火炬氣的回收利用及安全技術改造

小水

摘要: 乙烯工程需要設置火炬系統。火炬氣由氫氣、氮氣、碳一、碳二、碳三、碳四及碳五組成, 它們
均為可利用能源, 因此需對火炬氣進行回收再利用。對于不能完全回收的雜質, 要用安全、環保的火炬
頭燒除。火炬系統的技術改造需做到因地制宜, 資源互補, 提高經濟效益。
關鍵詞: 乙烯工程; 火炬系統; 安全技術; 改造
中圖分類號: X 931 文獻標識碼: B 文章編號: 1009- 0045( 2006) 03- 0221- 03
火炬系統作為乙烯工程的安全設施和環保
措施, 是不可缺少的組成部分。乙烯裝置及下游
各裝置試車、開車、停車時, 均會產生許多易燃、
易爆氣體, 為了防止事故發生和保護環境, 保證
設備和人身安全, 需設置火炬系統, 以處理生產
裝置排放出的易燃、易爆物質。
1 火炬氣
1. 1 組成
正常生產時, 大部分裝置無烴類物質排放。
但由于閥門的泄漏及誤操作等原因, 可能會導致
火炬氣排放。中國石油蘭州石化分公司石油化
工廠(以下簡稱石化廠)火炬氣組成見表1。
表1 石化廠火炬氣組成%
組成體積分數試樣1 試樣2 試樣3 試樣4 試樣5 試樣6
氫氣23. 36 35. 55 31. 31 31. 71 24. 35 27. 33
氮氣6. 36 11. 89 6. 06 8. 38 7. 64 7. 11
碳一63. 09 43. 91 53. 61 39. 84 44. 86 41. 25
碳二1. 82 3. 49 3. 43 8. 27 5. 21 5. 53
碳三1. 74 2. 36 1. 85 4. 84 6. 34 8. 38
碳四與碳五3. 36 2. 80 3. 69 6. 94 11. 60 10. 40
注: 試樣1~ 試樣6 為不同時間所取的樣品。
由表1 可見, 火炬氣都是由有用資源組成
的。為了減少環境污染, 節約能源, 應設置火炬
氣回收裝置。通過回收, 將火炬氣作為燃料或生
產原料加以利用。
1) 氣柜; 2) 分液罐; 3) 新增分液罐; 4) 原有螺桿壓縮機; 5) 水封罐; 6) 新增水封罐; 7) 新增壓縮機;
8) 原有水環式壓縮機; 9) 新建火炬; 10) 原有火炬(實線部分為舊裝置, 虛線部分為新裝置。)
圖1 新舊火炬回收流程
1. 2 回收工藝
現有24萬t/a乙烯生產裝置, 配有設計能力
為524 t/h的火炬系統, 承擔各個裝置排放的火
收稿日期: 2005 - 09- 21; 修回日期: 2006- 02- 27
作者簡介: 許立鴻( 1974) ), 男, 甘肅蘭州人, 學士, 工程師。
現從事技術改造項目實施工作。已發表論文3篇。
炬氣處理任務。該系統還配有30 000m3 的火炬氣
回收氣柜和6 000m3 /h(標準狀況, 下同)的水環式
回收壓縮機各1臺, 3臺1 800m3 /h的螺桿式壓縮
機。其回收流程見圖1的實線部分。
由圖1可知, 火炬氣回收系統由水封系統和
火炬氣回收裝置組成。水封罐設在火炬前, 既可
作為防止火炬系統回火的安全設施, 又可作為火
炬氣回收和壓力控制設備, 以防止壓縮機抽真
空。回收系統還需要設置氣柜和壓縮機。氣柜
的容積與壓縮機配套。火炬氣的流量和組成常
有變化, 因此不能使用離心式壓縮機, 而選用水
環式壓縮機。
壓縮機依靠自控儀表控制報警和連鎖系統。
為了確保安全, 應在壓縮機入口管線上安裝氧含
量分析儀。當含氧體積分數大于1. 5% 時報警,
若繼續升高至2. 0% 時, 則壓縮機連鎖停車。安
裝臨時取樣口, 定期分析火炬氣中的含氧量, 以
便校對氧含量分析儀的準確性。
2 火炬系統的安全因素
火炬氣燒除部分包括火炬頭、火炬筒體、分
液罐、水封罐、點火器、泵等設備及其他設施。對
火炬系統有以下要求: ( 1)火炬系統必須分離出
直徑大于300 Lm的可燃液滴, 因為這些液滴不
易被燒除, 因此會導致火炬頭燃燒時出現下/ 火
雨0現象; ( 2)要有可靠的點火裝置, 做到多余的
廢氣隨來隨燒; ( 3)火炬頭要有穩定的燃燒性能,
在任何氣候條件下, 都能穩定地、完全地燃燒, 不
產生煙霧; ( 4)火焰產生的熱輻射會對周圍環境
和地面人員、設備產生影響, 因此要確保設備和
人員的安全。
3 安全措施
3. 1 點火裝置
火炬系統設有三級點火系統, 即自動點火、
