火炬高度的主要影響因素

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

火炬系統作為每個化工廠必要的安全與環保設施發揮著至關重要的作用。隨著化工裝置規模越來越大，流程越來越長，排放至火炬系統的可燃性氣體的氣量越來越大，組成和排放管網也愈加復雜，國內對安全和環保的日益重視，賦予了火炬系統越來越重大的責任，對火炬系統的設計也提出了更高的要求?；鹁嫦到y可分為兩個部分，即可燃性氣體排放管網和可燃性氣體燃燒設施(即火炬)。根據其結構型式，火炬又可以分為高架火炬和地面火炬，本文要討論的火炬指高架火炬，簡稱火炬。由于國內大部分化工廠采用的是高架火炬，其高度的確定往往需要多個相關單位或部門的配合，花費時日較長。本文將重點分析影響火炬高度的幾個主要因素。

國內化工廠確定火炬高度的設計依據主要有API521 Pressure-relieving and Depressuring Systems(Fifth Edition)、SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》和HG/T20570.12—95《火炬系統設置》，火炬高度的確定與排放介質特性(低位熱值、分子量、絕熱指數、壓縮系數等)、最大排放量及放熱量、大氣環境(氣壓、密度、濕度、風速等)、地面允許熱輻射強度與熱輻射半徑、允許大氣污染物落地濃度、火炬自身結構設計(火炬頭出口直徑等)等因素有關[1-3]。對于特定的工藝流程，排放介質特性、氣量及放熱量均已確定，其他因素將共同決定火炬高度。為了便于具體說明各主要因素對火炬高度的影響，以下將以某大型煤化工項目(簡稱項目A)的火炬高度計算為例。

1 設計基礎數據

項目A根據排放介質特性及氣量，將火炬系統分為了4套分系統，即高壓火炬系統、低壓火炬系統、酸性氣火炬系統、氨火炬系統。其中，高壓火炬系統用于處理排放壓力較高而熱值較低的可燃性氣體，低壓火炬系統用于處理排放壓力較低而熱值較高的可燃性氣體，火炬各分系統相關參數見表1。

表1 火炬各分系統排放介質相關參數

由于工藝特性，考慮上述4個分火炬系統最大排放量疊加，根據SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》 “9.3火炬高度的確定”中的條款和9.3.2-1、9.3.3-1、9.3.3-2、9.3.4-1、9.3.4-2、9.3.4-3、9.3.4-4等公式計算出火炬高度。

2 確定火炬高度的主要因素

2.1 大氣環境因素影響

大氣環境因素包括氣壓、密度、濕度、風速等，計算時一般取全年平均值。氣壓和密度影響火炬界區內的壓降和火炬出口氣體流速；濕度主要影響熱輻射系數，兩者成反比；風速影響火焰中心的水平和垂直位移。相對風速的影響，大氣的氣壓、密度和濕度對火炬高度的影響較小，在國內大部分地區氣象條件范圍內，火炬高度的變化幅度低于總高度的5%，而風速對火炬高度的影響就要明顯一些。在SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》中，風速指火炬出口的風速(最大值取8.9 m/s)。以下將以項目A所在北方地區的相關大氣環境實測數據(見表2)和設計基礎數據為例，分析大氣風速對火炬高度的影響。

由于缺少離地面高度在70 m以上的實測大氣風速，根據表2中數據可估算出90～150 m高處的風速在8～9 m/s。

為了便于說明火炬出口風速對火炬高度的影響，本文選取國內項目通常選擇的1.58kW/ m2的地面允許熱輻射強度和100m的熱輻射半徑作為計算基準之一，風速則選取不同值計算出對應的火炬高度，見圖1。

表2 相關大氣環境實測數據

圖1 大氣風速對火炬高度的影響

從圖1可知，風速對火炬高度的影響較大，風速越大，計算出的火炬高度越高，這是因為風速增加會引起火焰的傾斜程度的增加，使得火焰的中心點離地面高度縮短，地面熱輻射強度增加。在實際情況下，風速也會影響火焰長度，進而影響火焰中心點的定位和地面的熱輻射強度。同時，火焰下部某點的輻射強度還與該點風力對流冷卻作用有關。通過SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》 “9.3火炬高度的確定”條款得知，此標準在火炬高度的計算過程中并未充分考慮風速對火焰長度和風力對流冷卻作用的影響。

