火炬高度的主要影響因素

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

火炬系統(tǒng)作為每個化工廠必要的安全與環(huán)保設(shè)施發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著化工裝置規(guī)模越來越大，流程越來越長，排放至火炬系統(tǒng)的可燃性氣體的氣量越來越大，組成和排放管網(wǎng)也愈加復(fù)雜，國內(nèi)對安全和環(huán)保的日益重視，賦予了火炬系統(tǒng)越來越重大的責(zé)任，對火炬系統(tǒng)的設(shè)計也提出了更高的要求?；鹁嫦到y(tǒng)可分為兩個部分，即可燃性氣體排放管網(wǎng)和可燃性氣體燃燒設(shè)施(即火炬)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)型式，火炬又可以分為高架火炬和地面火炬，本文要討論的火炬指高架火炬，簡稱火炬。由于國內(nèi)大部分化工廠采用的是高架火炬，其高度的確定往往需要多個相關(guān)單位或部門的配合，花費時日較長。本文將重點分析影響火炬高度的幾個主要因素。

國內(nèi)化工廠確定火炬高度的設(shè)計依據(jù)主要有API521 Pressure-relieving and Depressuring Systems(Fifth Edition)、SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》和HG/T20570.12—95《火炬系統(tǒng)設(shè)置》，火炬高度的確定與排放介質(zhì)特性(低位熱值、分子量、絕熱指數(shù)、壓縮系數(shù)等)、最大排放量及放熱量、大氣環(huán)境(氣壓、密度、濕度、風(fēng)速等)、地面允許熱輻射強(qiáng)度與熱輻射半徑、允許大氣污染物落地濃度、火炬自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(火炬頭出口直徑等)等因素有關(guān)[1-3]。對于特定的工藝流程，排放介質(zhì)特性、氣量及放熱量均已確定，其他因素將共同決定火炬高度。為了便于具體說明各主要因素對火炬高度的影響，以下將以某大型煤化工項目(簡稱項目A)的火炬高度計算為例。

1 設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

項目A根據(jù)排放介質(zhì)特性及氣量，將火炬系統(tǒng)分為了4套分系統(tǒng)，即高壓火炬系統(tǒng)、低壓火炬系統(tǒng)、酸性氣火炬系統(tǒng)、氨火炬系統(tǒng)。其中，高壓火炬系統(tǒng)用于處理排放壓力較高而熱值較低的可燃性氣體，低壓火炬系統(tǒng)用于處理排放壓力較低而熱值較高的可燃性氣體，火炬各分系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 火炬各分系統(tǒng)排放介質(zhì)相關(guān)參數(shù)

由于工藝特性，考慮上述4個分火炬系統(tǒng)最大排放量疊加，根據(jù)SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》 “9.3火炬高度的確定”中的條款和9.3.2-1、9.3.3-1、9.3.3-2、9.3.4-1、9.3.4-2、9.3.4-3、9.3.4-4等公式計算出火炬高度。

2 確定火炬高度的主要因素

2.1 大氣環(huán)境因素影響

大氣環(huán)境因素包括氣壓、密度、濕度、風(fēng)速等，計算時一般取全年平均值。氣壓和密度影響火炬界區(qū)內(nèi)的壓降和火炬出口氣體流速；濕度主要影響熱輻射系數(shù)，兩者成反比；風(fēng)速影響火焰中心的水平和垂直位移。相對風(fēng)速的影響，大氣的氣壓、密度和濕度對火炬高度的影響較小，在國內(nèi)大部分地區(qū)氣象條件范圍內(nèi)，火炬高度的變化幅度低于總高度的5%，而風(fēng)速對火炬高度的影響就要明顯一些。在SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中，風(fēng)速指火炬出口的風(fēng)速(最大值取8.9 m/s)。以下將以項目A所在北方地區(qū)的相關(guān)大氣環(huán)境實測數(shù)據(jù)(見表2)和設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為例，分析大氣風(fēng)速對火炬高度的影響。

由于缺少離地面高度在70 m以上的實測大氣風(fēng)速，根據(jù)表2中數(shù)據(jù)可估算出90～150 m高處的風(fēng)速在8～9 m/s。

為了便于說明火炬出口風(fēng)速對火炬高度的影響，本文選取國內(nèi)項目通常選擇的1.58kW/ m2的地面允許熱輻射強(qiáng)度和100m的熱輻射半徑作為計算基準(zhǔn)之一，風(fēng)速則選取不同值計算出對應(yīng)的火炬高度，見圖1。

表2 相關(guān)大氣環(huán)境實測數(shù)據(jù)

圖1 大氣風(fēng)速對火炬高度的影響

從圖1可知，風(fēng)速對火炬高度的影響較大，風(fēng)速越大，計算出的火炬高度越高，這是因為風(fēng)速增加會引起火焰的傾斜程度的增加，使得火焰的中心點離地面高度縮短，地面熱輻射強(qiáng)度增加。在實際情況下，風(fēng)速也會影響火焰長度，進(jìn)而影響火焰中心點的定位和地面的熱輻射強(qiáng)度。同時，火焰下部某點的輻射強(qiáng)度還與該點風(fēng)力對流冷卻作用有關(guān)。通過SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》 “9.3火炬高度的確定”條款得知，此標(biāo)準(zhǔn)在火炬高度的計算過程中并未充分考慮風(fēng)速對火焰長度和風(fēng)力對流冷卻作用的影響。

