周偉寧

東方石化有限公司有機(jī)化工廠，北京 102500

1 地面火炬簡(jiǎn)介

在石油和化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生含有可燃性有害組分的混合氣體。處理這些氣體的方法主要是火炬燃燒?；鹁嫒紵膬?yōu)點(diǎn)是安全簡(jiǎn)單、成本低。其主要缺點(diǎn):1)燃燒后產(chǎn)生大量的煙塵對(duì)環(huán)境造成二次污染;2)不能回收熱能，從而造成熱輻射［1］。為了滿足環(huán)境保護(hù)的要求，火炬燃燒要做到燃燒完全，盡量減少產(chǎn)生煙塵和熱輻射。火炬的分類方式:按燃燒器是否遠(yuǎn)離地面可分為地面火炬和高架火炬;按燃燒器的形式分為單點(diǎn)燃燒器火炬和多燃燒器火炬;按是否帶有水封罐分為開放式火炬和封閉式火炬，火炬系統(tǒng)中帶有水封罐的為開放式火炬，沒有水封罐的為封閉式火炬［2-3］。20世紀(jì)70年代初，國(guó)外就著手于地面火炬的研究和開發(fā)，并針對(duì)大排量的裝置開發(fā)出一種多級(jí)多燃燒器地面火炬排放系統(tǒng)。全世界十幾個(gè)大型乙烯項(xiàng)目、一些大型的煉油生產(chǎn)和天然氣開采項(xiàng)目都采用了多級(jí)多燃燒器地面火炬，如1991年投用的Malaysia MT BE裝置火炬，排放量達(dá)到了1066 t/h;位于委內(nèi)瑞拉的火炬，最大排放量為810 t/h。許多化工廠則采用了地面火炬，如韓國(guó)某化工廠的火炬其單筒地面火炬的最大排放量達(dá)到100 t/h。國(guó)內(nèi)地面火炬的應(yīng)用并不罕見，以深圳華安液化石油氣有限公司和中國(guó)石化荊門煉油廠的地面火炬為例，兩套火炬分別于1998年和2001年投入使用，一直運(yùn)行良好［4-5］。由于多級(jí)地面火炬采用的是多級(jí)燃燒方式和降噪音、減少熱輻射措施，與一般高架火炬相比，具有噪音、熱輻射強(qiáng)度小，燃燒完全，處理負(fù)荷范圍寬，維護(hù)檢修方便的特點(diǎn)，很好地滿足了環(huán)境保護(hù)的要求，代表了火炬裝置的發(fā)展方向［6-7］。

1.1 裝置的來源及廢氣排放情況

東方石化有機(jī)化工廠在搬遷改造工程中采用的地面火炬，由上海某環(huán)保設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)制造，于2009年10月投入運(yùn)行。主要處理有機(jī)化工廠乙烯醋酸乙烯共聚樹脂(EVA)裝置，醋酸乙烯(VAC)裝置，醋酸乙烯乙烯共聚乳液(VAE)裝置正常生產(chǎn)和開、停車階段產(chǎn)生的可燃尾氣，使燃燒后的尾氣達(dá)到DB 11/447—2007《煉油和石油化工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

有機(jī)化工廠三套裝置排放尾氣情況見表1。

表1 三套裝置排氣情況Table 1 Information of waste gas of three workshops

1.2 地面火炬的主要構(gòu)成及作用

地面火炬主要由直立式燃燒塔、水封罐、火炬氣管線及控制閥組、蒸汽管線及控制閥組、分級(jí)燃燒器、長(zhǎng)明燈、PLC控制系統(tǒng)等部分組成。通過檢測(cè)火炬氣管線內(nèi)的壓力來判斷火炬氣量的大小，根據(jù)壓力變化，開啟相應(yīng)的火炬氣控制閥，實(shí)現(xiàn)火炬氣的分級(jí)燃燒，達(dá)到滿足排氣負(fù)荷變化的目的。地面火炬工藝流程如圖1所示。

燃燒塔直徑13 m，高30 m，外殼采用鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯陶瓷纖維及耐火泥。燃燒塔底部有進(jìn)風(fēng)口，燃燒所需的空氣可以從進(jìn)風(fēng)口得到大量補(bǔ)充，以保證完全燃燒。燃燒塔的作用是消滅光污染和熱輻射，減小噪音。

