东方石化有机化工厂地面火炬在运行中的改进

周伟宁

东方石化有限公司有机化工厂，北京 102500

1 地面火炬简介

在石油和化学工业的生产过程中，会产生含有可燃性有害组分的混合气体。处理这些气体的方法主要是火炬燃烧。火炬燃烧的优点是安全简单、成本低。其主要缺点:1)燃烧后产生大量的烟尘对环境造成二次污染;2)不能回收热能，从而造成热辐射［1］。为了满足环境保护的要求，火炬燃烧要做到燃烧完全，尽量减少产生烟尘和热辐射。火炬的分类方式:按燃烧器是否远离地面可分为地面火炬和高架火炬;按燃烧器的形式分为单点燃烧器火炬和多燃烧器火炬;按是否带有水封罐分为开放式火炬和封闭式火炬，火炬系统中带有水封罐的为开放式火炬，没有水封罐的为封闭式火炬［2-3］。20世纪70年代初，国外就着手于地面火炬的研究和开发，并针对大排量的装置开发出一种多级多燃烧器地面火炬排放系统。全世界十几个大型乙烯项目、一些大型的炼油生产和天然气开采项目都采用了多级多燃烧器地面火炬，如1991年投用的Malaysia MT BE装置火炬，排放量达到了1066 t/h;位于委内瑞拉的火炬，最大排放量为810 t/h。许多化工厂则采用了地面火炬，如韩国某化工厂的火炬其单筒地面火炬的最大排放量达到100 t/h。国内地面火炬的应用并不罕见，以深圳华安液化石油气有限公司和中国石化荆门炼油厂的地面火炬为例，两套火炬分别于1998年和2001年投入使用，一直运行良好［4-5］。由于多级地面火炬采用的是多级燃烧方式和降噪音、减少热辐射措施，与一般高架火炬相比，具有噪音、热辐射强度小，燃烧完全，处理负荷范围宽，维护检修方便的特点，很好地满足了环境保护的要求，代表了火炬装置的发展方向［6-7］。

1.1 装置的来源及废气排放情况

东方石化有机化工厂在搬迁改造工程中采用的地面火炬，由上海某环保设备有限公司设计制造，于2009年10月投入运行。主要处理有机化工厂乙烯醋酸乙烯共聚树脂(EVA)装置，醋酸乙烯(VAC)装置，醋酸乙烯乙烯共聚乳液(VAE)装置正常生产和开、停车阶段产生的可燃尾气，使燃烧后的尾气达到DB 11/447—2007《炼油和石油化工业大气污染物排放标准》的要求。

有机化工厂三套装置排放尾气情况见表1。

表1 三套装置排气情况Table 1 Information of waste gas of three workshops

1.2 地面火炬的主要构成及作用

地面火炬主要由直立式燃烧塔、水封罐、火炬气管线及控制阀组、蒸汽管线及控制阀组、分级燃烧器、长明灯、PLC控制系统等部分组成。通过检测火炬气管线内的压力来判断火炬气量的大小，根据压力变化，开启相应的火炬气控制阀，实现火炬气的分级燃烧，达到满足排气负荷变化的目的。地面火炬工艺流程如图1所示。

燃烧塔直径13 m，高30 m，外壳采用钢结构，内衬陶瓷纤维及耐火泥。燃烧塔底部有进风口，燃烧所需的空气可以从进风口得到大量补充，以保证完全燃烧。燃烧塔的作用是消灭光污染和热辐射，减小噪音。

燃烧塔内设置一套八级分段控制的分级燃烧器，分别将三套生产装置送来的尾气分配到不同的燃烧器中进行燃烧。VAC装置送来的尾气分三级燃烧，一级主要针对连续排放尾气，设置2个燃烧器;二级、三级针对间歇排放尾气，二级设置8个燃烧器，三级设置10个燃烧器。VAE装置为一级燃烧，设置4个燃烧器。EVA装置分四级燃烧，一级主要针对连续排放尾气，设置4个燃烧器，二级～四级针对异常排放尾气，设置37个燃烧器。

