地面火炬与高架火炬联动消除黑烟_问珍珍.pdf

书书书第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广州化工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023地面火炬与高架火炬联动消除黑烟问珍珍(北京石油化工工程有限公司，北京100107)摘要:关于高架火炬的消烟，到目前为止，并没有明确的理论与成功的实践经验来保证 100%的消除大排放情况下的黑烟，由于高架火炬自身结构上的局限性，决定了在目前的技术手段和设备配置的情况下，对大排量的高架火炬，通过辅助手段无法实现完全消烟。而地面火炬多台燃烧器将火炬气分散成多股小排量的火炬气，增大了与空气的接触面积，降低了燃料气的富裕度。满足有序开停工以及单套装置事故工况下火炬气的无烟燃烧要求。关键词:封闭式地面火炬;水封阀组;黑烟中图分类号:TQ536.9文献标志码:B文章编号:10019677(2023)02017405作者简介:问珍珍(1986)，女，工程师，主要从事石油化工工程设计。Ground Torch and Elevated Torch Link to Eliminate Black SmokeWEN Zhenzhen(Beijing Petrochemical Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100107，China)Abstract:As for how to eliminate the black smoke from the elevated torch，so far，there is no clear theory andsuccessful practical experience to ensure 100%elimination of the black smoke in the case of largescale emission.Due tothe structural limitations of the elevated torch，it is impossible to eliminate the smoke completely by auxiliary means for theelevated torch with largescale emission under the current technical means and equipment configuration.The torch gaswas dispersed into a number of small emissions of gas by the ground torch burners，which increased the contact area withthe air，and reduced the richness of fuel gas.It met the requirements of smokeless combustion of flare gas under orderlystartup and shutdown as well as single unit accident conditions.Key words:enclosed ground torch;water seal valve set;black smoke由于陕西榆林某项目低低压重烃及低压重烃火炬排放气不完全燃烧导致的火炬头冒黑烟现象，影响周围区域的大气，环境污染较为严重，不符合环保规定。黑烟产生的原因是因为随着碳原子数增加，缺氧条件下，重烃燃烧不充分，不能完全转化为(CO2+H2O)，从而火炬的排放尾气里存在游离的炭黑12。故为了有效缓解一期高架火炬冒黑烟情况，新建一套封闭式地面火炬与高架火炬联合使用，满足有序开停工以及单套装置事故工况下火炬气的无烟燃烧要求。