燃燒塔內(nèi)設(shè)置一套八級(jí)分段控制的分級(jí)燃燒器，分別將三套生產(chǎn)裝置送來的尾氣分配到不同的燃燒器中進(jìn)行燃燒。VAC裝置送來的尾氣分三級(jí)燃燒，一級(jí)主要針對(duì)連續(xù)排放尾氣，設(shè)置2個(gè)燃燒器;二級(jí)、三級(jí)針對(duì)間歇排放尾氣，二級(jí)設(shè)置8個(gè)燃燒器，三級(jí)設(shè)置10個(gè)燃燒器。VAE裝置為一級(jí)燃燒，設(shè)置4個(gè)燃燒器。EVA裝置分四級(jí)燃燒，一級(jí)主要針對(duì)連續(xù)排放尾氣，設(shè)置4個(gè)燃燒器，二級(jí)～四級(jí)針對(duì)異常排放尾氣，設(shè)置37個(gè)燃燒器。

圖1 地面火炬工藝流程示意圖Fig.1 Sketch map of technology of the ground flare

燃燒塔內(nèi)設(shè)置14盞長(zhǎng)明燈，確保任何時(shí)候排放的火炬氣都能被及時(shí)點(diǎn)燃。

EVA、VAC、VAE三套裝置分別設(shè)有各自的水封罐，這樣可以做到三套火炬互不干擾，確保安全，防止燃燒時(shí)產(chǎn)生回火［8］。

火炬氣管線及6個(gè)火炬氣控制閥用來控制向相應(yīng)的燃燒器輸送火炬氣。

蒸汽管線及8個(gè)蒸汽控制閥用來控制消煙助燃蒸汽量的大小。

PLC系統(tǒng)可以控制火炬氣排放閥的開度、蒸汽控制閥的開度，控制水封罐的液位、溫度，控制長(zhǎng)明燈自動(dòng)點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)地面火炬的自動(dòng)控制。

2 運(yùn)行中易出現(xiàn)的問題及解決辦法

2.1 火炬燃燒器不能相互點(diǎn)燃的問題

地面火炬的每一級(jí)都設(shè)有數(shù)個(gè)燃燒器和一盞長(zhǎng)明燈。長(zhǎng)明燈首先引燃一個(gè)燃燒器，被引燃的燃燒器再引燃其他燃燒器。這種燃燒器點(diǎn)燃方式要求在設(shè)計(jì)燃燒器間距時(shí)要滿足燃燒器的點(diǎn)火距離，以使火炬燃燒時(shí)燃燒器全部點(diǎn)燃。燃燒器的點(diǎn)火距離與燃燒器燃燒時(shí)火焰的直徑和火炬氣的點(diǎn)火溫度有關(guān)。不同組分的火炬氣其點(diǎn)火溫度不同，所以同一種燃燒器在燃燒不同的火炬氣時(shí)，其點(diǎn)火距離是不同的。設(shè)計(jì)人員在確定火炬點(diǎn)火間距時(shí)要充分考慮燃燒器的特點(diǎn)和火炬氣的點(diǎn)火溫度。該火炬燃燒器是一種燃燒完全，消煙充分的環(huán)保型燃燒器，采用的是耐熱不銹鋼材料，結(jié)構(gòu)上采用多孔小型噴嘴、小火焰，燃燒均勻，在燃燒器底部設(shè)有蒸汽噴射環(huán)管，將蒸汽噴入燃燒器中。噴入燃燒器的水蒸氣及其帶入的空氣起助燃作用，促進(jìn)火炬氣完全燃燒，從而達(dá)到消煙的目的。燃燒器結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)Fig.2 Sketch map of structure of the burner

這種燃燒器結(jié)構(gòu)使火焰的剛性比較強(qiáng)，火焰直徑較小。燃燒器間距過大時(shí)，需要被點(diǎn)燃的燃燒器達(dá)不到著火溫度，燃燒器之間就不能相互點(diǎn)燃。由于火炬設(shè)計(jì)單位沒有考慮到這種燃燒器的特點(diǎn)，將燃燒器的距離設(shè)計(jì)得過大，火炬在試運(yùn)行時(shí)遇到了燃燒器不能相互點(diǎn)燃的問題。根據(jù)燃燒器實(shí)際燃燒時(shí)火焰的大小，將燃燒器間的距離由1000～1800 mm減小到400～600 mm，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，火炬燃燒器相互點(diǎn)燃迅速，解決了燃燒器不能相互點(diǎn)燃的問題?；鹁嬖O(shè)計(jì)人員由于沒有考慮到燃燒器的特點(diǎn)和火炬氣的可燃性在實(shí)際情況下往往比較差的常規(guī)，而將火炬點(diǎn)火間距設(shè)計(jì)得過大，造成火炬燃燒器不能全部點(diǎn)燃，在以后的火炬設(shè)計(jì)中要將火炬點(diǎn)火間距設(shè)計(jì)得盡量保守一些。

