火炬系统设置.docx
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火炬系统设置
标准
T/ES220028-2005
火炬系统设置
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日期
2005-04-15
发布
2005-05-01
实施
目次
1总则
1.1目的
1.2范围
1.3编制本标准的依据
2火炬系统设计
2.1火炬系统的分类
2.2火炬系统的组成
2.3火炬系统的设计原则
火炬计算
2.5主要的辅助设备
2.6火炬系统的流程
2.7计算举例
2.8附图和附表
3符号说明
1总则
1.1目的
火炬系统设置是保障石油化工厂和炼油厂的生产装置在开、停工或当发生事故时或在正常生产中排放的大量可燃、有毒、有腐蚀性气体进行迅速焚烧处理的安全措施。
1.2范围
本规定适用于处理石油化工厂、炼油厂生产装置当发生事故时或在正常生产中排放的大量可燃、有毒、有腐蚀性气体的火炬系统设计。
1.3编制本标准的依据：
化学工程学会《工艺系统工程设计技术规定》HG/T20570.12-1995第12篇火炬系统设置；
化学工程学会《化工厂火炬及排气筒塔架设计规定》HGJ38-90；
中国石油化工集团《石油化工企业排气筒和火炬塔架设计规范》SH3029-91；
中国石油化工集团《石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范》SH3009-2001。
2火炬系统的设计
2.1火炬系统的分类
火炬型式可分为高空火炬和地面火炬。
2.高空火炬由烟囱（包括牵索支撑和自由支撑两种）、火炬头、长明灯、辅助燃料系统、点火器及其它辅助设备组成。
2.地面火炬不能用于有毒物质的焚烧。
地面火炬周围最小无障碍区的半径为76m～152m，且应设围墙以确保安全。
2.2火炬系统的组成
火炬系统通常由火炬气分离罐、火炬气密封罐、火炬烟囱、火炬管道四个部分组成。
2.3火炬系统的设计原则
处理不同的介质和不同工作条件有不同的火炬系统。
在开车、正常运行、停车和事故时排放的气体均要送火炬处理。
2.3.1以各种情况下最大排放量来进行火炬系统处理能力的设计，同时要保证在一个宽的流量范围内系统运行良好。
火炬系统本身要保证生产装置安全运行，并应考虑对环境的影响，消除和尽量减少对大气的污染、噪声等。
2.3.1.1当两个火炬集中布置时，火炬的间距应使一个火炬燃烧最大气量时所产生的辐射热，不影响另一个火炬检修工作的进行。
2.3.1.2火炬的防空标志和灯光保护按有关规定执行。
2.3.2安全阀和控制阀的排放系统管道
2.3.2.1安全阀和控制阀排放系统按有关规定来设计。
该排放系统若与火炬系统相连，其管道材质不能低于碳钢，对于可能产生低温和高温的部分要做应力分析计算，选用适宜的材质和进行相应的加工处理。
2.3.2.2排放管道最好从上方与火炬系统总管相连，而且与总管有一倾斜角度，以免产生排气、排液死角。
2.3.3火炬总管
2.3.3.1排放气按介质状态分为以下四种情况：
1）热气体（t≥0℃，含水或不含水）；
2）冷气体（t<0℃）；
3）冷气体和热气体都有，但不含水；
4）液体排放系统。
排放气介质四种状态的任何一种情况，设置一根总管。
如果是上述几种情况的组合，则要分开设置干火炬系统和湿火炬系统。
当两股物流相混可能产生固体或者发生危险的物理或化学变化时，两股物料要分开。
