穆天龙， 王文平， 路广英

(山西省城乡规划设计研究院，山西太原030001)

1 概述

可燃性气体排放系统作为石油化工企业的安全与环保设施，用于处理各工艺装置及辅助设施开停车、事故和紧急状况下排放的可燃性气体，对确保装置安全生产和环境保护起着至关重要的作用[1-2]。

可燃性气体排放系统的主要作用如下：

① 安全输送和燃烧处理装置正常生产情况下排放的可燃易爆气体；

② 处理装置试车、开车、停车时产生的易燃易爆气体；

③ 作为装置紧急事故停车时的安全措施。

2 可燃性气体排放系统分类

可燃性气体排放系统的分类有多种，根据燃烧特性可分为有烟火炬、无烟火炬和吸热火炬；根据支撑结构可分为高架火炬和地面火炬。本文以高架火炬为例进行探讨。

高架火炬采用直立的火炬筒体将火炬头固定在高空中，可燃性气体通过火炬筒体进入火炬头，燃烧后的高温烟气直接进入空气中，随气流扩散，以降低辐射强度和有助于燃烧后气体的扩散[3]。

高架火炬由自控系统、点火系统、钢结构支撑以及一个直立上升的筒体和地面设备组成。火焰远离地面，在顶端远程自动点火燃烧。高架火炬可调整火炬筒体的高度，为5 ～200 m。火炬头配有长明灯，长明灯经点火器点燃后将一直燃烧，当排放气到达火炬头时，立即被长明灯点燃。

根据火炬筒体的支撑型式，高架火炬又分为拉索式、自支撑式和塔架式。根据美国石油协会规范API STD 537-2017《石油、石化和天然气工业火炬详细规范》(Flare Details for Petroleum,Petrochemical,and Natural Gas Industries)第A.1.2条，3种常见的高架火炬支撑方式见图1。

3 空气助燃型可燃性气体排放系统

3.1 空气助燃型可燃性气体排放系统原理

火炬头处的燃烧均属于扩散式燃烧。大多数可燃性气体中含有重烃类有机物，燃烧过程不充分，容易形成炭黑颗粒，造成冒烟现象。具有冒烟倾向的可燃性气体排放系统的消烟方式主要有蒸汽助燃型和空气助燃型。

蒸汽助燃型是将消烟蒸汽喷射到可燃性气体中，利用高压喷射的水蒸气引射周围空气，并将其均匀分布在火炬头的主燃烧区，同时水蒸气与燃烧产生的炭黑颗粒发生水煤气反应，生成的一氧化碳和氢气继续参与燃烧，最终生成二氧化碳和水蒸气，从而使得燃烧更充分，避免炭黑颗粒的形成，达到消烟的目的。

图1 高架火炬支撑方式

空气助燃型可燃性气体排放系统适用于可燃性气体压力低且缺乏蒸汽的地方，该系统使用鼓风机将空气鼓入火炬头，以促进可燃性气体与空气充分混合并保持燃烧稳定。一般来说，鼓风机只提供无烟操作所需的小部分助燃空气，通常将化学计量空气需求的15%～50 %助燃空气输送到火焰中，燃烧所需的剩余空气沿火焰长度方向从周围环境中直接被卷吸到火焰中。

3.2 空气助燃型可燃性气体排放系统组成

空气助燃型可燃性气体排放系统流程见图2(图2中的编号表示系统水力计算各组成部分的节点，详见第4.6节)，主要由可燃性气体排放管道、分液罐、水封罐、火炬筒体、空气助燃型火炬头、长明灯燃气管道、吹扫气体管道和鼓风机等组成。

图2 空气助燃型可燃性气体排放系统流程

3.2.1 可燃性气体排放管道

可燃性气体排放管道将装置排放的可燃性气体安全输送到火炬头进行燃烧处理，是可燃性气体排放系统的重要组成部分，一般是指从装置接口到分液罐入口、分液罐到水封罐、水封罐到火炬筒体的连接管道。