2.2 火炬次級(jí)燃燒器投入運(yùn)行壓力的確定

地面火炬采用多級(jí)燃燒系統(tǒng)，即將燃燒器分級(jí)，在火炬氣流量較小時(shí)只使用一級(jí)燃燒器，火炬氣流量增大時(shí)后續(xù)幾級(jí)燃燒器才會(huì)逐步投入運(yùn)行。火炬氣流量是通過安裝在火炬氣管道上的壓力變送器測(cè)得的壓力來衡量的，壓力越高說明火炬氣流量越大。次級(jí)火炬燃燒器投入運(yùn)行是靠安裝在上一級(jí)火炬氣管線上的壓力變送器測(cè)得的壓力控制，壓力變送器測(cè)得的壓力大于PLC上的設(shè)定值時(shí)，次級(jí)燃燒器投入運(yùn)行，PLC壓力設(shè)定值的確定在實(shí)際運(yùn)行中是一個(gè)關(guān)鍵的因素。設(shè)計(jì)者按照每級(jí)火炬的處理能力計(jì)算出本級(jí)火炬管線的壓力上限，該壓力值就是次級(jí)火炬投入運(yùn)行的設(shè)定值。

對(duì)于東方石化地面火炬，設(shè)計(jì)推薦的火炬次級(jí)開啟壓力為6 kPa，次級(jí)全開的壓力為12 kPa。在VAC火炬試車運(yùn)行中，當(dāng)VAC裝置大量排放尾氣時(shí)，VAC火炬氣管線的壓力最大達(dá)到60 kPa，而火炬氣管線的設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為30 kPa，大大超過設(shè)計(jì)壓力，造成VAC水封罐水封管噴出火炬氣，十分危險(xiǎn)。這是因?yàn)楫惓Ｅ欧艜r(shí)火炬氣排放氣量在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，火炬氣管線壓力上升十分迅速，當(dāng)火炬氣壓力變送器檢測(cè)到6 kPa的壓力，由PLC發(fā)出動(dòng)作指令到控制閥，再由控制閥執(zhí)行指令需要一段時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，水封罐內(nèi)的壓力已經(jīng)超過30 kPa，造成短時(shí)間超壓，水封罐內(nèi)的火炬氣從水封管噴出來。為了找到徹底解決問題的方法，經(jīng)過認(rèn)真分析分級(jí)控制特點(diǎn)，認(rèn)為解決問題的關(guān)鍵是控制二級(jí)、三級(jí)火炬氣控制閥在火炬氣壓力上升初期就適當(dāng)開啟，避免壓力迅速上升時(shí)開閥動(dòng)作遲緩，造成水封罐超壓。經(jīng)過實(shí)際摸索，將火炬二級(jí)、三級(jí)的開閥壓力設(shè)置為2 kPa，閥門開度100%的壓力設(shè)置為4 kPa，而設(shè)計(jì)壓力分別為6和12 kPa，現(xiàn)在的壓力只有設(shè)計(jì)值的1/3。這樣在比較低的壓力下，下一級(jí)火炬氣控制閥就打開了。在以后VAC裝置大量排氣時(shí)，由于二級(jí)、三級(jí)火炬氣控制閥及時(shí)打開泄壓，水封罐的最高壓力只有12 kPa，處于水封罐正常壓力范圍之內(nèi)，解決了VAC火炬大量排氣時(shí)水封罐的超壓?jiǎn)栴}。在實(shí)際工程中，由于事故狀態(tài)下火炬氣排放氣量在瞬間就能達(dá)到設(shè)計(jì)最大值，所以多級(jí)火炬的次級(jí)投入運(yùn)行壓力要比計(jì)算值低很多，才能滿足火炬氣排放氣量變化的要求。通過改變火炬PLC控制次級(jí)開啟壓力值能夠很方便地設(shè)定火炬次級(jí)開啟壓力，只要調(diào)試人員根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂就可以了。

