火炬燃烧器超温原因分析及应对措施

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(1.兰州石化公司 石油化工厂， 甘肃 兰州 730060；2.兰州石化公司 榆林化工有限公司， 陕西 榆林 719000)

某石化公司石油化工厂24×104t/a乙烯装置火炬系统设计处理能力为585 t/h。2015年以来观察到小排量下火焰刚度不足，大排量下火焰抬升高度不够，并伴有严重的冒黑烟现象。 对火炬系统的大检修发现，火炬燃烧器火炬头、筒体顶部、中心引射蒸汽管上部损坏严重。文中对此进行了原因分析，并介绍了采取的改进措施及其效果。

1 火炬燃烧器超温受损情况

检修现场损坏的火炬燃烧器形貌见图1。图1中火炬燃烧器为梅花喷嘴式结构，其高温段采用06Cr25Ni20不锈钢板卷焊制造。06Cr25Ni20钢材具有良好的耐热性能，在1 150 ℃高温下能够长期使用[1]。

图1 检修现场损坏的火炬燃烧器

现场损坏的火炬燃烧器可以成片撕下，据此判断其材质塑性已完全丧失。进一步的材质化学成分分析结果表明，火炬燃烧器高温段不存在材质不合格问题。综合分析认为，火炬燃烧器使用过程中发生了超温故障，超温使得06Cr25Ni20钢在高温作用下产生蠕变[2]，同时在火炬气及蒸汽的冲击下，燃烧器顶部发生严重变形[3]。

2 火炬燃烧器火炬头结构

火炬系统火炬燃烧器为梅花喷嘴式[4]，其结构见图2。燃烧器工作时，需要从外部引入3路消烟蒸汽，第1路为从火炬头下部梅花喷嘴引入的中心引射蒸汽，第2路为通过中心管引入火炬燃烧器中心的中心蒸汽，第3路为通过火炬燃烧器上部环管喷嘴引入的上部环管蒸汽。

图2 梅花喷嘴式火炬头结构示图

这3路消烟蒸汽具有不同的功能和作用。其中，梅花喷嘴与引射管下部喇叭口配合形成喷射泵效应，蒸汽高速喷射将其周围大量空气通过引射管引射到火炬头的高温燃烧区域，有效缩短了火焰长度并可将火焰托高并降低火炬燃烧器顶部的温度。中心蒸汽通过中心管将蒸汽引入火炬燃烧器中心，与排放气均匀混合，降低排放气内的碳氢化合物浓度，可避免排放气分解析碳形成黑烟，并对火炬燃烧器顶部起到冷却保护作用。上部环管蒸汽通过火炬燃烧器上部蒸汽喷嘴引入火炬, 蒸汽喷嘴射流与火炬头中心线形成一定螺旋夹角,蒸汽卷吸周围空气与排放气充分混合并参与燃烧,可达到无烟燃烧的目的[5]。

3 火炬燃烧器超温原因分析

3.1 消烟蒸汽压力偏低

按照火炬最大排放量的12%计算消烟蒸汽需求，大约需要压力0.8～1.0 MPa、温度大于200 ℃、质量流量约20 t/h的消烟蒸汽供给[6]。改造前火炬燃烧器消烟蒸汽采用低压蒸汽，其压力指标0.3～0.6 MPa。由于火炬装置处于蒸汽用户末端，当冬季蒸汽消耗量大时，至火炬系统的管网压力还会更低，有时低至仅0.2 MPa。消烟蒸汽供应长期不能满足正常的消烟及冷却需求，导致火炬在放散量大的情况下冒黑烟，加之中心引射蒸汽对火焰的托举高度不够，造成火炬燃烧器超温。

3.2 消烟蒸汽供给滞后

2004年火炬系统经过改造实现了自动点火。自动点火系统由1套独立的PLC控制系统和操作盘组成，在正常运行过程中处于自动监控状态，当火炬管网压力不低于8 kPa或排放气体积流量不小于1 000 m3/h时，控制系统指令点火系统开始工作，流程画面显示点火报警并有铃声，同时打开天然气管线上的2个电磁阀，点火器点燃并引燃主火炬。

在紧急放空时，自动点火系统可以在10 s内引燃主火炬。然而备用蒸汽系统的投用往往需要很长时间，甚至在紧急投用过程中还发生过水锤现象，这种消烟蒸汽供应的滞后导致火炬管网排放的气体干烧火炬头，引起火炬头超温[7]。

3.3 蒸汽系统维护管理不当

追溯消烟蒸汽的非正常供给原因，发现在蒸汽系统备用过程中存在保温效果差和阀门调控不当问题。针对蒸汽管网保温效果差的问题，选取低压蒸汽管网4个截面分析热损，结果见表1。