操作室手動遠距離點火和現場地面內傳焰點火。
三級點火均采用高壓電點火, 其中后者為防爆
型。火炬頭應設4套長明燈。
3. 2 火炬頭
火炬頭的主要故障為燒毀或脫火。為此采
取了下列措施以保證火炬頭燃燒的可靠性, 延長
火炬頭使用壽命, 降低燃燒噪音。
( 1)火炬頭上部材料采用鎳基耐熱合金(GH
30), 以此保證耐高溫和耐腐蝕性。
( 2)為了保證火炬系統安全運轉, 在火炬頭
上設置熱電偶測溫儀, 溫度達到900 e 時報警。
現場點火器上裝有長明燈的燃燒狀態指示燈, 從
點火器上引出長明燈的開關狀態信號到控制室
的DCS系統。對長明燈所用燃料氣設置了流量
測定調節系統, 燃料氣管線上還裝有壓力檢測儀
表, 壓力低于0. 1MPa時報警。
( 3)為了保證火炬的穩定燃燒, 確保高流速
下不脫火, 除限制火炬頭氣體流動最大馬赫數小
于0. 5外, 還要在火炬燃燒器出口處安裝火焰穩
定器。利用形成的熱回流區, 保證即使成為懸空
火焰, 也不會出現脫火、熄火現象。
( 4)引射空氣噴嘴采用小孔徑多孔梅花噴
嘴, 并加有消音器, 頂部噴嘴設計成多孔噴嘴, 各
孔具有不同孔徑與角度, 以控制蒸汽射入深度,
減少噪音。
3. 3 分子密封器
用分子密封器將火炬氣放散筒和火炬頭連
接到一起。其主要功能是: 在排放氣中斷后, 阻
止空氣倒流進入火炬筒體內, 確保再次排放時不
會發生回火或爆炸。其工作原理是: 采用相對分
子質量較空氣小的惰性氣體作為密封氣(本系統
采用氮氣), 由于浮力的作用, 密封氣充滿分子密
封器的上部, 這樣空氣只可能依靠分子擴散進入
火炬筒體。如果氮氣流速大于分子擴散速度, 即
可阻止空氣倒流至火炬筒體內。分子密封器設
有排液口, 能及時排出雨水和可能產生的凝液。
3. 4 其他
分液罐用于火炬氣中液體組分的分離與貯
存。必須分離出粒徑為300 Lm的液滴。
水封罐是隔離裝置與火炬設施之間的安全
設備。
4 技術改造方案選擇
火炬系統改造方案最終歸結為2個: ( 1) 2套
乙烯裝置及下游裝置的火炬氣都集中在1 個火
炬系統回收或排放燒除; ( 2) 2套火炬分別燒除
新、老乙烯裝置的火炬氣。
若采用第一種方案, 由于2套乙烯的供電為
不完全獨立供給系統, 電網的晃動會導致2套乙
# 222# 石 化 技 術 與 應 用 第24卷
烯同時出現事故停車的現象, 必須按照2套乙烯
裝置火炬氣最大排放量疊加合建1座火炬。應
考慮對地面熱輻射的影響, 排放高度及地面不安
全區域將會大幅度增加, 況且施工和維修難度
增大。
采用第二種方案, 新建火炬和老火炬系統可
實現連接并網操作, 其優點是: ( 1)靈活性高, 2套
火炬既可并聯運行, 也可分別獨立運行; ( 2)火炬
筒不高, 維修方便; ( 3)可以在裝置停車檢修時,
火炬切換檢修, 以保證在裝置檢修期間對罐區排
放物的處理; ( 4)可以回收利用更多的燃料氣, 提
高經濟效益。故選用第二方案。
在24萬t/a 乙烯裝置的基礎上, 新建1 套
45萬t/a乙烯系統后, 采用第二方案, 新增了1套
火炬回收裝置, 其流程見圖1 虛線部分。由圖1
可知, 只要切斷圖示中C, D閥, 施工不會對舊系
統生產造成大的影響, 只影響壓縮機短時間停
車。圖中A, B, C, D, E 閥均處于開路狀態, 兩系
統來的火炬氣均進入氣柜, 經壓縮機加壓后進入
燃料管網進行回收利用, 確保火炬熄滅。
當生產異常時, 火炬氣排放量增大, 不能完
全及時回收, 導致氣柜高位信號連鎖反應, 圖中
A, B, E 閥自動切斷。若此時氣柜高位是由于來
自舊裝置生產異常所致, 則舊火炬即會因為大量
排放氣沖破水封壓力而自動點火, 而新系統因為
已經同舊系統切開, 新壓縮機單獨對其排放氣進
行回收, 新火炬仍然保持處于熄滅狀態; 反之, 則
舊系統正常運行, 舊火炬保持熄滅, 新火炬自動
點火。
5 結束語
火炬系統是乙烯工程不可缺少的組成部分,
是乙烯工程的安全設施和環保措施。火炬氣是
寶貴的資源, 應該盡量回收。為了保證火炬系統
正常運行, 技術改造方案和工程實施階段必須把
安全放在第一位。火炬系統必須能夠承擔各生
產裝置正常開、停車及事故排放時的安全, 達到
國家規定的安全要求和環保標準。

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