2.2 地面允許熱輻射強度與熱輻射半徑因素影響

結合表2和圖1可知，在討論地面允許熱輻射強度與熱輻射半徑因素對火炬高度的影響時，所依據火炬高度的不同，對應的大氣風速取值也不同，最大取8.9m/s，其他大氣環境因素取值見表2。

先討論地面允許熱輻射強度的影響。若選取100m的熱輻射半徑作為計算基準，根據SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》“9.1允許熱輻射強度”條款，地面允許熱輻射強度則選取1.58、2.33、3.00和3.20kW/ m2，計算出的火炬高度見圖2。

圖2 地面允許熱輻射強度對火炬高度的影響

從圖2可知，地面允許熱輻射強度對火炬高度的影響較大，兩者之間成反比。在1.58～3.20 kW/m2之間，地面允許熱輻射強度每增加0.1kW/ m2，火炬高度就可降低2.5～4.0m。對于特定項目，地面允許熱輻射強度應結合項目總圖、當地的規劃、火炬投資等因素確定。

再討論熱輻射半徑的影響。若選取允許地面熱輻射強度1.58kW/ m2作為計算基準，同時考慮到整個火炬系統的投資以及征地投資和管理，熱輻射半徑則選取100、125、150、175和200m，計算出的火炬高度見圖3。

圖3 熱輻射半徑對火炬高度的影響

對于項目A，熱輻射半徑小于100m時，火炬高度大大超過了150m，火炬系統的投資會極大增加，管理也更加困難，且地面最大熱輻射值可能位于規定的熱輻射半徑圓周之外；而熱輻射半徑大于200m時，火炬高度急速降低。進一步的計算結果顯示，當熱輻射半徑大于230m時，熱輻射半徑圓周處允許的地面熱輻射強度已不影響火炬高度的選擇，但要考慮熱輻射半徑圓周內任何一點的熱輻射強度能滿足SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》“9.1允許熱輻射強度”條款以及燃燒后的大氣污染物落地濃度不超標的要求。結合投資、安全、環保、操作和檢修等方面綜合考慮，項目A的熱輻射半徑宜選在100～200m之間。

2.3 大氣污染物允許的落地濃度

大氣污染物主要考慮的有SO2、H2S、NH3、CO、NOx等，如果火炬離化工廠內空分裝置較近，還需核算CO2的落地濃度對空分裝置的影響。大氣污染物落地濃度與當地的氣象、地形、火炬高度、可燃性氣體組成和排放量等有關，計算起來較為復雜。不過，對于大多數處于開闊地帶和當地大氣有一定風速的項目，大氣污染物落地濃度不會成為確定火炬高度的決定性因素。對于項目A，火炬高度即使低至50m，上述各大氣污染物地面濃度也未超過允許的落地濃度[4，5]。

2.4 火炬自身結構設計因素影響

本文中，火炬自身結構設計因素影響主要指火炬頭出口直徑對火焰長度和可燃性氣體出口速度的影響，進而影響火炬高度。若火炬頭出口直徑增加，火焰長度增加，可燃性氣體出口速度減小，火炬高度略增加。經過計算，若火炬頭出口直徑增加10%，火炬高度則增加1%～3%。由于火炬氣體出口馬赫數的限制和控制火炬高度，一般情況下，火炬頭出口直徑盡量與上游火炬總管網保持一致。

3 結語

火炬高度的確定與排放介質特性、最大排放量及放熱量、大氣環境、地面允許熱輻射強度、熱輻射半徑、允許大氣污染物落地濃度、火炬自身結構設計等多種因素有關。對于特定的工藝流程，火炬出口風速、地面允許熱輻射強度與熱輻射半徑是最主要的影響因素。除此之外，火炬高度的確定還應結合投資、安全、環保、操作、檢修及當地規劃等方面綜合考慮。

[1]API 521—2007，Pressure-relieving and Depressuring Systems(Fifth Edition)[S].

[2] GB 31571—2015，石油化學工業污染物排放標準[S].

[3] GB 16297—1996，大氣污染物綜合排放標準[S].

[4] GBZ 2.1—2007，工作場所有害因素職業接觸限值(第1部分)：化學有害因素[S].

[5] GB 14554—1993，惡臭污染物排放標準[S].