火炬计算的参数分析

弥 勇 李文杰

（中国寰球工程公司，北京 100029）

经验交流

火炬计算的参数分析

弥 勇 李文杰

（中国寰球工程公司，北京 100029）

通过对化工装置中火炬的计算，分析了火炬计算中影响高空火炬高度和直径的主要参数；对国内目前应用较少的地面火炬的计算进行了初步探讨。结果表明，影响火炬计算结果的最主要的因素为火炬气流量以及人为规定的热辐射强度等，在排放量为200 t/h、热辐射强度为1.58 kW/m2要求下，高空火炬烟囱直径和高度分别约为0.82 m和60 m；地面火炬的安全距离必须大于30.3 m。

火炬；高度；热辐射强度；安全距离

火炬适用于处理石油化工厂、炼油厂发生事故时或者正常生产排放大量易燃、有毒、有腐蚀性的气体时的设计。火炬系统通常由分离罐、密封罐和火炬筒体等组成。按照燃烧器是否远离地面，型式可以分为高空火炬和地面火炬[1]。

环保的要求使得化工装置中对环境有危害的排放气的排放更加的严格，相应的规模扩大意味着火炬设计需要不断的完善。

在熄灭火炬、回收燃气、减少火炬数量等方面，国内相关设计者已经作了很多的工作。本文针对火炬计算中的相关步骤，对影响火炬计算结果的相关参数进行严格地比较分析[2]。

1 高空火炬

高空火炬燃烧器远离地面，采用竖立的火炬筒体将燃烧器（火炬头）高架于空中，火炬气通过筒体进入燃烧器，然后进入大气。当火炬设计处理量高于30 t/h时，采用高空火炬（减少地面热辐射强度，有利于热量扩散）。

现行的火炬计算执行标准有SH 3009—2001和HG/T 20570—95，2者的基本原理是一致的，本文采用HG/T 20570—95进行火炬的计算[3-4]。

计算实例参数：均取排放到火炬的气体的最大值。火炬气的排放量为200 t/h，平均相对分子质量为20，温度为180℃，绝热指数为1，热值为 8 kJ/kg，火炬顶部内侧压力为103 kPa。当地年平均风速为30 m/s。

1.1 烟囱直径

马赫数的选取：按照事故紧急排放考虑，取值为0.5以下。本文考虑取值0.45。

烟囱直径的计算公式如下[3]：

式中，qm为火炬气排放质量流量，p为火炬顶部内侧火炬气的压力，Mach为马赫数，M为火炬气的平均相对分子质量，T为火炬气温度，k为火炬气的绝热指数。该计算公式中，可以看出，对火炬烟囱直径影响最大的为火炬气的质量流量。

按前文中给出的数据计算可得，火炬烟囱直径大约为0.813 8 m，圆整后为0.82 m。

根据不同的体积流量下的烟囱直径，可以得到近似的线性关系，如图1所示。

随着化工装置中，工艺的不断更新以及燃料气的回收利用，排放到火炬中的气体相比落后工艺中的排放已经减少。再者，火炬烟囱直径的持续增大，带来的只是装置成本的增大。

1.2 火焰长度

火焰长度根据火炬气的燃烧热量查表得到。火炬气的燃烧热量计算公式为：

Q=hqm。

其中，h为火炬气的质量焓。本文中，查表得到的火焰长度为45 m。根据不同的质量流量得到不同的火焰长度，其线性关系如图2。

1.3 烟囱高度

火炬烟囱高度的计算公式如下：

式中，R为无障碍区域半径，D为火焰中心到地面边界的距离；△X和△Y分别为火焰横向和纵向偏距，可由查表得到。本例中得到的火炬高度为60 m（热辐射强度为 1.58 kW/m2）。

在火炬高度的计算过程中，需要人为决定的关键性参数为最大热辐射强度，该参数直接影响着火焰中心到地面边界的距离，也就是影响着在安全距离之内人员可操作的时间等因素。

化工对热辐射强度一般规定如表1所示。

表1中规定的数值已经考虑了当地的太阳热辐射强度。

不同的热辐射强度直接影响着火炬烟囱的高度，本文中，根据不同的热辐射强度计算得到的火炬烟囱高度是不同的，根据其相应关系得到如图3所示的关系图。

由图3可以看出，随着热辐射强度的不断增加，火炬烟囱高度是不断降低的。其原因是因为随着热辐射强度的增大，操作人员在此的操作时间不断减少，甚至不允许其进入。

高空火炬虽然计算、设计等在国内比较完善，但是在安全和环保方面存在很多的问题：噪音大、燃烧不完全（无法保证大量火炬气在瞬间内完全燃烧，从而形成黑烟，尤其是在事故紧急排放时情况更加严重，对环境产生严重的污染）、火焰光污染、火炬点火困难、处理负荷范围小、较高的运行费用、维护困难以及占地面积较大。相比之下，地面火炬具有很好的优势（噪音低、运行费用低、维护简便等）。

