石油和化工企業(yè)進(jìn)園區(qū)發(fā)展是目前新型工業(yè)化的必要途徑,在集約土地、資源共享、產(chǎn)業(yè)共贏、環(huán)境保護(hù)中有著不可小看的優(yōu)勢(shì)。而作為試生產(chǎn)及緊急事故泄放系統(tǒng)必不可少的火炬系統(tǒng),也隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷地改善著其燃燒的方式,力求做到完全燃燒的同時(shí)無光污染、無噪聲污染、無地下水污染,同時(shí)緩解土地供應(yīng)日益緊張的局面。于是封閉式地面火炬應(yīng)運(yùn)而生,其安全防護(hù)距離也隨之產(chǎn)生?。同時(shí)開放式地面火炬也開始慢慢為大型國企或合資企業(yè)所接受,特別在乙烯和天然氣的領(lǐng)域,但因其安全防護(hù)距離在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)里沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),其應(yīng)用在一定程度上受阻。本文試從輻射熱角度、噪聲分貝數(shù)、完全燃燒后的有害氣體組份等幾個(gè)因素來探討開放式地面火炬防護(hù)距離。

1 開放式地面火炬流程及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 簡單流程及結(jié)構(gòu)

帶壓火炬氣首先經(jīng)分液罐、水封罐后進(jìn)入排放氣集氣總管,為適應(yīng)不同工況和排放氣流量變化的要求,采用分級(jí)控制、分級(jí)燃燒。即根據(jù)正常排放、事故排放等不同情況分成Ⅳ級(jí)燃燒系統(tǒng),每級(jí)燃燒系統(tǒng)管線上設(shè)置有級(jí)燃燒系統(tǒng)管線上分別設(shè)有氣動(dòng)切斷閥。當(dāng)排放氣量增大或事故狀態(tài)下第1至第Ⅳ級(jí)管線上氣動(dòng)切斷閥相繼開啟,各級(jí)燃燒系統(tǒng)上的地面燃燒器相繼投入工作,同時(shí)設(shè)置爆破片作為氣動(dòng)切斷閥的旁路以確保系統(tǒng)的可靠燃燒;氣動(dòng)切斷閥的啟閉信號(hào)來自于閥前集氣總管上的壓力信號(hào),其中前幾級(jí)的控制采用比例微分控制以減少相應(yīng)的滯后。

1.2 主要結(jié)構(gòu)及燃燒特點(diǎn)

1.2.1 分液罐和水封罐      分液罐是開放式地面火炬成功安全燃燒的前置,依最大排放條件分別計(jì)算求得分液罐及水封罐的大小,從而使火炬氣中無大于30μm的液滴,以確保開放式地面燃燒系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行,同時(shí)回收凝液中的烴類組份。并利用分液罐防止回火及可能產(chǎn)生的爆炸。

1.2.2 防輻射金屬圍欄

金屬匍欄在開放式地面火炬中起到了兩方面的作用。其一:防止地面火炬輻射熱的低空輻射。其二:為火炬氣的充分燃燒提供空氣。其三:削弱噪聲。因此金屬圍欄的設(shè)計(jì)為非透明型的,風(fēng)載荷符合當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件,地震負(fù)荷符合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件。圍欄底部被架空,以提供燃燒時(shí)提供足夠的空氣。同時(shí)可以通過在圍欄的支撐結(jié)構(gòu)上增加面板來屏蔽熱輻射。圍欄高度按火焰高度進(jìn)行設(shè)計(jì),充分考慮最大排量時(shí)中間區(qū)域因供氧不足而引起的火焰高度。

1.2.3 地面燃燒器

按最大燃燒量設(shè)計(jì)的很多個(gè)多孔地面燃燒器成排排列,與其周圍的防輻射金屬圍欄共同組成火炬燃燒區(qū)域,大股的火炬排放氣通過很多只地面燃燒器而分成許多小股,以利于排放氣與空氣混合,增加與空氣接觸面積,空氣與排放氣的混合主要是依靠排放氣自身的壓力和特殊結(jié)構(gòu)的地面燃燒器來完成,在設(shè)計(jì)合理、維護(hù)保養(yǎng)可靠的條件下可保證100%無煙燃燒。同時(shí)因?yàn)樵诘孛嫒紵?則無高架火炬所存在光污染與火雨。在排放器壓力不足時(shí),系統(tǒng)需要使用少量蒸汽,一般會(huì)在前幾級(jí)燃燒器中設(shè)計(jì)采用蒸汽助燃消煙,而其余燃燒器無需蒸汽。整個(gè)開放式地面火炬基本不用蒸汽,因此在噪聲污染上有別于高架火炬帶來的聲污染。

