1. 装置简介
火炬是处理石油化工厂、炼油厂当发生事故时或在正常生产中排放大量易燃、有毒、有腐蚀性气体用的。火炬形式可分为高空火炬和地面火炬。火炬形式的选择应根据火炬系统的设计处理量、项目所在地的总图布置以及环境保护的要求等因素确定。
地面火炬系统由火炬的内外设备组成,火炬的内部有成排的高压燃烧器和低压燃烧器,所有的火炬管线埋在地面下以避免燃烧过程中的热辐射;围墙将燃烧器与外部辅助设备分隔开,考虑到空气的流进,金属围栏的底部被架空,但仍可以通过在围栏的支撑结构上增加面板来屏蔽掉热量。每个燃烧室的设计原理相同,每级燃烧器的操作通过压力来控制,利用紧闭切断蝶阀开/关来达到分级燃烧的目的,通过使用释压装置如防爆阀或防爆针以保证安全。每一级设有两个长明灯,点火系统与高架火炬相同,多个长明灯确保安全,不需要蒸汽和强制通风,即可达到100%燃烧。无论何时,如果火炬气的压力不足,可能需要少量的蒸汽。燃烧室周围安装垂直金属围栏,此吸热围栏将地面热辐射隔离在内,使其不向四周扩散,围栏外面的辐射热低于1.6kW/㎡。地面火炬的主要部件包括:多点的火炬燃烧;长明灯、排放点火器和火焰检测器;支持结构和辅助设备;分液罐;液体密封;管道系统;辅助设备。地面火炬不能用于有毒物质的焚烧。地面火炬周围最小无障碍区的半径为76~152m,且应设围墙以确保安全。
高架火炬即采用竖立的火炬筒体将燃烧器(又称火炬头)高架于空中,火炬气通过火炬筒体进入燃烧器,燃烧后的烟气直接进入空气中,随气流扩散至远处。根据火炬筒体的支撑形式,高架火炬又可分为塔架式、半塔架式、自支撑式、拉线式,如图2.42所示。高架火炬主要包括分液罐(也称排放罐,有的火炬系统不止一个)、密封罐(大多用水封,称为水封罐)、火炬收集管线、火炬筒体、火炬头、气体密封、长明灯及监测长明灯的热电器、清烟装置、航标指示灯、点火设施、监视电视(一般离火炬有一定距离)。
高架火炬和地面火炬的区别:地面火炬处理量比高架火炬小,不能燃烧有毒气体。地面火炬开启过早会产生回火现象,开启过晚会造成憋压。高架火炬由于火炬气出口速度较快,其燃烧所产生的噪声是无法避免的。高架火炬在放空燃烧时,火炬头处所产生巨大火焰造成的热辐射对高架火炬附近的工作人员及设备有很大的影响。环保方面看,地面火炬比高架火炬好,从投资及维护方面来看,地面火炬成本较高,但是运行成本低且维修方便。
高架火炬典型工艺流程示意图见图2.43。
2.火炬系统的设计
①. 不同处理的介质和不同工作条件有不同的火炬系统
在开车、正常运行、停车和事故时排放的气体均要送火炬处理。以各种情况下最大排放量来进行火炬系统处理能力的设计,同时要保证在一个宽的流量范围内系统运行良好。火炬系统本身要保证生产装置安全运行,并应考虑对环境的影响,消除和尽量减少对大气的污染、噪声等。当两火炬集中布置时,火炬的间距应使一个火炬燃烧最大气量时所产生的辐射热,不影响另一个火炬检修工作的进行。火炬的防空标志和灯光保护应按有关规定执行。
②. 安全阀和控制阀的排放系统管道
安全阀和控制阀排放系统按有关规定来设计。该排放系统若与火炬系统相连,其管道材质不能低于碳钢,对于可能产生低温和高温的部分要做应力分析计算,选用适宜的材质和进行相应的加工处理。排放管道最好从上方与火炬系统总管45°相连,以免产生排气、排液死角。
③. 火炬总管到分离器要有一定坡度以便排液,坡向分离器坡度不小于2‰,对于排液死角要设排液口并将排出液回收储存。
④. 要考虑温度对管路的影响,设置温度补偿的膨胀节,一般用环形的,特殊情况下用波纹形膨胀器。如果总管与总管相接或总管与支管相接,其接头处材质取两者材质高者,且其长度在接头处上游至少要有5m。
⑤. 为避免火炬系统发生内爆炸或产生其他不安全因素,火炬气总管的上游最远端设有固定的吹扫设施,该吹扫设施包括一个流量计、一个止回阀和一个手动调节阀门。所有的火炬总管都应设氮气吹扫用软管接口。常用的吹扫气首选为可燃气体(如燃料气),但对于低温管线,吹扫气在最低温度时应不发生部分或全部冷凝,对此一般采用氮气吹扫。
⑥. 火炬气分离罐(分液罐)
每根火炬排放气总管都应设分离罐,用以分离气体夹带的液滴或可能发生的两相流中的液相。为防止产生“火雨”,分离罐的分离能力为至少将不小于400μm的液滴分离下来,最好将不小于150μm的液滴也分离下来,尽量减少液滴夹带。分离罐选用直径一般为其长度的1/3~1/2,并为火炬总管尺寸的3~4.5倍。分离罐的尺寸是以排放物流中最大排液量计算,储存10~30min的排液量,一般取20min。如果已另外设置了单独的液相收集系统,或者在最大火炬负荷的紧急情况下也不会有大量的两相流排出,此时可以让排放物流不经分离罐,只设一个与液体收集系统相连的集液管就可以了。有的项目火炬气分离罐(分液罐)为卧式,有的项目为立式,分离罐(分液罐)的布置高度影响着整个装置管廊的布置高度,在配管设计时,应尽量降低分离罐的布置高度。
⑦. 火炬气水封罐
水封罐的作用是防止回火现象的发生(防止回火的设施还有速度封、分子封等),假设发生回火,火焰通过火炬气出口进入水封罐后因为入口管道在水面以下,因此杜绝了火焰的继续传播。火炬气水封罐有溢流管,据API 521和SH 3009要求,溢流管的水封高度应大于等于1.75倍水封罐内气相空间的最大操作压力(表压),溢流管口径最小为DN50,其高点处管道下部内表面应与要求的水封液面处于同一高度。图2.44所示为某布置的高差要求。如果溢流管布置偏高,则水封罐偏高,导致水封罐连接的火炬管偏高,导致长距离管廊偏高等。