3.2.2 分液罐

分液罐是可燃性气体排放系统中用于分离和储存液体的容器，其作用是移除可燃性气体中的液体、固体，减少可燃性气体中的凝液量，以免液滴被夹带到火炬头造成下火雨。这样有利于可燃性气体排放系统安全运行，保证火炬安全。分液罐按照型式可分为卧式罐和立式罐，其型式的选择取决于经济成本[4]。

3.2.3 水封罐

水封罐一般设在分液罐和火炬筒体之间，防止发生事故时，火炬头回火窜流到上游分液罐等设备，对上游设备起保护作用。可燃性气体中一般含有少量重烃类有机物，水封罐中间的挡板可以在左侧水溢流到右侧的过程中，撇除水面上积聚的凝结液，在保证水封罐水洁净的同时，减少排水和补水量。

防止回火指通过吹扫气体，防止火焰回流到火炬筒体。如图2所示，吹扫气体(通常采用氮气)从水封罐顶部管口接入可燃性气体排放系统，吹扫气体和可燃性气体在水封罐内混合，进入火炬筒体、火炬头。吹扫气体量保证火炬头与大气接触处的出口流速大于安全流速，防止燃烧时回火。另外，吹扫气体一直运行，还可以在可燃性气体排放前或系统运行间歇时，保证系统内充满氮气并保持正压，防止周围大气渗入可燃性气体排放系统，从而对系统起到保护作用。

阻火指火炬筒体回火时，通过采用阻火措施，阻止火焰回窜到上游设备。阻火的措施有采用水封罐和阻火器两种方式。可燃性气体排放系统阻火和防止回火的措施宜采用水封罐加注入吹扫气体的方法，不宜使用阻火器加注入吹扫气体的方法。这是因为，阻火器内网状结构容易被可燃性气体中杂质堵塞，需要经常更换，若更换不及时，系统容易造成局部压力过高，造成爆炸事故。而水封罐靠罐内液位和水封罐入口插入液位下的立管高度来阻止火炬头回火时，燃烧爆炸性气体窜流到分液罐等上游设备，从而起到水封的作用。同时在火炬头燃烧前，对水封罐上游可燃性气体排放系统中的气体进行压力储备，即控制水封罐前端气体在达到一定压力前不能突破水封，将气体阻止在上游设备间。具体地讲，水封罐的主要作用为以下两项。

① 阻断回火，保护上游管道和设备。火炬头部分回火爆炸时，通过水封作用，阻止气体窜流到上游，可以防止上游可燃性气体排放管道及其连接的设备被破坏，且水封罐设置的位置越靠近火炬筒体，回火爆炸对系统造成破坏的范围越小[2]。

② 提供可燃性气体回收设施所需的管道压力。可燃性气体排放系统设有回收设施时，回收设施设置在水封罐上游，其管道从图2中管段2接入，通过控制水封高度，对水封罐上游可燃性气体管段2、管段3等部分进行压力储备。例如，炼油厂设有可燃性气体回收设施(如储气罐)时，可通过调整水封罐水封高度，保证可燃性气体回收设施所需压力，从而提供可燃性气体回收系统所需的气体流动动力[5]。

3.2.4 火炬筒体

火炬筒体在结构上分为内筒和外筒，内筒为可燃性气体流道，外筒和内筒构成的环形空间为空气流道。内筒和外筒为同轴布置，内筒和外筒之间设有若干支撑和连接机构。可燃性气体通过内筒输送到火炬头，鼓入的空气由内外筒组成的环形通道输送到火炬头。