1.2.4 長明燈及點(diǎn)火系統(tǒng)

長明燈保持常燃,以便任何時(shí)刻有排放氣排放都能立即點(diǎn)燃,以確保系統(tǒng)燃燒安傘。燈型設(shè)計(jì)可保證在惡劣環(huán)境下能夠可靠點(diǎn)火,火焰可抵御12級(jí)大風(fēng)及暴風(fēng)雨雪。點(diǎn)火系統(tǒng)具有火焰檢測和自動(dòng)點(diǎn)火功能。電點(diǎn)火器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、遙控、現(xiàn)場手動(dòng)3種點(diǎn)火方式。

2 開放式地面火炬與周邊設(shè)施防護(hù)距離的探討

開放式地面火炬(圖2)在國內(nèi)還處在起步階段,科學(xué)、合理確定防護(hù)距離,既可以有效減輕事故的危害,也可充分利用有限的土地資源。石化項(xiàng)目防護(hù)距離主要依據(jù)衛(wèi)生防護(hù)距離和安全防護(hù)距離確定。衛(wèi)生防護(hù)距離是指在正常生產(chǎn)條件下，無組織排放的有害氣體從車間或單元的邊界擴(kuò)散至居住區(qū)邊界后,達(dá)到限制濃度所需的最小距離；安全防護(hù)距離主要是指在發(fā)生火災(zāi)、爆炸、泄露事故時(shí)，防止和減少對(duì)人員傷亡、中毒、鄰近裝置和財(cái)產(chǎn)破壞所需的最小距離；因此開放式地面防護(hù)距離確定的基本原則主要是：1.熱輻射的作用2.噪聲的危害3.完全燃燒后的排放濃度4.節(jié)約用地。其中熱輻射作用是其中最關(guān)鍵的因素。

2.1 開放式地面火炬的熱輻射

燃燒產(chǎn)生的熱輻射會(huì)對(duì)人和設(shè)備造成損害,更甚的可能會(huì)使周邊設(shè)施泄漏出來的燃燒源達(dá)到一定的爆炸能量。而此程度取決于熱輻射強(qiáng)度，熱輻射的不同強(qiáng)度可造成的損害如表1所示。

不同的熱輻射強(qiáng)度造成的損害

根據(jù)國家規(guī)定：未計(jì)太陽輻射熱(0.79～1.04kW/m2,操作人員需要長期暴露的任何區(qū)域的允許熱輻射強(qiáng)度≤1.58 kW/m2 。

對(duì)于地面火炬，以火焰的燃燒性質(zhì)作為設(shè)計(jì)主要考慮的內(nèi)容，在API—RP521 中從火焰的性質(zhì)、煙霧、輻射、噪聲和污染等方面提出了設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)確定了相關(guān)計(jì)算方法，包括火炬直徑、長度、高度以及由風(fēng)速引起火焰變形的計(jì)算，而水平方向的輻射熱與距火炬中心水平距離之間的關(guān)系按照API—RP521有如下公式表示：

同時(shí)API也強(qiáng)調(diào)必須結(jié)合實(shí)際的模擬計(jì)算,現(xiàn)在國外已有相應(yīng)的軟件對(duì)此進(jìn)行模擬計(jì)算。

以甲醇制烯烴為例，開放式地面火炬最大排放處理量為1066t/h,設(shè)計(jì)防輻射墻高度為15m，模擬計(jì)算得0m層、15m層及垂直面的熱輻射圖(因業(yè)主單位及設(shè)計(jì)單位要求這些圖保密暫不提供)。從模擬計(jì)算圖來看,在15m層以下，防輻射墻外的輻射熱低于國家規(guī)定的1.58 kw /m2， 而在15m層以上，輻射將向周邊擴(kuò)散。因此在考慮安全防護(hù)間距時(shí)必須最大限度地考慮周邊裝置的建筑高度、臨近設(shè)施采用的耐熱材料、周邊裝置的危險(xiǎn)等級(jí)。

2.2 開放式地面火炬的噪聲

火炬燃燒產(chǎn)生的噪聲主要來源于火炬的燃燒器與周圍空氣相混合的噴射氣體、消煙媒介以及相關(guān)的混合、燃燒。高架火炬為改善燃燒狀況、減少黑煙產(chǎn)生，會(huì)在火炬頭處注入蒸汽或強(qiáng)制鼓風(fēng)，從而大大增加了火炬的噪音，在其最大量排放時(shí)方圓幾千米似乎置身于飛機(jī)場之中。地面火炬系統(tǒng)的排放在設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)控制。在排放壓力不足時(shí)，系統(tǒng)需要使用少量蒸汽,一般只在前幾級(jí)燃燒器中設(shè)計(jì)采用蒸汽助燃消煙,而其余燃燒器無需蒸汽。因此其噪聲將大大低于高架火炬，以寧波禾元化學(xué)地面火炬為例，對(duì)其噪聲進(jìn)行了計(jì)算分布圖(因業(yè)主單位及設(shè)計(jì)單位要求該圖需要保密)。由模擬圖得0m層距防輻射墻約10m外，其噪聲低于85dh 。