如果由于两股物料混合使管道尺寸加大很多或使管道材质升级时，两股物料也要分开。
一般排放的液体与排放的气体是分开的，对于带有液体的物流要设分离设施和单独的液相系统。
2.3.3.2火炬总管到分离器要有一定坡度以便排液，坡向分离器坡度不小于0.2%，对于排液死角要设排液口并将排出液回收储存。
2.3.3.3要考虑温度对管路的影响，设置温度补偿的膨胀节，一般用环形的，特殊情况下用波纹形膨胀器。
如果总管与总管相接或总管与支管相接，其接头处材质取两者材质高者，且其长度在接头处上游至少要有5m。
2.3.3.4为避免火炬系统发生内爆炸或产生其它不安全因素，火炬气总管的上游最远端设有固定的吹扫设施，该吹扫设施包括一个流量计，一个止回阀和一个手动调节阀门。
所有的火炬总管都应设氮气吹扫用软管接口。
常用的吹扫气首选为可燃气体（如燃料气），但对于低温管线，吹扫气在最低温度时应不发生部分或全部冷凝，对此一般采用氮气吹扫，吹扫气速在最大火炬总管内为/s。
如果火炬系统设有水（液）封，则水封上游吹扫气速为/s。
对于低火炬和富氢排放气则要提高吹扫气气速。
若无水封，则吹扫气应优先选用可用的最重气体作为吹扫气，并要安装低流量报警和指示真空度的低压报警，以防空气倒流入火炬系统。
2.3.4火炬气分离罐
2.3.4.1每根火炬排放气总管都应设分离罐，用以分离气体夹带的液滴或可能发生的两相流中的液相。
为防止产生“火雨”，分离罐的分离能力为至少将≥400μm的液滴分离下来，最好将≥150μm的液滴也分离下来，尽量减少液滴夹带。
分离罐选用直径一般为其长度的1/2～1/3，并为火炬总管尺寸的倍。
2.3.4.2分离罐的尺寸是以排放物流中最大排液量计算，储存10～30min的排液量，一般取20min。
2.3.4.3如果已另外设置了单独的液相收集系统，或者在最大火炬负荷的紧急情况下也不会有大量的两相流排出，此时可以让排放物流不经分离罐，只设一个与液体收集系统相连的集液管就可以了。
2.3.4.4集液系统要设一台排液泵，泵一般为离心式，与事故电源相连，不设置备用泵，选用泵的能力应估计到事故时夹带的液量，约半小时内能将分离罐中液体排完。
泵的扬程按排放液体中最小重度的液体计算，电机功率以排放液体中最大重度的液体计算。
2.4火炬计算
-1所示。
图2.4－1火炬的几何参数图
图中：
dj−火炬烟囱直径（内径）；R−无障碍区域半径；D−火焰中心到地面边界的距离；△X−火焰横向偏距；△Y−火焰纵向偏距；Xc−火焰中心到火炬头中心的横向距离；Yc−火焰中心到火炬头顶端的纵向距离；H−火炬烟囱的高度；l−火焰长度；H＇−火焰中心到地面距离；R＇−火焰中心到地面界区横向距离。
2.4.1简单近似计算法
2.4.1.1火炬烟囱直径计算
火炬烟囱直径的大小，取决于烟囱内流体的速度，该速度的选取是根据允许压力降。
一般在决定火炬烟囱尺寸时，可按如下考虑：
正常排放时，出口处气体流速应在马赫数乘声速以下；事故或紧急排放时，其流速应在马赫数乘声速以下。
此时，烧嘴压力降在，水封压力降在，火炬主管压力降在，最后必须检查火炬系统总压力降与安全阀背压之间的关系。
火炬烟囱的直径要不小于火炬系统总管的直径，以免由于排放气夹带液滴而形成“火雨”。
计算火炬烟囱直径的公式推导如下：
（2.4-1）
由式整理得：
（2.4-2）
式中：
dj
−
火炬烟囱顶部内径，m；
Wj
−
火炬气排放流量，kg/s；