图1 地面火炬工艺流程示意图Fig.1 Sketch map of technology of the ground flare

燃烧塔内设置14盏长明灯，确保任何时候排放的火炬气都能被及时点燃。

EVA、VAC、VAE三套装置分别设有各自的水封罐，这样可以做到三套火炬互不干扰，确保安全，防止燃烧时产生回火［8］。

火炬气管线及6个火炬气控制阀用来控制向相应的燃烧器输送火炬气。

蒸汽管线及8个蒸汽控制阀用来控制消烟助燃蒸汽量的大小。

PLC系统可以控制火炬气排放阀的开度、蒸汽控制阀的开度，控制水封罐的液位、温度，控制长明灯自动点火，实现地面火炬的自动控制。

2 运行中易出现的问题及解决办法

2.1 火炬燃烧器不能相互点燃的问题

地面火炬的每一级都设有数个燃烧器和一盏长明灯。长明灯首先引燃一个燃烧器，被引燃的燃烧器再引燃其他燃烧器。这种燃烧器点燃方式要求在设计燃烧器间距时要满足燃烧器的点火距离，以使火炬燃烧时燃烧器全部点燃。燃烧器的点火距离与燃烧器燃烧时火焰的直径和火炬气的点火温度有关。不同组分的火炬气其点火温度不同，所以同一种燃烧器在燃烧不同的火炬气时，其点火距离是不同的。设计人员在确定火炬点火间距时要充分考虑燃烧器的特点和火炬气的点火温度。该火炬燃烧器是一种燃烧完全，消烟充分的环保型燃烧器，采用的是耐热不锈钢材料，结构上采用多孔小型喷嘴、小火焰，燃烧均匀，在燃烧器底部设有蒸汽喷射环管，将蒸汽喷入燃烧器中。喷入燃烧器的水蒸气及其带入的空气起助燃作用，促进火炬气完全燃烧，从而达到消烟的目的。燃烧器结构见图2。

图2 燃烧器结构Fig.2 Sketch map of structure of the burner

这种燃烧器结构使火焰的刚性比较强，火焰直径较小。燃烧器间距过大时，需要被点燃的燃烧器达不到着火温度，燃烧器之间就不能相互点燃。由于火炬设计单位没有考虑到这种燃烧器的特点，将燃烧器的距离设计得过大，火炬在试运行时遇到了燃烧器不能相互点燃的问题。根据燃烧器实际燃烧时火焰的大小，将燃烧器间的距离由1000～1800 mm减小到400～600 mm，经过实际运行验证，火炬燃烧器相互点燃迅速，解决了燃烧器不能相互点燃的问题。火炬设计人员由于没有考虑到燃烧器的特点和火炬气的可燃性在实际情况下往往比较差的常规，而将火炬点火间距设计得过大，造成火炬燃烧器不能全部点燃，在以后的火炬设计中要将火炬点火间距设计得尽量保守一些。

2.2 火炬次级燃烧器投入运行压力的确定

地面火炬采用多级燃烧系统，即将燃烧器分级，在火炬气流量较小时只使用一级燃烧器，火炬气流量增大时后续几级燃烧器才会逐步投入运行。火炬气流量是通过安装在火炬气管道上的压力变送器测得的压力来衡量的，压力越高说明火炬气流量越大。次级火炬燃烧器投入运行是靠安装在上一级火炬气管线上的压力变送器测得的压力控制，压力变送器测得的压力大于PLC上的设定值时，次级燃烧器投入运行，PLC压力设定值的确定在实际运行中是一个关键的因素。设计者按照每级火炬的处理能力计算出本级火炬管线的压力上限，该压力值就是次级火炬投入运行的设定值。