3.2.5 空气助燃型火炬头

空气助燃型火炬头原理见图3。

图3 空气助燃型火炬头原理

空气助燃型火炬头在结构上分为内筒和外筒两层，内筒为可燃性气体流道，内外筒组成的环形通道为助燃空气流道。可燃性气体从内筒下部进入，经过速度密封器和内筒上部沿圆周均布的多个可燃性气体出口，然后进入若干盒状稳压槽，接着通过顶部密布的火孔均匀喷出，进入大气。盒状稳压槽布置在内筒和外筒之间的环形通道内，空气被这些盒状稳压槽和外筒组成的空间分割成若干流束，有利于空气和可燃性气体充分混合，同时可以利用空气托高火焰，使得火焰悬浮在火炬头上方一定距离，降低燃烧对火炬头的热辐射强度,有效延长火炬头使用寿命。盒状稳压槽顶部密布的多排火孔可利用可燃性气体自身的能量，将大股可燃性气体分成多股小流量可燃性气体，增加可燃性气体和空气的接触面积。同时小孔的设置使多股可燃性气体对撞冲击、射流相交，增强可燃性气体和空气的混合效果，对火炬头的燃烧起促进作用[6]。

3.2.6 速度密封器

速度密封器安装在火炬头下部靠近入口法兰处，属于火炬头的一部分。速度密封器是通过减小局部面积及改变空气渗入流向的方法，使得用于防止空气由火炬头渗入的吹扫气体量减至最少的一种干气密封。速度密封器结构原理见图4，图4中火炬头顶部长度未按照实际尺寸比例绘制。

图4 速度密封器结构原理

速度密封器主要由几排锥形折流挡板组成。火炬头分为火炬头底部、速度密封器和火炬头顶部3部分。当环境空气沿火炬头顶部内壁进入时，由于锥形折流挡板的作用，环境空气逐渐改变方向，逆行流动回退至速度密封器的顶部。同时带压的吹扫气体由火炬头下部流动至速度密封器处，随着进入速度密封器中相对小的位置，吹扫气体的流动速度也随着增至最大，最终到达速度密封器的顶部喷射而出。这样，较高速度的吹扫气体依靠引射作用，将不断挟带着进入速度密封器顶部的空气回喷至火炬头顶部并进入大气中，从而达到防止回火的目的。

速度密封器主要在火炬头停止燃烧时起作用，在防止回火的同时减少吹扫气体的量。

4 应用实例

4.1 可燃性气体组成

某气田的可燃性气体流量为1.2×104m3/d，密度为1.06 kg/m3，安全阀出口的平均泄放温度为65 ℃，安全阀设定背压为15 kPa，可燃性气体组成见表1。这些可燃性气体经过可燃性气体排放管道输送，依次经过分液罐、水封罐、火炬筒体，最后经过空气助燃型火炬头燃烧后排放。

表1 可燃性气体组成

4.2 系统配置

根据规范SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》(以下简称SH 3009—2013)第7～9章，该气田采用空气助燃型可燃性气体排放系统，其基本配置如下：

自支撑式高架火炬：高度25 m。

火炬头：DN 300 mm空气助燃消烟型火炬头，高度5 m。

火炬筒体：内筒DN 300 mm输送可燃性气体，外筒DN 400 mm，环形通道输送空气，高度20 m。

卧式水封罐： DN 1 200 mm，总长3 m。

卧式分液罐： DN 1 200 mm，总长3 m。

长明灯：2支。

防回火措施：氮气吹扫+水封罐。

点火系统：高压电点火装置和地面内传焰点火装置。地面内传焰点火是指在一定压力下，燃料气和仪表风在地面点火盘中混合后点燃，火焰沿着管道内壁向上传播，从而点燃火炬。

4.3 火炬高度

根据规范SH 3009—2013第9.1节，高架火炬的高度依据人或者设备允许的热辐射强度计算得到，本文中热辐射强度是指接受体(地面)单位面积所接受的热辐射热流量。计算火炬高度时，火炬筒体地面处允许的热辐射强度(含太阳辐射)应小于等于1.58 kW/m2。