封闭式地面火炬炉体内设置了一定数量的燃烧器，可将大排量火炬气根据检测到的压力信号进行分级燃烧，分散式且有着特殊多孔结构的燃烧器有利于火炬气和空气的充分混合燃烧，从而实现无烟燃烧3。本论文为本人结合该项目及以往工作经验，对地面火炬与高架火炬联动消除黑烟提出自己的一些观点和设计注意事项。1一期高架火炬系统设置及运行情况1.1高架火炬排放系统设置该项目一期火炬为高架火炬，用于处理全厂正常生产、有序开停工、以及事故工况下可燃有毒气体的排放。一期高架火炬共有四个火炬头和一个放空管，分别为高压重烃火炬头、低压重烃火炬头、氨酸火炬头、高压富氢火炬头、小流量放空管。全厂设置了 6 套火炬气排放系统，分别是高压重烃火炬气排放系统、低压重烃火炬气排放系统、低低压重烃火炬排放系统、酸性气火炬排放系统、富氢火炬气排放系统、氨火炬气排放系统。丙烯罐区、HDPE、LDPE、PP1 装置、PP2 装置、压力罐区、在开/停车、事故及正常运行状态下排出的高压重烃火炬气，通过高压重烃火炬气排放系统送至高压重烃火炬头处理。DCC 装置、DMTO 装置在开/停车、事故及正常运行状态下排出的低低压重烃火炬气送至低低压重烃火炬气排放系统。DCC 装置、DMTO 装置在开/停车、事故及正常运行状态下排出的低压重烃火炬气送至低压重烃火炬气排放系统。两套系统的火炬气经过各自水封罐后合并为一根主管，送至低压重烃火炬头。甲醇联合装置排放的富氢火炬气、以及 DMTO 装置排放的富含甲醇火炬气送至富氢火炬气排放系统，到富氢火炬头进行焚烧处理。甲醇联合装置的酸性气排放送至酸性气火炬气排放系统，第 51 卷第 2 期问珍珍:地面火炬与高架火炬联动消除黑烟175 到氨酸火炬头进行焚烧处理。液氨罐区排放的氨火炬气经过氨火炬排放系统,送至氨酸火炬头进行焚烧处理。1.2 一期高架火炬运行情况根据近几年的运行经验,一期火炬出现以下情况:(1)低压重烃火炬头由于不能充分焚烧低低压重烃火炬气,导致冒黑烟严重。低压重烃火炬头冒黑烟期间,消烟蒸汽调节阀开到最大开度也不能缓解冒黑烟程度;(2)DCC 反再系统开停车排放量大概为 70 t/h 左右,最大排放量为 109 t/h,该系统排出的火炬气进入低压重烃火炬头燃烧,较容易冒烟。另外 DMTO 装置开停车及事故时冒烟也比较严重。(3)高压重烃火炬头基本不冒烟,现有的消烟措施能够满足消烟要求。(4)小流量放空管没有消烟措施,在小流量火炬气排放期间易冒黑烟,关小了重烃小流量管线的阀门,减小了小流量火炬气的排放量后,加重了高压重烃火炬头和低压重烃火炬头的闷烧现象。总之,由于低低压排放气不完全燃烧导致的低压重烃火炬头冒黑烟现象,影响周围区域的大气,环境污染较为严重,不符合环保规定。1.3 高架火炬消烟技术的局限受制于火炬头的结构的限制,空气不能充分均匀的与大流量的火炬气在空间上充分接触混合,造成局部火炬气燃烧的缺氧情况出现,从而产生黑烟。高架火炬的消烟,到目前为止,并没有明确的理论与成功的实践经验来保证 100%的消除大排放情况下的黑烟,甚至小排量的高碳氢质量比的火炬气,也无法及时消灭黑烟,经常出现过量蒸汽喷灭火焰或者即使补充了足够蒸汽仍有少量烟雾出现在火炬燃烧器上方。因此高架火炬结构上的局限性,决定了在目前的技术手段和设备配置的情况下,对大排量的高架火炬,通过辅助手段无法实现完全消烟。结合本项目,低低压重烃火炬筒体直径达 2 m,这样即使开停车工况,火炬气流量相对较大时(150 t/h),其出口速度仍然较小,根据现场反应情况,开停车时,火炬分液罐处压力仅为 9 kPa 左右。低流速下大分子组分的烃类气体与空气无法进行紊流状态的融合。尽管燃烧产生的高温烟气以及蒸汽可以有效搅动空气与火炬气,但按照目前的配置和手段都不足以改善直径达 2 m 以上的火炬气气团中心区域的缺氧问题,同时火炬气外侧燃烧的火焰却可以使得中心区域的火炬气温度迅速升高,迫使其在缺氧的环境下发生部分氧化反应,产生碳黑。火炬直径越大,该种情况越明显。2 地面火炬设置情况2.1 地面火炬消烟分析结合该项目的现状,高架火炬无法有效消除黑烟。本项目采用了地面火炬配合蒸汽辅助消烟的手段,可以满足在有序开停工及小事故工况下,100%消除黑烟的目的。