对于东方石化地面火炬，设计推荐的火炬次级开启压力为6 kPa，次级全开的压力为12 kPa。在VAC火炬试车运行中，当VAC装置大量排放尾气时，VAC火炬气管线的压力最大达到60 kPa，而火炬气管线的设计运行压力为30 kPa，大大超过设计压力，造成VAC水封罐水封管喷出火炬气，十分危险。这是因为异常排放时火炬气排放气量在很短的时间内达到最大值，火炬气管线压力上升十分迅速，当火炬气压力变送器检测到6 kPa的压力，由PLC发出动作指令到控制阀，再由控制阀执行指令需要一段时间，在这段时间内，水封罐内的压力已经超过30 kPa，造成短时间超压，水封罐内的火炬气从水封管喷出来。为了找到彻底解决问题的方法，经过认真分析分级控制特点，认为解决问题的关键是控制二级、三级火炬气控制阀在火炬气压力上升初期就适当开启，避免压力迅速上升时开阀动作迟缓，造成水封罐超压。经过实际摸索，将火炬二级、三级的开阀压力设置为2 kPa，阀门开度100%的压力设置为4 kPa，而设计压力分别为6和12 kPa，现在的压力只有设计值的1/3。这样在比较低的压力下，下一级火炬气控制阀就打开了。在以后VAC装置大量排气时，由于二级、三级火炬气控制阀及时打开泄压，水封罐的最高压力只有12 kPa，处于水封罐正常压力范围之内，解决了VAC火炬大量排气时水封罐的超压问题。在实际工程中，由于事故状态下火炬气排放气量在瞬间就能达到设计最大值，所以多级火炬的次级投入运行压力要比计算值低很多，才能满足火炬气排放气量变化的要求。通过改变火炬PLC控制次级开启压力值能够很方便地设定火炬次级开启压力，只要调试人员根据实际运行数据进行修订就可以了。

2.3 火炬气管线堵塞的问题

在实际工程中，由于火炬气中可能带有液体或胶体物质，在火炬气进入燃烧器之前需要设置气液分离罐，以免杂质进入燃烧器影响燃烧。水封罐也可以将这些杂质截留，随着水封罐溢流水排出。但是有些胶体物质会在火炬管线中聚集，逐渐堵塞管线，使火炬无法正常运行。VAE火炬运行初期比较正常，但2010年1月以后，开始有棕红色小块柔软的胶状物从VAE水封管流出，1个月后造成水封管堵塞。在检修VAE水封管时，从水封管中清理出大量胶状物，水封管回装后出水正常。同年9月，VAE火炬管线堵塞，检修时发现进入界区处一个弯头被胶状物堵塞，疏通管线后排气正常。VAE火炬气管线和水封罐中结胶的主要原因是VAE火炬气中含有的少量醋酸乙烯会在水封罐和管线中聚合，形成胶状物堵塞管线。因为醋酸乙烯遇水会缓慢聚合，形成块状胶体。聚合物还会随着水封罐溢流水流入水封管，在水封管结胶堵塞水封管。由于醋酸乙烯遇水聚合的速度比较缓慢，所以解决水封管堵塞的办法是保持较多的水封罐溢流水量，可将还未聚合的醋酸乙烯或少量形成的聚合物随水排出。对于在管道中结胶的醋酸乙烯可以向VAE火炬气中加入阻聚剂，防止其发生聚合反应。在实际运行中采取以上两项措施，解决了VAE火炬气管线堵塞的问题。所以在工程设计中要考虑火炬气有没有结胶的可能性，如果有，需要采取必要的措施，如在容易堵塞处设计旁通路径，以及工艺上可以采取的一些措施，如加入阻聚剂。

2.4 长明灯全部熄灭和自动点火困难的问题

长明灯作为保证火炬正常运行的关键因素之一，应该能够在恶劣环境中正常工作，不怕大风、暴雨和暴雪。地面火炬长明灯采用文丘里原理，引射空气预混，使火焰的刚性变强，能够抵御恶劣天气。只有预混的空气燃气比例适当，长明灯才能被点燃。在实际操作中，首次点燃长明灯时，需要确定合适的天然气压力和适当的文丘里风门大小。要保持一定的天然气压力，将文丘里风门置于较小位置，试点长明灯。如果有爆鸣声，说明空气量过大，通过调小文丘里空气风门继续试点;如果点火声音很小，长明灯不着，说明文丘里风门过小，需要调大风门，直到点燃。确定好天然气压力和文丘里风门大小后，就可以实现PLC自动点火。