2.2 地面允許熱輻射強(qiáng)度與熱輻射半徑因素影響

結(jié)合表2和圖1可知，在討論地面允許熱輻射強(qiáng)度與熱輻射半徑因素對火炬高度的影響時，所依據(jù)火炬高度的不同，對應(yīng)的大氣風(fēng)速取值也不同，最大取8.9m/s，其他大氣環(huán)境因素取值見表2。

先討論地面允許熱輻射強(qiáng)度的影響。若選取100m的熱輻射半徑作為計算基準(zhǔn)，根據(jù)SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》“9.1允許熱輻射強(qiáng)度”條款，地面允許熱輻射強(qiáng)度則選取1.58、2.33、3.00和3.20kW/ m2，計算出的火炬高度見圖2。

圖2 地面允許熱輻射強(qiáng)度對火炬高度的影響

從圖2可知，地面允許熱輻射強(qiáng)度對火炬高度的影響較大，兩者之間成反比。在1.58～3.20 kW/m2之間，地面允許熱輻射強(qiáng)度每增加0.1kW/ m2，火炬高度就可降低2.5～4.0m。對于特定項目，地面允許熱輻射強(qiáng)度應(yīng)結(jié)合項目總圖、當(dāng)?shù)氐囊?guī)劃、火炬投資等因素確定。

再討論熱輻射半徑的影響。若選取允許地面熱輻射強(qiáng)度1.58kW/ m2作為計算基準(zhǔn)，同時考慮到整個火炬系統(tǒng)的投資以及征地投資和管理，熱輻射半徑則選取100、125、150、175和200m，計算出的火炬高度見圖3。

圖3 熱輻射半徑對火炬高度的影響

對于項目A，熱輻射半徑小于100m時，火炬高度大大超過了150m，火炬系統(tǒng)的投資會極大增加，管理也更加困難，且地面最大熱輻射值可能位于規(guī)定的熱輻射半徑圓周之外；而熱輻射半徑大于200m時，火炬高度急速降低。進(jìn)一步的計算結(jié)果顯示，當(dāng)熱輻射半徑大于230m時，熱輻射半徑圓周處允許的地面熱輻射強(qiáng)度已不影響火炬高度的選擇，但要考慮熱輻射半徑圓周內(nèi)任何一點的熱輻射強(qiáng)度能滿足SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》“9.1允許熱輻射強(qiáng)度”條款以及燃燒后的大氣污染物落地濃度不超標(biāo)的要求。結(jié)合投資、安全、環(huán)保、操作和檢修等方面綜合考慮，項目A的熱輻射半徑宜選在100～200m之間。

2.3 大氣污染物允許的落地濃度

大氣污染物主要考慮的有SO2、H2S、NH3、CO、NOx等，如果火炬離化工廠內(nèi)空分裝置較近，還需核算CO2的落地濃度對空分裝置的影響。大氣污染物落地濃度與當(dāng)?shù)氐臍庀?、地形、火炬高度、可燃性氣體組成和排放量等有關(guān)，計算起來較為復(fù)雜。不過，對于大多數(shù)處于開闊地帶和當(dāng)?shù)卮髿庥幸欢L(fēng)速的項目，大氣污染物落地濃度不會成為確定火炬高度的決定性因素。對于項目A，火炬高度即使低至50m，上述各大氣污染物地面濃度也未超過允許的落地濃度[4，5]。

2.4 火炬自身結(jié)構(gòu)設(shè)計因素影響

本文中，火炬自身結(jié)構(gòu)設(shè)計因素影響主要指火炬頭出口直徑對火焰長度和可燃性氣體出口速度的影響，進(jìn)而影響火炬高度。若火炬頭出口直徑增加，火焰長度增加，可燃性氣體出口速度減小，火炬高度略增加。經(jīng)過計算，若火炬頭出口直徑增加10%，火炬高度則增加1%～3%。由于火炬氣體出口馬赫數(shù)的限制和控制火炬高度，一般情況下，火炬頭出口直徑盡量與上游火炬總管網(wǎng)保持一致。

3 結(jié)語

火炬高度的確定與排放介質(zhì)特性、最大排放量及放熱量、大氣環(huán)境、地面允許熱輻射強(qiáng)度、熱輻射半徑、允許大氣污染物落地濃度、火炬自身結(jié)構(gòu)設(shè)計等多種因素有關(guān)。對于特定的工藝流程，火炬出口風(fēng)速、地面允許熱輻射強(qiáng)度與熱輻射半徑是最主要的影響因素。除此之外，火炬高度的確定還應(yīng)結(jié)合投資、安全、環(huán)保、操作、檢修及當(dāng)?shù)匾?guī)劃等方面綜合考慮。

[1]API 521—2007，Pressure-relieving and Depressuring Systems(Fifth Edition)[S].

[2] GB 31571—2015，石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] GB 16297—1996，大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] GBZ 2.1—2007，工作場所有害因素職業(yè)接觸限值(第1部分)：化學(xué)有害因素[S].

[5] GB 14554—1993，惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].