根据规范SH 3009—2013第9.3节的计算方法，利用Flaresim 5.0软件，对火炬高度取整[7]，最终火炬高度确定为25 m。

4.3.1 软件输入条件

Flaresim 5.0是国内计算火炬燃烧热辐射强度的软件，输入条件如下：

气象参数：环境温度为15.56 ℃；空气平均相对湿度为66.2 %；年平均风速为8.6 m/s。

太阳的热辐射强度：0.9 kW/m2。

可燃性气体物性参数：见第4.1节。

可燃性气体排放系统参数：见第4.2节。

吹扫气体流量：5.0 m3/h。

4.3.2 软件计算结果

火炬热辐射计算图见图5。

图5 火炬热辐射计算图

图5中，坐标系是以火炬筒体中心线和火焰中心线所构成的平面建立的，横坐标零点为火炬筒体中心线与地面的交点，横坐标地面距离表示坐标系所在平面内的点在地面上的投影点到横坐标零点的距离，其中负值表示与风向相反方向的距离；纵坐标标高是以火炬筒体中心线与地面的交点所在地面为基准面的物体在垂直方向的高度，而火炬装置所在地面可以看作水平面，其标高为0；黑色直线代表高架火炬筒体及火炬头的中心线，红色斜线代表在风吹作用下倾斜的火焰的中心线；K为热辐射强度。以火焰中心为圆点，不同辐射强度对应的范围详见图5中彩色圆。例如，火焰中心的坐标约为(5.5 m，29.0 m)，指火焰中心正下方地面到火炬筒体中心线的距离为5.5 m，火焰中心距地面的标高为29.0 m，可看出在风速作用下火焰中心偏离筒体约5.5 m。火焰中心正下方地面的点在蓝色圆外，该点热辐射强度在图5中可近似查得为1.06 kW/m2，按图5查询所得到的热辐射强度包含了太阳热辐射强度。该图中平面上其余任意点热辐射强度的查询方法类似。

4.3.3 计算结果校核

根据规范SH 3009—2013第9.3.4条，对Flaresim 5.0软件计算结果进行校核，热辐射强度按照如下公式计算，其中公式(1)计算结果不包含太阳热辐射强度。

(1)

(2)

式中K——热辐射强度，kW/m2

ε——热辐射系数

Фf——火焰产生的热流量，kW

dR——火焰中心至受热点的距离，m

Hi——排放气体的低热值，kJ/m3

RH——空气平均相对湿度，%，已知值，为66.2%

根据气体组成和流量计算，可得Фf为5 014 kW。本次研究对象为火焰中心对地面最大热辐射强度的点，该点位于火焰中心对地面的投影所对应的点，根据已知条件，该点dR为29 m。根据气体组成计算，可得Hi为36 132 kJ/m3。

根据公式(1)计算得到火焰的热辐射强度为0.064 kW/m2，已知当地的太阳热辐射强度为0.9 kW/m2，两者相加可得总热辐射强度为0.964 kW/m2。软件计算结果所近似查到的热辐射强度为1.06 kW/m2。可见，公式计算结果与软件计算结果基本吻合，且都满足规范SH 3009—2013规定的热辐射强度小于1.58 kW/m2的要求。

该气田可燃性气体主要组分为碳氢化合物，燃烧后的产物基本为二氧化碳和水蒸气，不涉及到有毒气体，故火炬高度不需要污染物浓度的校核。

4.4 火炬头

该可燃性气体组成中含有一定比例的重烃类有机物，且可燃性气体压力较低，上游安全阀设定背压只有15 kPa，火炬头有冒烟的倾向。该气田缺乏蒸汽，根据上文的描述，采用空气助燃消烟方式。

火炬头采用图3所示的型式，由鼓风机鼓入的空气提供化学计量比燃烧所需15%～50 %的空气，其余空气由周围环境提供，从而达到消烟的目的。

为了防止回火，采用水封罐加注入吹扫气体的方法。速度密封器安装在火炬头下半部，靠近火炬头入口法兰处。

吹扫气体流量设计时需要考虑2个因素：安全流速和吹扫时间。根据SH 3009—2013第9.5.6条，当火炬采用速度密封器时，吹扫气体的安全流速应不小于0.012 m/s。在实际工程中，当火炬停止运行时，吹扫气体在一定时间内应该能够将管段1及火炬筒体吹扫干净，根据工程设计经验，大多数工程设计吹扫时间大约为30 min。本文在设计计算中综合考虑了安全流速和吹扫时间两个因素，并满足上述两方面的要求，吹扫气体流量取5.0 m3/h。