火炬长明灯有时出现全部熄灭，有时出现长明灯爆鸣，经过几个小时后长明灯又恢复正常。这种情况出现时长明灯天然气压力首先出现波动，然后就会出现长明灯熄灭或爆鸣。经过调查，天然气压力变化是由于外界天然气有变化，天然气品质下降，可燃组分减少，杂质增多，使长明灯文丘里燃气预混管内空气比增大。空气比例增大到一定程度，处于可燃气爆炸极限之内产生爆鸣，空气比过大时使得长明灯熄灭［1］。天然气品质好转后，长明灯会恢复正常。避免长明灯全部熄灭，需要外界提供品质好的天然气。如果天然气品质下降，处理方法是通过调小文丘里管空气进口，减小空气量，使燃气空气比例合适，长明灯就能恢复正常。

3 存在的问题和建议

3.1 减少长明灯个数的可能性

燃烧塔内总计83个燃烧器分成14排，均匀分布，每排设置1盏长明灯，总计14盏，长明灯能确保任何时候排放的火炬气被及时点燃。14盏长明灯共需消耗天然气40 m3/h，因此天然气的消耗是火炬运行的主要成本之一。减少长明灯的数量可以降低火炬的运行成本。

因为每排的燃烧器是靠相互引燃点燃的，所以各排之间只要间距合适，则可以互相点燃。为了保证燃烧器能够全部点燃，且最大限度地减少长明灯数量，每级燃烧器设置1盏长明灯，各级燃烧器间的距离采用600 mm，这样每级燃烧器即可由本级长明灯点燃，也可由相邻的燃烧器点燃。在燃烧器的布置方面，其密度要大于目前的布置方法，有可能产生空气供应不足而燃烧不完全的问题。但是考虑到燃烧后的热烟气在圆筒燃烧塔的拔力作用下，从燃烧塔顶部排出，从而在燃烧区域形成了一定负压，这样外界的空气就能够自动地从燃烧塔底部源源不断地进入燃烧塔内，从而保证火炬气燃烧所需要的足够空气量。如果按此设想布置长明灯，长明灯的个数就可以由14盏减少到8盏，可以节约天然气42%。

3.2 逐级燃烧的可靠性

虽然地面火炬采用分级燃烧系统，使它的控制变得复杂，但它却提高了地面火炬对火炬气流量变化的适应性，可保证地面火炬在火炬气流量波动时稳定燃烧，满足了火炬燃烧时保持火焰稳定性的要求，可以防止火炬回火和脱火［10］。但是这种逐级燃烧方式下，第三级燃烧器投入运行是靠第二级的压力变送器来控制的，如果第二级火炬气排放调节阀出现故障打不开，那么第三级及以后的各级火炬气排放调节阀都将无法正常工作，会致使水封罐超压，火炬气从水封罐泄漏，造成极大的安全隐患。所以必须保证火炬气排放调节阀、压力变送器正常工作。一旦出现某一级火炬气调节阀故障，水封罐压力异常升高，则需要人工手动在PLC控制板上打开次级火炬气调节阀泄压，还要手动打开相应的蒸汽阀消烟助燃。因此需要编制应急预案，并对操作人员进行培训。

4 结论

地面火炬采用分级燃烧系统，大量使用自动控制方法，提高了火炬的安全性和运行稳定性。地面火炬具有无烟、无火和低噪音的特点，更好地满足了环境保护的要求。在实际应用中，火炬设计者应更多考虑具体装置情况的特殊性，使地面火炬达到最佳运行效果。随着地面火炬在使用中的进一步完善，地面火炬在国内的实际应用会越来越多。

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