火炬高度的主要影响因素

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

火炬系统作为每个化工厂必要的安全与环保设施发挥着至关重要的作用。随着化工装置规模越来越大，流程越来越长，排放至火炬系统的可燃性气体的气量越来越大，组成和排放管网也愈加复杂，国内对安全和环保的日益重视，赋予了火炬系统越来越重大的责任，对火炬系统的设计也提出了更高的要求。火炬系统可分为两个部分，即可燃性气体排放管网和可燃性气体燃烧设施(即火炬)。根据其结构型式，火炬又可以分为高架火炬和地面火炬，本文要讨论的火炬指高架火炬，简称火炬。由于国内大部分化工厂采用的是高架火炬，其高度的确定往往需要多个相关单位或部门的配合，花费时日较长。本文将重点分析影响火炬高度的几个主要因素。

国内化工厂确定火炬高度的设计依据主要有API521 Pressure-relieving and Depressuring Systems(Fifth Edition)、SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》和HG/T20570.12—95《火炬系统设置》，火炬高度的确定与排放介质特性(低位热值、分子量、绝热指数、压缩系数等)、最大排放量及放热量、大气环境(气压、密度、湿度、风速等)、地面允许热辐射强度与热辐射半径、允许大气污染物落地浓度、火炬自身结构设计(火炬头出口直径等)等因素有关[1-3]。对于特定的工艺流程，排放介质特性、气量及放热量均已确定，其他因素将共同决定火炬高度。为了便于具体说明各主要因素对火炬高度的影响，以下将以某大型煤化工项目(简称项目A)的火炬高度计算为例。

1 设计基础数据

项目A根据排放介质特性及气量，将火炬系统分为了4套分系统，即高压火炬系统、低压火炬系统、酸性气火炬系统、氨火炬系统。其中，高压火炬系统用于处理排放压力较高而热值较低的可燃性气体，低压火炬系统用于处理排放压力较低而热值较高的可燃性气体，火炬各分系统相关参数见表1。

表1 火炬各分系统排放介质相关参数

由于工艺特性，考虑上述4个分火炬系统最大排放量叠加，根据SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》 “9.3火炬高度的确定”中的条款和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等公式计算出火炬高度。

2 确定火炬高度的主要因素

2.1 大气环境因素影响

大气环境因素包括气压、密度、湿度、风速等，计算时一般取全年平均值。气压和密度影响火炬界区内的压降和火炬出口气体流速；湿度主要影响热辐射系数，两者成反比；风速影响火焰中心的水平和垂直位移。相对风速的影响，大气的气压、密度和湿度对火炬高度的影响较小，在国内大部分地区气象条件范围内，火炬高度的变化幅度低于总高度的5%，而风速对火炬高度的影响就要明显一些。在SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》中，风速指火炬出口的风速(最大值取8.9 m/s)。以下将以项目A所在北方地区的相关大气环境实测数据(见表2)和设计基础数据为例，分析大气风速对火炬高度的影响。

由于缺少离地面高度在70 m以上的实测大气风速，根据表2中数据可估算出90～150 m高处的风速在8～9 m/s。

为了便于说明火炬出口风速对火炬高度的影响，本文选取国内项目通常选择的1.58kW/ m2的地面允许热辐射强度和100m的热辐射半径作为计算基准之一，风速则选取不同值计算出对应的火炬高度，见图1。

表2 相关大气环境实测数据

图1 大气风速对火炬高度的影响

从图1可知，风速对火炬高度的影响较大，风速越大，计算出的火炬高度越高，这是因为风速增加会引起火焰的倾斜程度的增加，使得火焰的中心点离地面高度缩短，地面热辐射强度增加。在实际情况下，风速也会影响火焰长度，进而影响火焰中心点的定位和地面的热辐射强度。同时，火焰下部某点的辐射强度还与该点风力对流冷却作用有关。通过SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》 “9.3火炬高度的确定”条款得知，此标准在火炬高度的计算过程中并未充分考虑风速对火焰长度和风力对流冷却作用的影响。