Pj
−
火炬顶部内侧火炬气的压力，kPa；
Mach
−
马赫数，火炬气流速与该流体声速的比值，无因次；
Mj
−
火炬气的平均分子量；
Tj
−
火炬气温度，K；
kj
−
火炬气的绝热指数，kj=Cp/Cv。
2.4.1.2火炬烟囱高度的计算
1）火焰长度的计算
火焰长度与火炬气燃烧释放的热量有关，火焰长度（
）与火炬气释放热量（Q）的关联图，见图2.4-2所示。
火
焰
长
度
（l）
m
火炬气释放热量（Q）W
图2.4－2火焰长度与释放热量关联图
2）由风引起的火焰倾斜的计算
a）体积流量的计算见式（2.4-3）
（2.4-3）
式中：
V
−
体积流量，m3/s；
Tj
−
火炬气温度，K。
b）由风引起的火焰倾斜的计算
火炬气在火炬烟囱出口处的速度（Uj），由式（2.4-4）计算：
（2.4-4）
已知火炬气在火炬烟囱出口处的速度（Uj），则其与风速（Ux）之比Ux/Uj-3可查得（∆X/
）和（∆Y/
），即可计算火焰横向偏距（∆X）、纵向偏距（∆Y）。
火焰偏距与Ux/Uj-3所示。
风速（Ux）的选取是依据当地的气象条件，取年平均最大风速。
不同高度的风速根据风速及风速随高度变化系数（Kv）计算。
风速高度变化系数（Kv）-1。
图2.4－3火炬偏距与风速关联图（无因次）
3）火炬烟囱高度的计算
-1可以看出H＇、H、R＇、R、∆X、∆Y与D之间有如下关系：
（2.4-5）
（2.4-6）
（2.4-7）
由上式整理得：
（2.4-8）
当已知∆X、∆Y、D、R，则可以求得火炬烟囱高度（H）。
2.4.1.3简单近似计算法归纳
1）所需基础数据如下：
Wj
−
火炬气排放量，kg/s；
Pj
−
火炬烟囱内侧的火炬气压力，kPa；
Mach
−
马赫数，无因次；
Mj
−
火炬气的平均分子量；
Tj
−
火炬气温度，K；
kj
−
火炬气的绝热指数，kj=Cp/Cv；
R
−
无障碍区域半径，m；
hj
−
火炬气低热值，kJ/kg；
Ux
−
设计风速，m/s；
F
−
热辐射因子；
K
−
最大允许热辐射强度，kW/m2；
τ
−
热辐射强度传递因子。
2）计算内容
火炬烟囱直径：
火炬气放热量：
Q=hj·Wj
火焰中心到地面界区的距离：
风速与火炬气速度之比：
Ux/Uj
-3查得∆X、∆Y
火炬烟囱高度：
2.4.2布鲁托斯基（Brzustowski）和索麦尔（Sommer）近似计算法
2.4.2.1火炬烟囱直径的计算
火炬烟囱直径的计算方法与简单近似计算法相同，见.1规定。
2.4.2.2火炬烟囱高度的计算
1）火焰中心的确定及火焰偏距的计算
声速
（2.4-9）
火炬烟囱出口速度（Uj）为
Uj=Mach⨯声速（2.4-10）
对于火炬气，爆炸下限参数
为
（2.4-11）
式中
Cl
−
火炬气在空气中的爆炸下限，体积%；
Mx
−
空气的平均分子量，取为29；
Ux
−
风速，m/s；
火炬气（混合气）在空气中的爆炸下限（Cl），其值按下式计算：
（2.4-12）
式中：
Cli
−
火炬气各组份的爆炸下限，体积%；
Yi
−
火炬气各组份的分子分数。
风推力和喷射推力（djR）值按下式计算：
（2.4-13）
式中
Tx
−
空气温度，K；
dj
−
火炬烟囱直径，m。
已知
、djR-4-5求得火焰横向偏距（Xc）值、纵向偏距（Yc）值。
图2.4－4火焰横向偏距（Xc）与djR、
关联图
图2.4－5火焰纵向偏距（Yc）与djR、
