高架火炬燃烧热辐射危害性分析*

李发东，刘 迪，张杰东

（1.中国石化集团公司安全监管部，北京 100728 2.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104）

0 前言

大型石化装置的放空火炬系统主要作用是将生产装置试车、开停车或者事故状态时泄放出的大量废气进行燃烧处理，从而保证石化生产装置的安全。事故工况下特别是全厂性停水或者停电事故造成多套装置紧急泄放大量气体，火炬燃烧产生的辐射热可能会对周围的操作人员、设备以及工艺装置带来严重的损害，因此评估分析事故状态下放空火炬燃烧热辐射危害后果十分重要。

为了研究事故工况下化工企业火炬系统排放热辐射的影响范围，以某石化企业的高架火炬系统全厂停电工况为例，采用计算流体力学模型得到改造前后火炬系统排放时的热辐射云图、确定热辐射的危害影响范围，对企业火炬系统的改造及火炬系统安全距离的确定具有指导意义。

1 高架火炬系统概况

该石化企业火炬系统经过多次改造，目前有一、二、三聚丙烯装置、一、二苯酚装置、己烷装置、异戊橡胶装置、丙烯罐区等多套装置火炬气排放进该火炬系统。火炬系统按轻组分设计，最大事故处理能力为120 t/h，火炬全高约65 m，由底部密封槽、筒体、密封槽、阻火器、燃烧嘴构成。

对目前火炬泄放量进行核算，可知全厂停电事故引起的装置火炬气排放量为火炬最大排放量，达到156.9 t/h。而根据现有火炬排放能力数据，按丙烯气(密度1.913 6 kg/m)核算，火炬气原设计排放质量流量为120 t/h，小于核算最大排放量156.9 t/h。

根据最大排放量156.9 t/h对水封罐、火炬头情况进行核算，核算结果如表1所示，现有水封罐结构尺寸以及火炬头气体流量不满足新的火炬排放量要求，均需要更换。

表1 火炬系统设备核算情况对比

2 CFD模拟计算模型

2.1 物理模型

依据实际情况建立了该石化企业高架火炬系统的三维物理模型，包括火炬(火炬高度65 m、火炬喷嘴中心对应地面位置处为坐标(0，0，0)点)、火炬气水封罐、火炬气管道、火炬东南部煤仓等，企业火炬系统位于山头地势较高处、周边相对空旷，如图1所示。

图1 企业高架火炬三维模型

2.2 计算模型

当发生事故排放时，大量泄放气通过高架火炬的燃烧器放空，属于湍流流动。为了描述湍流，采用工程中应用广泛的k-ε双方程模型。燃烧模型采用Magnussen提出的涡耗散概念模型(Eddy Dissipation Concept)，即被广泛应用与燃烧模拟中的EDC模型。热辐射计算采用Shah和Lockwood提出的离散传递模型(Discrete Transfer model)，即DTM模型。

以企业火炬系统中心对应地面为坐标原点(0，0，0)，计算域取值

X

坐标取-400～400 m；

Y

坐标取-400～400 m；

Z

坐标取0～500 m，计算采用六面体网格，在高架火炬系统燃烧器喷嘴附近对网格进行加密，在远离燃烧区域的地方拉伸网格。

2.3 计算参数设置

根据火炬各装置最大排放量统计情况可知，火炬气主要来自一聚、二聚、三聚装置，故火炬气组分取丙烯进行计算。企业所处地区年平均风速为1.9 m/s，主导风向为SSW风，年平均气温11.6℃，故火炬改造前后的具体模拟参数如表2所示。

表2 火炬气泄放设置参数

3 火炬系统燃烧热辐射计算结果

3.1 改造前热辐射分析

目前全厂停电事故引起的装置火炬气最大排放量为156.9 t/h。因而火炬气泄放量156.9 t/h条件下取风向SSW、年平均风速1.9 m/s、环境温度11.6℃进行模拟，得到该化工企业高架火炬改造前的火焰高度及燃烧场结果，如图2所示。

图2 全厂停电工况下火炬燃烧火焰高度

采用1 200 K等值面作为火焰轮廓来确定火焰高度，得到目前全厂停电事故引起的装置火炬气排放量为156.9 t/h、风向SSW、风速1.9 m/s、环境温度11.6℃时高架火炬燃烧的火焰长度约为66 m，由于受到风向的影响火炬燃烧火焰下风向偏向地面。

SH3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》中对于火炬热辐射的要求见表3。

表3 SH3009关于火炬系统最大运行热辐射值的规定

根据图3火炬燃烧热辐射场模拟结果可以看出风向导致高架火炬下风向火焰向地面处靠拢，因而火焰上风向热辐射影响范围较大。在全厂停电事故引起的装置火炬气最大排放量156.9 t/h时，1.58 kW/m的落地影响范围约为距离火炬180 m处，该范围内不存在厂外居民区、公共福利设施、村庄等公众人员活动区域，因而不产生影响。而热辐射2.33～9.0 kW/m的影响范围在

Z

=10 m到

Z

=50 m以上(火炬所在地面为

Z

=0)，企业高架火炬位于山头海拔较高位置，周边空旷、没有较高构筑物，因而该范围内热辐射不会对周边设备及人员产生影响。

图3 全厂停电工况下火炬燃烧热辐射场

3.2 改造后热辐射分析

改造后火炬头尺寸为DN800，全厂停电工况下火炬气泄放量156.9 t/h、取风向SSW、风速1.9 m/s、环境温度11.6℃进行模拟，得到企业火炬系统改造后高架火炬火焰高度及燃烧场结果，见图4所示。

图4 全厂停电工况下火炬燃烧火焰高度

采用1 200 K等值面作为火焰轮廓来确定火焰高度，得到全厂停电事故引起的装置火炬气排放量为156.9 t/h、火炬头泄放孔径DN800、风向SSW、风速1.9 m/s、环境温度11.6℃时高架火炬燃烧的火焰高度约为57 m。

由改造前后火炬气排放量为156.9 t/h工况下的热辐射计算结果(图5)可以看出，改造更换火炬头后火炬燃烧热辐射影响范围略有减小。改造后1.58 kW/m的落地影响范围约为距离火炬135 m处，该范围内不存在厂外居民区、公共福利设施、村庄等公众人员活动区域，因而不产生影响。热辐射值2.33～9.0 kW/m的影响范围在

Z

=15 m到

Z

=55 m以上(火炬所在地面为

Z

=0 m)，企业高架火炬位于山头海拔较高位置，周边空旷没有较高构筑物，故热辐射不会对周边设备及人员产生影响。

图5 全厂停电工况下火炬燃烧热辐射场

4 结论

a)火炬系统改造后燃烧热辐射影响范围略有降低，改造前1.58 kW/m的落地影响范围约为距离火炬180 m处，热辐射2.33～9.0 kW/m的影响范围在

Z

=10 m到

Z

=50 m以上；改造后1.58 kW/m的落地影响范围约为距离火炬135 m处，热辐射值2.33～9.0 kW/m的影响范围在

Z

=15 m到Z=55 m以上。

b)利用CFD模拟的方法可以精准地计算火炬燃烧热辐射危害影响范围，可用于高架火炬系统高度设计、间距布置以及确定高架火炬系统与周边设施和人员集中场所的合理安全间距。