地面火炬多台燃烧器将火炬气分散成多股小排量的火炬气,增大了与空气的接触面积,降低了燃料气的富裕度。同时,级数较低的火炬头配置蒸汽辅助消烟,强化了蒸汽消烟能力。另外,较高压力等级的火炬燃烧器利用火炬气本身具有的压力能消除富燃烧条件并达到无烟操作的目的。2.2 地面火炬排放气条件及处理能力各工艺装置火炬气及各排放系统对应的排放参数见表 1。表 1 各工艺装置火炬气排放参数Table 1 Flare gas emission parameters of each process unit排气工况排放量/(kg/h)平均分子量火炬界区的最大允许背/MPa(A)泄放温度/故障原因DCC 装置(低低压重烃部分)工况一180550.5(间断)32.2918+86.7540.7全厂电力故障冷却水故障仪表空气故障工况二333046.7(间断)32.6815+86.75107火灾,超过 220 t/h,送至高架火炬。工况三83532.25(连续)38.918+86.7542开工状态工况四180550.5(间断)32.2915+86.7540.7其他工况开工阶段的组成较为复杂,主要有汽油馏分、甲苯、3-甲基己烯-1、2-甲基己烷、笨、2-甲基-2-戊烯、2-甲基戊烷、甲基环戊烷、环戊烯、2-甲基-2-丁烯、顺丁烯-2、反丁烯-2、异丁烯、丁烯-1、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷,多数含碳量较多。DMTO 装置(低低压重烃部分)工况一118000(连续)33.818+86.7540装置有序开停工工况二11800033.818+86.7540停水、停电及事故工况组成:乙烯+乙烷:46.75%(V)、丙烯+丙烷:31.95%(V)、丁烯+丁烷:7.24%(V)、氢气:2.31%(V)、氮气:1.12%(V)、一氧化碳:0.17%(V)、甲烷:4.46%(V)、C5+:1.44%(V)。设计工况22000039.215+86.75107所有的可能工况开工工况最大为 118 t/h,单套装置(非火灾)单一事故工况为 180.55 t/h;考虑到安全阀起跳瞬间的排放量超过设计量、装置生产有一定的波动,并且结合全厂蒸汽平衡与供应能力,取 20%的设计余量,按照 220 t/h 的无烟雾处理能力,可以满足有序开停工以及单套装置事故工况下的火炬气的无烟燃烧要求。设计方案为 2 套封闭式地面火炬。规范要求,封闭式地面火炬单套处理量不宜超过 100 t/h。本项目结合了全厂的蒸汽平衡情况,确定了单套 110 t/h 的规模。对于极端工况,例如装置的火灾工况、全厂停电及停水工况,超出了地面火炬的处理能力,为防止火焰爆冲,联锁切断176 广 州 化 工2023 年 1 月进地面火炬的控制阀门,切换至高架火炬。2.3 地面火炬燃烧控制2.3.1 分级燃烧上游的火炬气进入火炬界区,低低压重烃火炬气通过集气总管分成 10 路,其中 5 路进入地面燃烧炉 A,5 路进入地面燃烧炉 B;高压重烃火炬气通过集气总管分成 3 路进入地面燃烧炉 A;低压重烃火炬气通过集气总管分成 2 路进入地面燃烧炉B;高压富氢火炬气通过集气总管分成 2 路进入地面燃烧炉 B。地面燃烧炉 A 内共设置了 121 台燃烧器,地面燃烧炉 B 内共设置了 121 台燃烧器,各燃烧级别分配如下:(1)地面燃烧炉 A低低压重烃火炬1 级燃烧器3 台,2 级燃烧器3 台,4 级燃烧器14 台,5 级燃烧器22 台,8 级燃烧器65 台。其中:第1级燃烧系统常开,用以处理小排量火炬气,其余各级燃烧系统管线上设有气动开关阀,根据集气总管上的压力信号进行控制4-5。当系统压力过高时,超过地面火炬处理能力的火炬气会通过上游水封阀调节排放至高架火炬。高压重烃火炬1 级燃烧器4 台,2 级燃烧器4 台,3 级燃烧器 6 台。其中:第 1 级燃烧系统常开,其余各级燃烧系统管线上设有气动开关阀,当系统压力过高时,火炬气通过上游水封阀调节排放至高架