2 地面火炬

地面火炬燃烧器位于地面以下。当火炬设计排放量较小，一般低于30 t/h时，而且要考虑光和噪音的干扰时，采用地面火炬。

表1 热辐射强度对照[3]Tab1 Heat radiation intensity comparsion

针对地面火炬的计算，国内目前尚未查询到相关的标准性计算方法。国内设计制造地面火炬的厂家均是以成套设备的形式承包，技术推广应用在国内不是很普遍。介绍地面火炬的文献也只有API521以及API537等外文文献[5-6]。

计算所需参数与高空火炬所需提供的参数基本一致。

2.1 热辐射以及安全距离

废气燃烧时，一部分产物以辐射热的形式辐射到周围的环境中，地面火炬设计重要条件是要考虑到热辐射。辐射热来自火炬燃烧的热辐射，包括水蒸汽、二氧化碳和烟灰颗粒。国内应遵循的有关标准规范有 SH 3009—2000、HG/T 20570—95；国外 API标准：安全区域＜1.58 kW/m2，防护距离 1.58～4.5 kW/m2，防护区域 4.5～6.3 kW/m2，严重致死区域＞6.3 kW/m2[5-6]。

本文根据1.58 kW/m2来考虑。同样采用高空火炬计算时所用的排放气参数来进行计算。

根据辐射强度K=6.3 kW/m2，大气传送系数C假定为1.0，热辐射系数F选为0.3，Q为释放的热量，计算得到地面火炬散热中心到物体的距离D为30.3 m，即所考虑的最小安全距离为30.3 m。

2.2 地面火炬其他设计参数要求

地面火炬系统要将气体放空燃烧火焰完全控制在防辐射隔热罩内，尽量让外界看不到火焰，以最大限度地减少热辐射、噪音对工作人员和周围设备的影响。火焰的长度计算与高空火炬的计算方法是一

致的。可根据此计算参数选择隔热罩的高度。

3 结论

1)计算过程中，影响火炬计算结果的最主要的因素为火炬气流量以及人为规定的热辐射强度等。热辐射强度的选取是根据设计中规定的操作人员的安全距离而决定的。

2)随着火炬气流量的增大，火炬烟囱直径以及火焰长度逐渐增大。排放量为200 t/h的情况下，火炬烟囱直径大约为0.82 m；随着热辐射强度的增大，火炬烟囱高度不断减少，本例中，热辐射强度如果需要达到1.58 kW/m2的要求，火炬高度大约为60 m。

3)针对目前国内无标准化计算的地面火炬进行了初步的计算探讨，排放量为200 t/h情况下，热辐射强度为1.58 kW/m2要求下，安全距离必须大于30.3 m。

[1]王松汉.石油化工设计手册:第四卷[M].北京:化学工业出版社,2002:632.

[2]陈刚,夏景峰.醋酸装置火炬头的低噪无烟化改造[J].2007,14(2):60-62.

[3]SH 3009—2001石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放设计规范[S].

[4]2001.HG/T 20570—95火炬系统设置[S].

[5]API STD 537—2008 Flare Details for General Refinery and Pe[S].

[6]API 521—2007 Pressure-relieving and Depressuring Systems[S].

Parameters Analysis of Torch Computation

Mi Yong,Li Wenjie

(China Huanqiu Contracting&Engineering Corp,Beijing,100029)

s:Through computation of torch,some key parameters which affect the upper air torch altitude and the diameter are analyzed.Results show the most important factors which affect torch computation are air current of the torch and man-made thermo radiant intensity.Under discharge amount 200 t/h,thermo radiant intensity 1.58 kW/m2,diameter and altitude of the high altitude torch chimney are 0.82 m and 60 m,respectively;safety distance of the ground torch must exceed 30.3 m.

torch;height;thermo radiant intensity;safety distance

TQ052.73

BDOI10.3969/j.issn.1006-6829.2010.02.015

2010-01-22；

2010-02-15