关联图
2）火焰中心到地面边界距离的计算
（2.4-14）
3）火炬烟囱高度的计算
-1可以看出H＇，H，R＇，R，Xc，Yc和D之间有如下关系：
H＇=H+Yc（2.4-15）
R＇=R－Xc（2.4-16）
D2=R＇2+H＇2（2.4-17）
由上三式整理得：
（2.4-18）
已知D、R、Xc和Yc可以求得火炬烟囱高度（H）。
火炬烟囱的高度（H）与所选的计算标准有关，当辐射强度（K）为最大允许热辐射强度时，（H）为火炬烟囱最低的极限高度。
K值根据工程的具体情况来选定。
2.4.2.3布鲁托斯基和索麦尔近似计算法归纳
1）计算所需基础数据如下：
Wj
−
火炬气流量，kg/s；
Mj
−
火炬气平均分子量；
Mx
−
空气的平均分子量；
Ux
−
平均风速，m/s；
Pj
−
火炬顶部内侧火炬气的压力，kPa；
γ
−
平均相对湿度；
hj
−
火炬气低热值，kJ/kg；
kj
−
火炬气绝热指数；
Cl
−
火炬气在空气中的爆炸下限浓度，体积%；
Tj
−
火炬气温度，K；
Tx
−
空气温度，K；
K
−
最大允许热辐射强度，kW/m2；
τ
−
热辐射强度传递因子；
Mach
−
马赫数，无因次；
F
−
热辐射因子；
R
−
无障碍区域半径，m；
2）计算内容
火炬气放热量：
Q=Wj·hj
火焰中心到地面界区的距离：
火炬烟囱直径
声速：
火炬气速度：
Uj=Mach⨯C
参数：
推力：
由
、djR-4-5得Xc、Yc
火炬烟囱高度：
H=[D2－（R－Xc）2]－Yc
2.4.3无烟火炬注入蒸汽量、放空烟囱直径和噪声计算
2.4.3.1蒸汽量的计算
无烟燃烧时注入的蒸汽量与火炬气最大无烟燃烧的流速和火炬气成份（火炬气分子量与不饱和烃的量）有关。
-6所示。
蒸汽量与燃烧火炬气量之比
不饱和烃重量百分率
图2.4－6高空火炬无烟燃烧时加入蒸汽量图
上图在火炬烟囱顶端内侧注入蒸汽时使用。
火炬气分子量对注入蒸汽量的影响见式（2.4-19）
（2.4-19）
式中：
−水蒸汽流量，kg/s；
WHC
−火炬气烃类流量，kg/s。
式（2.4-19）是以水蒸汽与火炬气燃烧后产生CO2的重量比以为基础。
蒸汽注入一般采用两种方法：
1）离火炬烟囱的顶部约处设蒸汽注入管道；
2）在火炬顶部设专门的蒸汽注入环。
蒸汽流量采用自动控制或人工控制。
在火炬气量突然增加时允许短时间有烟的操作，可采用人工控制。
2.4.3.2放空烟囱直径计算
放空烟囱的尺寸由允许压降和防止由于燃烧或有毒气体给地面或工作平台造成危害来确定。
一般情况下，选用较高的排放速度，至少为150m/s。
烟囱顶部直径（d）
（2.4-20）
式中
d
−
烟囱顶部直径，m；
ρ
−
放空气在工作条件下的密度，kg/m3；
U
−
放空气在烟囱顶部流速，一般选用150m/s；
W
−
放空气流量，kg/s。
2.4.3.3噪声计算
离排放点30m处的噪声强度（L30）可用式（2.4-21）计算：
（2.4-21）
式中
L−噪声强度，dB-7查得；
C−声速，可由式（2.4-9）求得；
W−排放火炬气流量，kg/s。
当离排放点的距离超过30m时，其噪声强度需用式（2.4-22）计算。
（2.4-22）
式中
Lp
−距离排放点γi处的噪声强度，dB；
γi
−离排放点的距离，m。
噪
声
强
度
dB
压比（PR）
图2.4－7离火炬烟囱顶部30m处噪声强度
噪声计算归纳
1）计算所需基础数据如下：
