高架火炬热辐射及其影响区域的分析计算

张 鹰，吴如凡

(南京金凌石化工程设计有限公司，南京 210042)

某石化企业正常生产时可回收的可燃性气体量约15 000 Nm3/h，由现有的1座30 000 m3湿式气柜进行回收利用，进气柜回收的可燃性气体经2台7 000 Nm3/h压缩机送至脱硫装置脱硫后补充至全厂燃料气管网。湿式气柜和压缩机自建成后已运行20余年，气柜柜体腐蚀较严重，压缩机长期满负荷连续运行无备用。近年来，气柜检修频繁，且在其检修期间无法对全厂可燃性气体进行回收利用，需通过火炬燃烧后排放，造成了一定的经济损失和较严重的环境污染，因此需新建1座气柜及配套设施，解决目前气柜检修造成的经济损失和环境污染问题。新建气柜选用卷帘型橡胶膜密闭干式气柜，容积300 00 m3，新建3台7 000 Nm3/h单级螺杆压缩机。新建压缩机厂棚距东侧炼油火炬约135 m，新建气柜距东侧炼油火炬约150 m。

1 分析计算

关于火炬系统设计的规范较多，常见的有《HG/T 20570.12-95工艺系统工程设计技术规定-火炬系统设置》《SH 3009-2013石油化工可燃性气体排放系统设计规范》；国外主要的规范是《API521 Pressure-relieving and Depressuring Systems》。SH 3009在石油化工设计领域使用较多、应用较广，故以此规范为参照。

高架火炬不论是正常燃烧工况，还是事故排放工况，都可以简化为火焰中心这一点热源对一定距离接收点的热辐射值，需计算火焰产生的热量[1]：

Qf=2.78×10-4Hyqm

(1)

本研究中，火炬事故最大排放量为940 t/h，排放的气体组分为氢气(33%)、丙烷(29%)、正丁烷(38%)，可计算出Q约为1.24×107kW。

计算火焰长度。事故泄放时，火炬头出口气体马赫数大于0.2：

Lf=118×Dft

(2)

将火炬出口直径带入，得出火焰长度L约为142 m。当出口气体马赫数低于0.2时，火焰长度与气体的流速成正比；当出口气体马赫数大于0.2时，火焰长度为一定值，不随气体流速变化。

对于火焰长度的研究，主要集中在20世纪中后期。G.R.KENT 通过小直径管道在静止的空气中对火焰长度进行实验，得出“马赫数 ≥0.2 时，火焰长度是固定的，并约等于气体出口直径的118 倍”的结论，即公式(2)的由来。HONDA T.J.、T.A.BRZUSTOWSKI/E.C.SOMMER、Schwanecke R.对于火焰长度也提出了不同的看法，有的认为火焰长度与马赫数相关，有的认为火焰长度与燃烧热量相关。其中运用较广的是T.A.BRZUSTOWSKI/E.C.SOMMER提出的混合喷射模型，在计算火焰中心时，引入了爆炸极限这个参数，这一模型被API 521采纳为精简算法[2]。

尽管计算火炬燃烧模型众多，但还是无法准确预测火炬长度。通过大量的实验比对，T.A.Brizustowski/E.C.Sommer及G.R.Kent 的计算方法被认为是可以接受的,但前者的计算方法因为引入了爆炸极限的概念，需要知道燃烧气体的具体组成，对于工程计算的便利性会有一定的影响。

确定火焰长度后，结合现有的火炬塔架高度及相应的接收点坐标，求得对应接收点的辐射强度：

(3)

式(3)涉及风速对火焰中心的影响参数Xc和Yc，根据空气与排放气的动量比值E及火焰长度L查表得到。将空气及排放气的相关参数带入，计算得到E约为0.001 2，进一步查表得到Xc约为12 m、Yc约为46 m。

关于火焰中心的确定方法也有较多。G.R.Kent认为，无风时火炬的火焰中心约在火焰长度的下1/3处，T.A.Brizustowski /E.C.Sommer 则把火焰在侧向风作用下形状中心曲线的中点定义为火焰的中心点。SH 3009采用 G.R.Kent 的火焰长度计算方法，结合伊万诺夫射流轨迹方程，确定火焰中心点[3]。

根据热辐射系数反推出接收点的K值，其中辐射热系数的计算方法如下：

(4)

将排放气的热值、空气湿度及火焰中心到接收点的距离带入(4)，得到热辐射系数约为0.129，根据式(3)推算新建气柜计算点热辐射强度约为2.62 kW/m2，新建压缩机棚计算点热辐射强度约为2.87 kW/m2，满足规范要求。

开放环境下火炬的热辐射系数无法通过理论计算得到。大量的实验研究得出，热辐射系数的取值范围大概在0.1～0.5。SH 3009结合大量文献研究与实践经验，给出了热辐射系数计算式(4)。这是一个经验公式，式中以C4以上重组分、C3(丙烷)、甲烷及氢气为混合气模型，分别结合各自的热辐射系数(0.1～0.3)，考虑低发热值，把空气的吸热也计算在内，更适合于工程应用。

在所有的环境因素中，风速对于火焰的影响最大。不同强度的风会对火焰形状和空气对流产生影响，当风速大到一定程度时，接收点的受热情况需考虑辐射-对流联合传热。SH 3009基于大量文献研究，把8.9 m/s作为风速取值的标准。

2 利用Flaresim复核计算结果

Flaresim是一款评估火炬系统的热辐射及火炬扰动的软件程序，不仅可以估算火炬系统周围热辐射温度分布，还能分析具有多火炬堆栈的多火炬口的复杂系统设计，管道火炬、音速火炬及液体燃烧炉可以通过使用一系列设计法则来建模。

输入流体组分，Flaresim自带部分介质的物性包，当排放气组分较为复杂时，计算混合气的热值及爆炸极限较为准确。

表1 流体组成Tab.1 Fluid properties

输入环境参数及火炬参数，主要涉及风速、风向，环境温度、压力、湿度，火炬筒体的高度、火炬头的直径等。

表2 结果Tab.2 Tip results

从表2可以看出，火焰热量Q与式(1)计算结果一致，但是火焰长度软件计算为126 m。火焰的3D视图如图1所示：

图1 火焰3D视图Fig.1 Flame 3D view

可以得到接受点的辐射热分别为3.213 kW/m2、2.995 kW/m2，接收点15 min内的温升如图2所示。

还可以得到火炬的热影响区域，其中辐射热分别为1.58 kW/m2、3.2 kW/m2、4.73 kW/m2，对应的影响半径为302.6 m、154.6 m及N/A。最大的辐射热在距火炬中心南侧约24 m处，辐射热为4.495 kW/m2。辐射热分布云图如图3所示：

图2 接收点15 min内温度随时间变化曲线Fig.2 Curve of temperature as a function of time within 15 min at the receiving point

图3 辐射热分布云图Fig.3 Cloud diagram of radiant heat distribution

3 分析与结论

运用SH 3009计算某石化企业新建可燃气体回收设施的辐射热，并用Flaresim软件进行复核，得出结论如下：火炬热辐射的相关计算主要受火焰中心及热辐射系数这两个关键参数的影响，由于燃烧本身受到燃烧介质、燃烧环境等因素的影响，导致火炬热辐射的计算结果由于模型的选取不同而千差万别。SH 3009关于火炬热辐射的相关计算主要基于KENT等人的理论，而Flaresim集成了KENT、API及Brizustowski等的理论，同时也提供了一套算法。本例选取Brizustowski计算模型，相同工况下得出的热辐射值较SH 3009大，结果较保守。