2.2 地面允许热辐射强度与热辐射半径因素影响

结合表2和图1可知，在讨论地面允许热辐射强度与热辐射半径因素对火炬高度的影响时，所依据火炬高度的不同，对应的大气风速取值也不同，最大取8.9m/s，其他大气环境因素取值见表2。

先讨论地面允许热辐射强度的影响。若选取100m的热辐射半径作为计算基准，根据SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》“9.1允许热辐射强度”条款，地面允许热辐射强度则选取1.58、2.33、3.00和3.20kW/ m2，计算出的火炬高度见图2。

图2 地面允许热辐射强度对火炬高度的影响

从图2可知，地面允许热辐射强度对火炬高度的影响较大，两者之间成反比。在1.58～3.20 kW/m2之间，地面允许热辐射强度每增加0.1kW/ m2，火炬高度就可降低2.5～4.0m。对于特定项目，地面允许热辐射强度应结合项目总图、当地的规划、火炬投资等因素确定。

再讨论热辐射半径的影响。若选取允许地面热辐射强度1.58kW/ m2作为计算基准，同时考虑到整个火炬系统的投资以及征地投资和管理，热辐射半径则选取100、125、150、175和200m，计算出的火炬高度见图3。

图3 热辐射半径对火炬高度的影响

对于项目A，热辐射半径小于100m时，火炬高度大大超过了150m，火炬系统的投资会极大增加，管理也更加困难，且地面最大热辐射值可能位于规定的热辐射半径圆周之外；而热辐射半径大于200m时，火炬高度急速降低。进一步的计算结果显示，当热辐射半径大于230m时，热辐射半径圆周处允许的地面热辐射强度已不影响火炬高度的选择，但要考虑热辐射半径圆周内任何一点的热辐射强度能满足SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》“9.1允许热辐射强度”条款以及燃烧后的大气污染物落地浓度不超标的要求。结合投资、安全、环保、操作和检修等方面综合考虑，项目A的热辐射半径宜选在100～200m之间。

2.3 大气污染物允许的落地浓度

大气污染物主要考虑的有SO2、H2S、NH3、CO、NOx等，如果火炬离化工厂内空分装置较近，还需核算CO2的落地浓度对空分装置的影响。大气污染物落地浓度与当地的气象、地形、火炬高度、可燃性气体组成和排放量等有关，计算起来较为复杂。不过，对于大多数处于开阔地带和当地大气有一定风速的项目，大气污染物落地浓度不会成为确定火炬高度的决定性因素。对于项目A，火炬高度即使低至50m，上述各大气污染物地面浓度也未超过允许的落地浓度[4，5]。

2.4 火炬自身结构设计因素影响

本文中，火炬自身结构设计因素影响主要指火炬头出口直径对火焰长度和可燃性气体出口速度的影响，进而影响火炬高度。若火炬头出口直径增加，火焰长度增加，可燃性气体出口速度减小，火炬高度略增加。经过计算，若火炬头出口直径增加10%，火炬高度则增加1%～3%。由于火炬气体出口马赫数的限制和控制火炬高度，一般情况下，火炬头出口直径尽量与上游火炬总管网保持一致。

3 结语

火炬高度的确定与排放介质特性、最大排放量及放热量、大气环境、地面允许热辐射强度、热辐射半径、允许大气污染物落地浓度、火炬自身结构设计等多种因素有关。对于特定的工艺流程，火炬出口风速、地面允许热辐射强度与热辐射半径是最主要的影响因素。除此之外，火炬高度的确定还应结合投资、安全、环保、操作、检修及当地规划等方面综合考虑。

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

[2] GB 31571—2015，石油化学工业污染物排放标准[S].

[3] GB 16297—1996，大气污染物综合排放标准[S].

[4] GBZ 2.1—2007，工作场所有害因素职业接触限值(第1部分)：化学有害因素[S].

[5] GB 14554—1993，恶臭污染物排放标准[S].