表1 低压蒸汽管网保温测试及保温效果分析

表1中表面温度测试值为4次测量的平均值，数据测量时介质温度和环境温度分别为150 ℃ 和25.2 ℃。

从表1可以看出，所选管网4个截面的热流密度均远高于《设备及管道绝热效果的测试与评价》[8]中规定的允许最大热流密度104 W/m2，因此均判定为保温不合格。保温不合格会造成蒸汽供应的压力和温度不达标，而且还会在管网内产生大量凝液。当滞留的冷凝液量超过蒸汽管网疏水设施的排放能力时，就会发生紧急投用过程中的水锤现象[9]。另外，蒸汽系统远程蒸汽调节阀内漏，调节阀后管道内积存凝液，为避免内漏关闭了调节阀的上、下游手动阀，也是造成在紧急排放过程中蒸汽投用不及时的原因。

3.4 中心引射蒸汽喷嘴堵塞

火炬燃烧器设计梅花喷嘴共9只，其中3只发生了不同程度的堵塞。图3为从现场拆检下来的1只梅花喷嘴，其近半流道空间已为焊渣、焊条等杂物封堵。蒸汽通过堵塞的梅花喷嘴时，会因为流道阻塞发出间断性的低吼声而使火炬产生的噪声加大。同时流道堵塞会导致引射蒸汽的供给量不足，通过引射管被送到火炬燃烧器顶部高温区的空气量亦会严重不足，不仅不能有效缩短火焰和有效抬升火焰高度，而且还容易造成气体在燃烧过程中冒黑烟及火炬燃烧器超温。

图3 严重堵塞的梅花喷嘴

当梅花喷嘴堵塞严重时，各中心引射蒸汽管内的压力会失去平衡，同时会引发被堵塞的蒸汽引射管内压力低、流度低等异常情况，甚至火炬燃烧器局部回火(图4)[10]。回火致使整个火炬燃烧器陷入一片火海，严重影响火炬的安全运行。

火炬系统回火通常是由于排放可燃气体中氧含量超标，同时排放气体的流动速度低于火焰的燃烧速度，火焰沿着气体排放的反方向传播，致使排放气在火炬筒体或火炬系统主干线内燃烧，造成火炬或系统主管发生爆炸[11]。分析认为，由于引射管内蒸汽和空气混合后的流动速度低于火焰燃烧速度，燃烧的火焰发生倒窜[12]，火焰自火炬燃烧器顶沿着蒸汽引射管倒窜至下部盆式消音器处，并在消音器处燃烧，形成一个小范围的回火。

图4 火炬燃烧器回火现场

4 火炬燃烧器超温改进措施

(1)重新配置1条中压蒸汽管线，提高消烟蒸汽压力。经核算，在不影响火炬塔架安全、稳定的前提下，配置1条管径Ø219 mm、压力等级2.0 MPa的蒸汽管线，以提高消烟蒸汽压力及供给量，使蒸汽品质满足火炬燃烧器消烟和冷却需求。

(2)做好蒸汽系统备用时的冷凝液排放。根据蒸汽管网热损失检测结果，更换、修复热损失超标严重的保温结构[13]。定期检测蒸汽管网热损失，及时更换、修复不合格保温结构，减少备用蒸汽系统的凝液量。沿途增加疏水器数量，保障凝液能够顺利排出[14]。修理蒸汽调节阀，消除阀门内漏，保证备用状态下调节阀上、下游阀门处于全开状态。通过DCS远程控制调节阀，保证蒸汽的及时供给。在调节阀后管线上增加排凝阀，岗位职责增加冷凝液定期排放要求，每班检查管线内积液状况，排出凝液并做好记录。

(3)定期检查梅花喷嘴堵塞情况。将中心引射蒸汽梅花喷嘴的清理和检查列入火炬系统大检修必检项目，将逐个清理引射蒸汽梅花喷嘴作为每次大检修重点检查内容，堵塞严重无法清理的喷嘴予以更换。当针对蒸汽管网的焊接施工修理作业完成后，要在管网投用前进行吹扫，将进入主蒸汽管网的杂质吹扫干净，避免投用后堵塞梅花喷嘴。

5 结语

大检修期间利用400 t吊车，对125 m高、损坏严重的火炬燃烧器进行了更换[15]，采用文中措施消除了燃烧器在运行过程中的超温故障。为准确掌握火炬在燃烧过程中的温度变化，后期准备在火炬燃烧器上增设热电偶，实时监控火炬燃烧器温度，及时调整蒸汽量，避免火炬燃烧器超温。