2.3 火炬氣管線堵塞的問題

在實(shí)際工程中，由于火炬氣中可能帶有液體或膠體物質(zhì)，在火炬氣進(jìn)入燃燒器之前需要設(shè)置氣液分離罐，以免雜質(zhì)進(jìn)入燃燒器影響燃燒。水封罐也可以將這些雜質(zhì)截留，隨著水封罐溢流水排出。但是有些膠體物質(zhì)會(huì)在火炬管線中聚集，逐漸堵塞管線，使火炬無法正常運(yùn)行。VAE火炬運(yùn)行初期比較正常，但2010年1月以后，開始有棕紅色小塊柔軟的膠狀物從VAE水封管流出，1個(gè)月后造成水封管堵塞。在檢修VAE水封管時(shí)，從水封管中清理出大量膠狀物，水封管回裝后出水正常。同年9月，VAE火炬管線堵塞，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)入界區(qū)處一個(gè)彎頭被膠狀物堵塞，疏通管線后排氣正常。VAE火炬氣管線和水封罐中結(jié)膠的主要原因是VAE火炬氣中含有的少量醋酸乙烯會(huì)在水封罐和管線中聚合，形成膠狀物堵塞管線。因?yàn)榇姿嵋蚁┯鏊畷?huì)緩慢聚合，形成塊狀膠體。聚合物還會(huì)隨著水封罐溢流水流入水封管，在水封管結(jié)膠堵塞水封管。由于醋酸乙烯遇水聚合的速度比較緩慢，所以解決水封管堵塞的辦法是保持較多的水封罐溢流水量，可將還未聚合的醋酸乙烯或少量形成的聚合物隨水排出。對(duì)于在管道中結(jié)膠的醋酸乙烯可以向VAE火炬氣中加入阻聚劑，防止其發(fā)生聚合反應(yīng)。在實(shí)際運(yùn)行中采取以上兩項(xiàng)措施，解決了VAE火炬氣管線堵塞的問題。所以在工程設(shè)計(jì)中要考慮火炬氣有沒有結(jié)膠的可能性，如果有，需要采取必要的措施，如在容易堵塞處設(shè)計(jì)旁通路徑，以及工藝上可以采取的一些措施，如加入阻聚劑。

2.4 長(zhǎng)明燈全部熄滅和自動(dòng)點(diǎn)火困難的問題

長(zhǎng)明燈作為保證火炬正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，應(yīng)該能夠在惡劣環(huán)境中正常工作，不怕大風(fēng)、暴雨和暴雪。地面火炬長(zhǎng)明燈采用文丘里原理，引射空氣預(yù)混，使火焰的剛性變強(qiáng)，能夠抵御惡劣天氣。只有預(yù)混的空氣燃?xì)獗壤m當(dāng)，長(zhǎng)明燈才能被點(diǎn)燃。在實(shí)際操作中，首次點(diǎn)燃長(zhǎng)明燈時(shí)，需要確定合適的天然氣壓力和適當(dāng)?shù)奈那鹄镲L(fēng)門大小。要保持一定的天然氣壓力，將文丘里風(fēng)門置于較小位置，試點(diǎn)長(zhǎng)明燈。如果有爆鳴聲，說明空氣量過大，通過調(diào)小文丘里空氣風(fēng)門繼續(xù)試點(diǎn);如果點(diǎn)火聲音很小，長(zhǎng)明燈不著，說明文丘里風(fēng)門過小，需要調(diào)大風(fēng)門，直到點(diǎn)燃。確定好天然氣壓力和文丘里風(fēng)門大小后，就可以實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)點(diǎn)火。

火炬長(zhǎng)明燈有時(shí)出現(xiàn)全部熄滅，有時(shí)出現(xiàn)長(zhǎng)明燈爆鳴，經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)后長(zhǎng)明燈又恢復(fù)正常。這種情況出現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)明燈天然氣壓力首先出現(xiàn)波動(dòng)，然后就會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)明燈熄滅或爆鳴。經(jīng)過調(diào)查，天然氣壓力變化是由于外界天然氣有變化，天然氣品質(zhì)下降，可燃組分減少，雜質(zhì)增多，使長(zhǎng)明燈文丘里燃?xì)忸A(yù)混管內(nèi)空氣比增大?？諝獗壤龃蟮揭欢ǔ潭?，處于可燃?xì)獗O限之內(nèi)產(chǎn)生爆鳴，空氣比過大時(shí)使得長(zhǎng)明燈熄滅［1］。天然氣品質(zhì)好轉(zhuǎn)后，長(zhǎng)明燈會(huì)恢復(fù)正常。避免長(zhǎng)明燈全部熄滅，需要外界提供品質(zhì)好的天然氣。如果天然氣品質(zhì)下降，處理方法是通過調(diào)小文丘里管空氣進(jìn)口，減小空氣量，使燃?xì)饪諝獗壤线m，長(zhǎng)明燈就能恢復(fù)正常。

