高架火炬排放高度的計算

朱海峰

(康泰斯(上海)化學(xué)工程有限公司，上海 201210)

化工設(shè)計

高架火炬排放高度的計算

朱海峰

(康泰斯(上海)化學(xué)工程有限公司，上海 201210)

高架火炬是目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的火炬排放裝置。根據(jù)國內(nèi)外火炬設(shè)計規(guī)范，確定火炬排放筒體的直徑和高度，再通過大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和噪聲相關(guān)計算方法核算火炬高度。

火炬高度；安全區(qū)域半徑；熱輻射強(qiáng)度；泄放量

火炬是用來處理工廠或裝置在開停車、緊急事故或正常生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的可燃、易爆、有毒、有腐蝕性氣體的特殊燃燒設(shè)施，通過火炬燃燒處理后，能將可燃或可燃有毒氣體轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢扇嫉亩栊詺怏w，將有毒、有害、有臭物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無毒、無害、無臭物質(zhì)，并滿足大氣污染物的排放高度及濃度標(biāo)準(zhǔn)后放空，它是保證工廠安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染的一項重要措施。根據(jù)氣體排放的要求及場地條件，可分為：高架火炬、地面火炬和坑式火炬。其中，高架火炬是目前石油、化工、天然氣、煤氣化等行業(yè)應(yīng)用最廣泛的火炬排放裝置。

本文討論的高架火炬計算方法主要參照石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH3009 《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》2001版，部分參數(shù)和公式參考2013新版。

1 火炬高度的計算公式

火炬的計算高度與火炬的安全區(qū)域半徑、火焰長度以及火炬釋放的總熱量等因素有關(guān)。

火炬筒體高度的計算公式：

(1)

式中:QF——火炬釋放的總熱量，kW；

∑——熱輻射系數(shù)；

q——允許熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；

R——安全區(qū)域半徑，m；

Xc,Yc——風(fēng)速作用下火焰中心的水平位移和垂直位移，m，見公式(7)、(8)；

hT——受熱點的離地高度，取人員身高1.8～2.2 m。

2 計算公式的參數(shù)

2.1 火炬釋放的總熱量

排放氣體在火炬頭燃燒時產(chǎn)生的熱量大小與排放氣的低熱值、氣體排放量和燃盡率等因素有關(guān)，而低熱值則由氣體的組分及濃度決定。當(dāng)氣體的熱值低于7880kJ/Nm3時，在排入火炬系統(tǒng)前應(yīng)對熱值進(jìn)行調(diào)整。

釋放的熱量公式：

(2)

Hl=∑GiHi/∑Gi

(3)

式中:Hl——低熱值，kJ/kg；

G——氣體泄放量，kg/h，

Gi,Hi——氣體中各組分的質(zhì)量濃度及其純組分的低熱值。

在釋放組分已確定的前提下，火炬釋放的總熱量與氣體的泄放量成正比，而泄放量又與泄放源大小和多少有關(guān)。通常，火炬的額定泄放量多以火災(zāi)工況下的緊急泄放為主。那么，火災(zāi)工況下的泄放量如何取值？根據(jù)API 521《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》和化工部標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20570.2-95《安全閥的設(shè)置和選用》的規(guī)定，應(yīng)取任意區(qū)域面積為460m2，即半徑12m范圍以及距離地面高度7.5m范圍內(nèi)所能覆蓋的設(shè)備群，在火災(zāi)工況下的泄放量，取其中泄放量最大的一組設(shè)備群，作為裝置額定泄放量的泄放源。一般情況下，設(shè)備布置中，由于罐區(qū)設(shè)備數(shù)量眾多，且布置緊湊，故火災(zāi)工況下的最大泄放量區(qū)域以罐區(qū)為主。

另外，火災(zāi)工況下設(shè)備的泄放量又與其外壁校正系數(shù)有關(guān)，應(yīng)考慮有無保溫、砂土覆蓋(地下設(shè)備)和水噴淋降溫等措施因素，這些措施能在一定程度上阻礙外部火焰的熱傳遞。例如：當(dāng)設(shè)備頂部設(shè)水噴淋裝置且噴淋強(qiáng)度大于10 L/(m2·min)時，與未設(shè)置水噴淋時相比，泄放量可按減少40%計。