2.3 開放式地面火炬完全燃燒后的有害氣體濃度

燃燒后的有害氣體濃度是開放式地面火炬在設(shè)計(jì)中必須考慮的問題，因此目前開放式地面火炬基本上都用乙烯和天然氣的領(lǐng)域。甲醇制烯烴去火炬處理組份主要為乙烯、丙烯、甲醇?xì)?、丙烷?這些物質(zhì)在其完全燃燒后的組份為CO2 和H20，有害氣體濃度基本為0。

因此如何確?；鹁鏆怏w完全燃燒是開放式地面火炬的關(guān)鍵。

2.3.1 長明燈點(diǎn)火系統(tǒng)必須靈敏、穩(wěn)定

抵御外界的不確定因素,比如臺(tái)風(fēng)、暴雨、大雪,保證流量發(fā)生巨大變化條件下廢氣的穩(wěn)定性。

(1)正確設(shè)計(jì)火嘴系統(tǒng)。尤其重要的是從燃燒區(qū)獲得足夠的機(jī)械動(dòng)能來提高混合率；

(2)可靠的多個(gè)長明燈設(shè)置。人口壓力高,長明燈明采用了引射技術(shù)火焰，可抵御12級(jí)大風(fēng)及暴風(fēng)雨雪；

(3)火嘴離地面有較大的高度差，同時(shí)整個(gè)燃燒區(qū)設(shè)置良好的排水系統(tǒng)，以確保暴雨時(shí)不受淹；

(4)穩(wěn)定可靠的自動(dòng)檢測、控制、聯(lián)鎖系統(tǒng)；

(5)多種點(diǎn)火方式,同時(shí)還設(shè)計(jì)有備用點(diǎn)火系統(tǒng)。

2.3.2 足夠的空氣以保持穩(wěn)定燃燒

(1)燃燒器與防輻射金屬圍欄之問相隔一定的距離以保證圍欄頂部有足夠的空氣進(jìn)入燃燒區(qū)域；

(2)每排燃燒器相距一定距離；

(3)向上直燒的方式增加熱的對(duì)流和自然通風(fēng)；

(4)燃燒器利用廢氣壓力促使空氣與廢氣充分混合；

(5) 空的金屬圍欄可保證地面火炬四周的自然通風(fēng)；

(6)考慮斷電時(shí)有煙燃燒情況下可將備用空氣送到系統(tǒng)中。

2.3.3 排放速率的合理控制

多級(jí)燃燒控制系統(tǒng)以減少火炬系統(tǒng)的瞬時(shí)排放量,使得排放燃?xì)獾膲毫土髁靠刂圃谌紵鞯淖罴沿?fù)荷范圍內(nèi)；設(shè)置爆破片作為氣動(dòng)切斷閥的旁路以確保系統(tǒng)的可靠燃燒。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)開放式地面火炬的應(yīng)用是可行的。

(2)設(shè)計(jì)方與業(yè)主方應(yīng)遵循國內(nèi)、國外的標(biāo)準(zhǔn)。以上分析認(rèn)為熱輻射對(duì)周邊造成的危害是最大的。因此認(rèn)真核算最大排放量，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件模擬計(jì)算得出的各個(gè)高度層輻射熱和水平距離的關(guān)系，是化工企業(yè)在特定工業(yè)區(qū)內(nèi)確定防護(hù)距離的主要依據(jù)。對(duì)于化工園區(qū)內(nèi)相鄰類似產(chǎn)業(yè)企業(yè),火炬類型應(yīng)相同。在總圖的布置上宜相鄰，以運(yùn)行安全為原則最大限度地節(jié)約用地。

(3)可靠的、穩(wěn)定的燃燒是地面火炬正常運(yùn)行、環(huán)境質(zhì)量、安全防護(hù)得以保證的重大條件。為提高安全生產(chǎn)的能力,在裝置區(qū)內(nèi)應(yīng)設(shè)置電視監(jiān)視系統(tǒng)；

地面火炬還應(yīng)設(shè)有可燃?xì)怏w檢測器，并將信號(hào)接至DCS系統(tǒng),設(shè)置獨(dú)立的聲光報(bào)警，以防可能出現(xiàn)的可燃、有毒氣體泄漏或聚集。