3 存在的問題和建議

3.1 減少長(zhǎng)明燈個(gè)數(shù)的可能性

燃燒塔內(nèi)總計(jì)83個(gè)燃燒器分成14排，均勻分布，每排設(shè)置1盞長(zhǎng)明燈，總計(jì)14盞，長(zhǎng)明燈能確保任何時(shí)候排放的火炬氣被及時(shí)點(diǎn)燃。14盞長(zhǎng)明燈共需消耗天然氣40 m3/h，因此天然氣的消耗是火炬運(yùn)行的主要成本之一。減少長(zhǎng)明燈的數(shù)量可以降低火炬的運(yùn)行成本。

因?yàn)槊颗诺娜紵魇强肯嗷ヒ键c(diǎn)燃的，所以各排之間只要間距合適，則可以互相點(diǎn)燃。為了保證燃燒器能夠全部點(diǎn)燃，且最大限度地減少長(zhǎng)明燈數(shù)量，每級(jí)燃燒器設(shè)置1盞長(zhǎng)明燈，各級(jí)燃燒器間的距離采用600 mm，這樣每級(jí)燃燒器即可由本級(jí)長(zhǎng)明燈點(diǎn)燃，也可由相鄰的燃燒器點(diǎn)燃。在燃燒器的布置方面，其密度要大于目前的布置方法，有可能產(chǎn)生空氣供應(yīng)不足而燃燒不完全的問題。但是考慮到燃燒后的熱煙氣在圓筒燃燒塔的拔力作用下，從燃燒塔頂部排出，從而在燃燒區(qū)域形成了一定負(fù)壓，這樣外界的空氣就能夠自動(dòng)地從燃燒塔底部源源不斷地進(jìn)入燃燒塔內(nèi)，從而保證火炬氣燃燒所需要的足夠空氣量。如果按此設(shè)想布置長(zhǎng)明燈，長(zhǎng)明燈的個(gè)數(shù)就可以由14盞減少到8盞，可以節(jié)約天然氣42%。

3.2 逐級(jí)燃燒的可靠性

雖然地面火炬采用分級(jí)燃燒系統(tǒng)，使它的控制變得復(fù)雜，但它卻提高了地面火炬對(duì)火炬氣流量變化的適應(yīng)性，可保證地面火炬在火炬氣流量波動(dòng)時(shí)穩(wěn)定燃燒，滿足了火炬燃燒時(shí)保持火焰穩(wěn)定性的要求，可以防止火炬回火和脫火［10］。但是這種逐級(jí)燃燒方式下，第三級(jí)燃燒器投入運(yùn)行是靠第二級(jí)的壓力變送器來控制的，如果第二級(jí)火炬氣排放調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障打不開，那么第三級(jí)及以后的各級(jí)火炬氣排放調(diào)節(jié)閥都將無法正常工作，會(huì)致使水封罐超壓，火炬氣從水封罐泄漏，造成極大的安全隱患。所以必須保證火炬氣排放調(diào)節(jié)閥、壓力變送器正常工作。一旦出現(xiàn)某一級(jí)火炬氣調(diào)節(jié)閥故障，水封罐壓力異常升高，則需要人工手動(dòng)在PLC控制板上打開次級(jí)火炬氣調(diào)節(jié)閥泄壓，還要手動(dòng)打開相應(yīng)的蒸汽閥消煙助燃。因此需要編制應(yīng)急預(yù)案，并對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)。

4 結(jié)論

地面火炬采用分級(jí)燃燒系統(tǒng)，大量使用自動(dòng)控制方法，提高了火炬的安全性和運(yùn)行穩(wěn)定性。地面火炬具有無煙、無火和低噪音的特點(diǎn)，更好地滿足了環(huán)境保護(hù)的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，火炬設(shè)計(jì)者應(yīng)更多考慮具體裝置情況的特殊性，使地面火炬達(dá)到最佳運(yùn)行效果。隨著地面火炬在使用中的進(jìn)一步完善，地面火炬在國(guó)內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用會(huì)越來越多。

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