2.2 熱輻射系數(shù)ε

熱輻射系數(shù)表示火炬燃燒時產(chǎn)生的高溫火焰以輻射方式向環(huán)境釋放熱量的能力。火焰的熱輻射系數(shù)不僅與火焰的組成有關(guān)，而且與是否完全燃燒、有無黑煙、空氣濕度以及輻射距離等因素有關(guān)。2013版規(guī)范給出了一個基于氫氣和烷烴類組成的經(jīng)驗公式。簡化計算時，熱輻射系數(shù)一般可取0.2。某些火炬制造廠家在進(jìn)行火炬設(shè)計時，還會引入輻射強(qiáng)度傳遞因子，優(yōu)化熱輻射系數(shù)的取值。

2.3 安全區(qū)域半徑R

安全區(qū)域半徑也即劃定的火炬輻射圈的邊緣，到火炬筒體中心線的水平距離。安全區(qū)域半徑一般在裝置總圖布置時確定，根據(jù)GB 50160-2008 《石油化工企業(yè)防火設(shè)計規(guī)范》內(nèi)關(guān)于石化廠總平面布置的防火間距規(guī)定：高架火炬與工藝主裝置、可燃液體、氣體儲罐和全長重要設(shè)施的防火間距不小于90m。實際在對裝置進(jìn)行總圖布置時，一般均考慮給高架火炬留出90m的輻射圈，即90m安全區(qū)域半徑。

2.4 熱輻射強(qiáng)度q

熱輻射強(qiáng)度與允許暴露在熱輻射區(qū)域內(nèi)的時間有關(guān)。公共區(qū)域內(nèi)人員可持續(xù)暴露的安全熱輻射強(qiáng)度應(yīng)不大于1.58 kW/m2(不含太陽輻射)。火炬輻射圈外一般都會有人員走動，故設(shè)計時，火炬輻射圈邊緣處的熱輻射強(qiáng)度通常按1.58 kW/m2考慮。

2.5 火炬筒體直徑

火炬筒直徑的大小，取決于氣體的泄放量和泄放速度，而泄放速度與允許的壓力降有關(guān)。根據(jù)火炬筒體內(nèi)徑與火炬排放口直徑一致的原則，可以推導(dǎo)直徑的公式：

(4)

式中:Va——火炬氣的允許流速，m/s；

ρ——排放氣密度，kg/m3。

允許流速與聲速的比值稱為馬赫數(shù)(Ma)，即馬赫數(shù)是表征聲速倍數(shù)的數(shù)。采用近似法計算，正常排放時的馬赫數(shù)按0.2取值，事故或緊急排放時的馬赫數(shù)可以按0.5取值。相關(guān)的火炬研究文獻(xiàn)指出，馬赫數(shù)在0.2～0.5取值范圍內(nèi)，可以保證火炬穩(wěn)定燃燒。

2.6 火焰長度h

火焰長度對火炬高度的計算結(jié)果影響較大，肯特(G.R.Kent)提出的火焰長度計算公式如下：

馬赫數(shù)(Ma)≥0.2時，h=118DF

(5)

馬赫數(shù)(Ma)<0.2時，h=23DFln(Ma)+155DF

(6)

2.7 火焰傾斜角?、火焰中心位移XC、YC

在橫向風(fēng)速的作用下，火炬排放口的火焰會發(fā)生傾斜，同時火焰中心產(chǎn)生水平偏移和垂直偏移。傾斜角度及偏移量示意圖如下：

計算公式為：

(7)

(8)

(9)