4.5 火炬筒体和助燃风机

根据可燃性气体的组成计算所得化学计量比燃烧空气量约为4 712 m3/h，考虑30 %的化学计量比燃烧空气量和在此基础上10%的富裕量，并取整，选择助燃风机的额定风量为1 600 m3/h。

火炬筒体规格选择内筒DN 300 mm，外筒DN 400 mm，其风机进口管道、火炬筒体环形空气流道和火炬头空气出口压力降(火炬供货商反馈火炬头设计工况下空气的压力降为450 Pa)约为650 Pa，考虑20 %的富裕量并取整，选择助燃风机的额定风压为800 Pa。

根据工艺计算结果，选择一台额定风压为800 Pa，额定风量为1 600 m3/h的变频轴流风机，为可燃性气体提供30%的化学计量比燃烧空气量，达到消烟的目的。

在运行过程中，根据可燃性气体的压力或流量调节轴流风机的频率，实现火炬的无烟运行。

4.6 系统水力计算

根据规范SH 3009—2013第3.2节，背压是指排放系统内的阻力导致的压力泄放装置出口的压力，该系统的背压为图2中的管道入口(即节点7)处的压力。计算的背压应小于安全阀设定背压，否则会造成泄放装置前压力过大，带来安全隐患。

根据规范SH 3009—2013第7.1.1条，应从火炬头开始反算全厂可燃性气体排放管道的排放背压。将空气助燃型可燃性气体排放系统各组成部分进行编号(如图2所示)。

已知条件：火炬头设计工况下可燃性气体的压力降为1.95 kPa(由火炬头供货商提供)，火炬头高度为5 m，筒体高度为20 m，筒体内直径为300 mm。管段1为水封罐到火炬筒体之间的可燃性气体排放管道，长度为6 m，内直径为300 mm。水封罐和分液罐在设计工况下的压力降分别为4.25 kPa和0.31 kPa(由火炬设备供货商提供)。管道2为分液罐和水封罐之间的可燃性气体排放管道，长度为2.5 m，内直径为300 mm。管道3为安全阀出口到分液罐入口之间的可燃性气体排放管道，长度为500 m，内直径为300 mm。

根据以上已知条件，经计算，可燃性气体排放系统水力计算结果见表2。

表2 可燃性气体排放系统水力计算结果

由以上计算结果得出，在设计工况下，从火炬头出口压力为0 kPa开始反算到可燃性排放气体接口处的压力为10.03 kPa，小于安全阀设定背压(15 kPa)，可燃性气体排放系统的设计满足要求。

4.7 其他

该可燃性气体排放系统其他组成部分(例如分液罐[2]、水封罐[2]、吹扫系统[8]等)的工艺设计可以参考规范SH 3009—2013。

5 结论

针对空气助燃型可燃性气体排放系统，探讨了系统各组成部分的结构和原理，并提出可燃性气体排放系统的阻火和防止回火措施宜采用水封罐加注入吹扫气体的方法。水封罐水封作用通过罐内液位和入口立管插入高度来实现，可防止火焰传向上游设备；使用速度密封器和吹扫气体保证火炬头与大气接触的出口流速大于安全流速，从而起到防止回火的作用，并减少氮气的吹扫量。

针对某气田可燃性气体排放设计了一套空气助燃型可燃性气体排放系统，通过对该系统热辐射强度计算，保证在设计工况下地面热辐射强度满足规范要求；通过对该系统水力计算，使可燃性气体排放系统的装置边界的压力小于安全阀的设定背压；助燃风机提供一部分助燃空气，使可燃性气体燃烧稳定，且消烟效果明显，满足环保要求。