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技術前沿

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論開放式地面火炬防護距離的確定

  

      石油和化工企業進園區發展是目前新型工業化的必要途徑,在集約土地、資源共享、產業共贏、環境保護中有著不可小看的優勢。而作為試生產及緊急事故泄放系統必不可少的火炬系統,也隨著科學技術的進步不斷地改善著其燃燒的方式,力求做到完全燃燒的同時無光污染、無噪聲污染、無地下水污染,同時緩解土地供應日益緊張的局面。于是封閉式地面火炬應運而生,其安全防護距離也隨之產生?。同時開放式地面火炬也開始慢慢為大型國企或合資企業所接受,特別在乙烯和天然氣的領域,但因其安全防護距離在國內標準里沒有相應的標準,其應用在一定程度上受阻。本文試從輻射熱角度、噪聲分貝數、完全燃燒后的有害氣體組份等幾個因素來探討開放式地面火炬防護距離。

1 開放式地面火炬流程及結構特點
1.1 簡單流程及結構
      帶壓火炬氣首先經分液罐、水封罐后進入排放氣集氣總管,為適應不同工況和排放氣流量變化的要求,采用分級控制、分級燃燒。即根據正常排放、事故排放等不同情況分成Ⅳ級燃燒系統,每級燃燒系統管線上設置有級燃燒系統管線上分別設有氣動切斷閥。當排放氣量增大或事故狀態下第1至第Ⅳ級管線上氣動切斷閥相繼開啟,各級燃燒系統上的地面燃燒器相繼投入工作,同時設置爆破片作為氣動切斷閥的旁路以確保系統的可靠燃燒;氣動切斷閥的啟閉信號來自于閥前集氣總管上的壓力信號,其中前幾級的控制采用比例微分控制以減少相應的滯后(圖1)。
 

圖1 開放式地面火炬流程示意圖
Fig.1 Opening ground flare flow diagram

1.2 主要結構及燃燒特點
1.2.1 分液罐和水封罐
      分液罐是開放式地面火炬成功安全燃燒的前置,依最大排放條件分別計算求得分液罐及水封罐的大小,從而使火炬氣中無大于30μm的液滴,以確保開放式地面燃燒系統可靠安全運行,同時回收凝液中的烴類組份。并利用分液罐防止回火及可能產生的爆炸。

1.2.2 防輻射金屬圍欄
      金屬匍欄在開放式地面火炬中起到了兩方面的作用。其一:防止地面火炬輻射熱的低空輻射。其二:為火炬氣的充分燃燒提供空氣。其三:削弱噪聲。因此金屬圍欄的設計為非透明型的,風載荷符合當地的氣象條件,地震負荷符合當地的地質條件。圍欄底部被架空,以提供燃燒時提供足夠的空氣。同時可以通過在圍欄的支撐結構上增加面板來屏蔽熱輻射。圍欄高度按火焰高度進行設計,充分考慮最大排量時中間區域因供氧不足而引起的火焰高度。

1.2.3 地面燃燒器
      按最大燃燒量設計的很多個多孔地面燃燒器成排排列,與其周圍的防輻射金屬圍欄共同組成火炬燃燒區域,大股的火炬排放氣通過很多只地面燃燒器而分成許多小股,以利于排放氣與空氣混合,增加與空氣接觸面積,空氣與排放氣的混合主要是依靠排放氣自身的壓力和特殊結構的地面燃燒器來完成,在設計合理、維護保養可靠的條件下可保證100%無煙燃燒。同時因為在地面燃燒,則無高架火炬所存在光污染與火雨。在排放器壓力不足時,系統需要使用少量蒸汽,一般會在前幾級燃燒器中設計采用蒸汽助燃消煙,而其余燃燒器無需蒸汽。整個開放式地面火炬基本不用蒸汽,因此在噪聲污染上有別于高架火炬帶來的聲污染。

1.2.4 長明燈及點火系統
長明燈保持常燃,以便任何時刻有排放氣排放都能立即點燃,以確保系統燃燒安傘。燈型設計可保證在惡劣環境下能夠可靠點火,火焰可抵御12級大風及暴風雨雪。點火系統具有火焰檢測和自動點火功能。電點火器可以實現自動、遙控、現場手動3種點火方式。

2 開放式地面火炬與周邊設施防護距離的探討
      開放式地面火炬(圖2)在國內還處在起步階段,科學、合理確定防護距離,既可以有效減輕事故的危害,也可充分利用有限的土地資源。石化項目防護距離主要依據衛生防護距離和安全防護距離確定。衛生防護距離是指在正常生產條件下,無組織排放的有害氣體從車間或單元的邊界擴散至居住區邊界后,達到限制濃度所需的最小距離;安全防護距離主要是指在發生火災、爆炸、泄露事故時,防止和減少對人員傷亡、中毒、鄰近裝置和財產破壞所需的最小距離;因此開放式地面防護距離確定的基本原則主要是:1.熱輻射的作用2.噪聲的危害3.完全燃燒后的排放濃度4.節約用地。其中熱輻射作用是其中最關鍵的因素。
 
圖2 開放式地面火炬
Fig.2 Opening ground flare

2.1 開放式地面火炬的熱輻射
      燃燒產生的熱輻射會對人和設備造成損害,更甚的可能會使周邊設施泄漏出來的燃燒源達到一定的爆炸能量。而此程度取決于熱輻射強度,熱輻射的不同強度可造成的損害如表1所示。
表1 不同的熱輻射強度造成的損害