式中:h——火焰長度，m，火焰中心距離火炬出口的高度為3/h；

?——有風(fēng)狀況時的火焰傾斜角；

Vw——火炬出口處最大平均風(fēng)速，m/s。

最大平均風(fēng)速等于裝置所在地區(qū)的基本風(fēng)速與該地區(qū)風(fēng)速高度變化系數(shù)的乘積。

美國建筑規(guī)范UBC97給出的基本風(fēng)速取值為最大英里風(fēng)速，即基于1英里長的空氣樣本通過一個固定點時間的最高持續(xù)不變的平均風(fēng)速，可通過規(guī)范ASCE7-10換算成不同時距的基本風(fēng)速。我國的基本風(fēng)速是根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳練v年測得的不同風(fēng)速儀高度和時次時距的年最大風(fēng)速，統(tǒng)一換算成離地高度為10m、時距為10min的平均年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析后確定重現(xiàn)期為50年的最大風(fēng)速?；鹁嬗嬎銜r，一般按裝置所在地的氣象條件，即提供的最大風(fēng)速來取值。

風(fēng)速高度變化系數(shù)可以參考SH/T20570.12-95《火炬系統(tǒng)設(shè)置》的附表，或者按照GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定，按地面粗糙度劃分陸地上的風(fēng)速高度變化系數(shù)。后者也是國內(nèi)很多火炬設(shè)計和制造廠商所采用的準(zhǔn)則。

2.8 其它因素

2.8.1 大氣污染物排放高度

火炬筒體高度應(yīng)滿足大氣污染物的排放要求。應(yīng)遵循火炬氣燃燒后的污染物，其最大落地濃度不超過國家和地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的原則。煙氣最大落地濃度計算的基本原理采用高斯擴(kuò)散模式，可通過專業(yè)軟件EIAProA進(jìn)行模擬計算。軟件需要輸入的煙氣抬升高度值，則可通過GB/T13201-91《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》的公式推算。

2.8.2 噪聲

火炬排放產(chǎn)生的噪聲應(yīng)滿足現(xiàn)行的國家環(huán)境噪聲限值。API521提供了放散筒的氣流噪聲估算，該估算值加上3dB的分貝增值作為火炬噪聲的估算公式。實踐證明從增加火炬筒高度來降低地面噪聲的效果不明顯，設(shè)置消音罩或采用多孔型火炬頭則是火炬降噪的有效措施。

3 結(jié)束語

火炬筒體的高度，影響熱輻射的安全區(qū)域半徑、排放氣體中污染物的落地濃度、噪聲的大小，也決定著火炬的支撐方式、支撐高度，桁架鋼結(jié)構(gòu)的荷載和用量等，最終反應(yīng)到設(shè)備的總投資上。本文是筆者在以往參與火炬技術(shù)評標(biāo)及設(shè)備采購過程中運(yùn)用到的計算方法和一些思路與體會。作為工程技術(shù)人員，熟悉和掌握火炬高度的計算方法，在火炬裝置的設(shè)計和采購過程中，可以對各火炬設(shè)計制造廠商提供的技術(shù)方案作出合理的分析與評價，合理優(yōu)化報價中可能虛增的部分，降低火炬裝置的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

[1]中國石油化工總公司.SH3009-2001, 石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2002.

[2] API.API 521-2007 Pressure-relieving and depressuring systems[S].Washington, D C:API Publishing Services,2007.

[3]中華人民共和國化學(xué)工業(yè)部.HG/T 20570.2-95, 安全閥的設(shè)置和選用[S].北京：化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1996.

[4]中華人民共和國化學(xué)工業(yè)部.HG/T 20570.12-95, 火炬系統(tǒng)設(shè)置[S].北京：化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1996.

[5]國家質(zhì)檢總局.GB 50160-2008, 石油化工企業(yè)防火設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[6]國家質(zhì)檢總局.GB 50009-2012, 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[7]劉天英, 齊秋平. 中外規(guī)范基本風(fēng)速對比分析[J].鋼結(jié)構(gòu), 2012, 27(12):57-59.

[8]朱洪文. 火炬設(shè)計計算中幾個問題的討論[J]. 油田地面工程, 1993,12 (2): 71-72.

(本文文獻(xiàn)格式：朱海峰.高架火炬排放高度的計算[J].山東化工，2016，45(08)：104-106.)

2016-03-07

朱海峰(1978—)，化工工藝工程師，華東理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，從事工程設(shè)計工作。

TQ050.2

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1008-021X(2016)08-0104-03