工艺包，国内缺乏相关的标准规范，在工艺及控制系统设计、设备选型、操作运行维护等方面亟需制定相应的标准规范或指导意见，对多点式地面火炬的应用范围、处理能力、点火安全、分级设置、应急预案等方面进行规范。

参考文献

［1］魏世晨，王时英.地面火炬燃烧器结构对碳烟排放的影响[J].机械设计与制造，2016，12(12):98-100．

［2］周伟宁.东方石化有机化工厂地面火炬在运行中的改进[J].环境工程技术学报，2012，3(2):168-169．

［3］刘兴茂，寇国，王相飞，等.蒸汽消除火炬黑烟的原理与方法[J].河北化工，2010，7(6):68-69．