Tablel Dam age caused by different heat emission

 
      根據國家規定:未計太陽輻射熱(0.79~1.04kW/m2,操作人員需要長期暴露的任何區域的允許熱輻射強度≤1.58 kW/m2 。
     對于地面火炬,以火焰的燃燒性質作為設計主要考慮的內容,在API—RP521 中從火焰的性質、煙霧、輻射、噪聲和污染等方面提出了設計要求。
      同時確定了相關計算方法,包括火炬直徑、長度、高度以及由風速引起火焰變形的計算,而水平方向的輻射熱與距火炬中心水平距離之間的關系按照API—RP521有如下公式表示:

 
同時API也強調必須結合實際的模擬計算,現在國外已有相應的軟件對此進行模擬計算。
以寧波禾元化學有限公司180萬t甲醇制烯烴為例,開放式地面火炬最大排放處理量為1066t/h,設計防輻射墻高度為15m,模擬計算得0m層、15m層及垂直面的熱輻射圖(因業主單位及設計單位要求這些圖保密暫不提供)。從模擬計算圖來看,在15m層以下,防輻射墻外的輻射熱低于國家規定的1.58 kw /m2, 而在15m層以上,輻射將向周邊擴散。因此在考慮安全防護間距時必須最大限度地考慮周邊裝置的建筑高度、臨近設施采用的耐熱材料、周邊裝置的危險等級。

2.2 開放式地面火炬的噪聲
火炬燃燒產生的噪聲主要來源于火炬的燃燒器與周圍空氣相混合的噴射氣體、消煙媒介以及相關的混合、燃燒。高架火炬為改善燃燒狀況、減少黑煙產生,會在火炬頭處注入蒸汽或強制鼓風,從而大大增加了火炬的噪音,在其最大量排放時方圓幾千米似乎置身于飛機場之中。地面火炬系統的排放在設計上可以實現分級控制。在排放壓力不足時,系統需要使用少量蒸汽,一般只在前幾級燃燒器中設計采用蒸汽助燃消煙,而其余燃燒器無需蒸汽。因此其噪聲將大大低于高架火炬,以寧波禾元化學地面火炬為例,對其噪聲進行了計算分布圖(因業主單位及設計單位要求該圖需要保密)。由模擬圖得0m層距防輻射墻約10m外,其噪聲低于85dh 。

2.3 開放式地面火炬完全燃燒后的有害氣體濃度
燃燒后的有害氣體濃度是開放式地面火炬在設計中必須考慮的問題,因此目前開放式地面火炬基本上都用乙烯和天然氣的領域。寧波禾元化學有限
公司180萬t甲醇制烯烴去火炬處理組份主要為乙烯、丙烯、甲醇氣、丙烷等,這些物質在其完全燃燒后的組份為CO2 和H20,有害氣體濃度基本為0。
因此如何百分之百地確保火炬氣體完全燃燒是開放式地面火炬的關鍵。

2.3.1 長明燈點火系統必須靈敏、穩定
抵御外界的不確定因素,比如臺風、暴雨、大雪,保證流量發生巨大變化條件下廢氣的穩定性。
(1)正確設計火嘴系統。尤其重要的是從燃燒區獲得足夠的機械動能來提高混合率;
(2)可靠的多個長明燈設置。人口壓力高,長明燈明采用了引射技術火焰,可抵御12級大風及暴風雨雪;
(3)火嘴離地面有較大的高度差,同時整個燃燒區設置良好的排水系統,以確保暴雨時不受淹;
(4)穩定可靠的自動檢測、控制、聯鎖系統;
(5)多種點火方式,同時還設計有備用點火系統。

2.3.2 足夠的空氣以保持穩定燃燒
(1)燃燒器與防輻射金屬圍欄之問相隔一定的距離以保證圍欄頂部有足夠的空氣進入燃燒區域;
(2)每排燃燒器相距一定距離;
(3)向上直燒的方式增加熱的對流和自然通風;
(4)燃燒器利用廢氣壓力促使空氣與廢氣充分混合;
(5) 空的金屬圍欄可保證地面火炬四周的自然通風;
(6)考慮斷電時有煙燃燒情況下可將備用空氣送到系統中。

2.3.3 排放速率的合理控制
多級燃燒控制系統以減少火炬系統的瞬時排放量,使得排放燃氣的壓力和流量控制在燃燒器的最佳負荷范圍內;設置爆破片作為氣動切斷閥的旁路以確保系統的可靠燃燒。

3 結論
(1)根據國內外的經驗開放式地面火炬的應用是可行的。
(2)設計方與業主方應遵循國內、國外的標準。以上分析認為熱輻射對周邊造成的危害是最大的。因此認真核算最大排放量,結合當地的氣象條件模擬計算得出的各個高度層輻射熱和水平距離的關系,是化工企業在特定工業區內確定防護距離的主要依據。對于化工園區內相鄰類似產業企業,火炬類型應相同。在總圖的布置上宜相鄰,以運行安全為原則最大限度地節約用地。
(3)可靠的、穩定的燃燒是地面火炬正常運行、環境質量、安全防護得以保證的重大條件。為提高安全生產的能力,在裝置區內應設置電視監視系統;
地面火炬還應設有可燃氣體檢測器,并將信號接至DCS系統,設置獨立的聲光報警,以防可能出現的可燃、有毒氣體泄漏或聚集。




來源:《當代化工》


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