W
−
排放火炬气流量，kg/s；
kj
−
绝热指数；
Mj
−
排放火炬气分子量；
Tj
−
排放火炬气温度，K；
PR
−
噪声源上下游压力之比；
γi
−
离排放点的距离，m。
2）计算内容
声速：
C=91.2（kjTj/Mj）
由PR-7得L：
计算L30：
计算Lp：
例：
排放火炬气流量为/s，绝热指数为，分子量为29，气体温度为311K，进出排放压比为3，计算离排放点305m处的噪声强度。
解：
a）声速（C）的计算
由式（2.4-9）得：
b）
WC2的计算
c）
的计算
d）-7
已知PR=3，查得L=54
e）离排放点30m噪声强度计算
由式（2.4-21）得：
L30=54+60=114dB
注：
上述计算是假设声速为球形传播，如果为半球形传播，上述计算结果应加3dB。
f）离排放点305m处噪声强度计算
由式得：
因此，在此条件下，离排放点305m处的噪声强度为94dB。
2.5主要的辅助设备
2.5.1火炬管道
火炬管道的设计和压力降计算参见SNEC设计中心《管道压力降计算》（T/ES220019-2005）中第3章“单相流（可压缩流体）”和第4章“气-液两相流（非闪蒸型）”。
2.5.2火炬气分离罐
火炬气分离罐的设计和计算参见SNEC设计中心《气-液分离器设计》（T/ES220020-2005）。
2.5.3火炬气密封系统
火炬气密封系统包括水（液）封和气封（分子密封），都是为了防止排放气倒流和空气倒入火炬系统发生爆炸燃烧事故而设的。
2.5.3.1下述情况要设水封：
1）排放气达到一定的数量，要在一个独立的火炬中燃烧。
2）为了防止火炬总管系统产生真空，需要相对高的吹扫速率（排放气比空气轻或未经冷却的热排放气）。
2.5.3.2下述情况可不设水封：
1）排气设备背压允许值很低，以致于入口插入管的深度小于100mm。
2）排放气温度很低以致于可能引起水封冻结（无加热站）。
如果火炬系统设水封，则水封本身及其下游设备的设计压力可定为700kPa（G），其上游设备设计压力定为350kPa（G）。
水封槽内要留有一定的气相空间，以防夹带水。
水封水补充速度要适当，不能太快。
水封槽溢流口排出水应回收。
水封槽在严寒地区要采取防冻设施，并防止碳氢化合物覆盖液面。
水封槽与火炬基础合并设置时，水封槽应尽量靠近火炬烟囱。
水封槽示意图见图2.5-1所示。
气封是在火炬内无气体排放时，用一定量的吹扫气通过火炬，使火炬维持正压，防止空气倒流入火炬系统，保证安全操作。
气封又称分子密封，结构如图2.5-2所示。
去污水管
放空
图2.5－1火炬气液封（水封）槽示意图
注：
排液管液封至少应为罐最大工作压力的175%。
图2.5－2气封（分子密封器）结构图
2.5.3.3下述情况要设气封：
1）无水封；
2）水封下游要求大流量的吹扫气。
气封用气比空气轻，气封气源接口可设在气封旁边；若比空气重气封气源接口设在火炬底部。
若雨天或冷凝能影响气封，则应设置排放管，其公称直径不小于50mm。
气封要设在火炬烟囱顶部。
如果仅安装一个气封，则整个火炬系统可按350kPa（G）设计，但设备的壁厚要按700kPa（G）设计。
由于经济原因，气封气的流速不可能很高，一般使火炬烟囱内流速维持在0.03～/s，在总用量较低的情况下适当地提高气封气流速有利于气封的密封效果。
气封用气的露点不高于环境的最低温度，可以选用氮气或低分子量气态烃。
2.6火炬系统的流程
2.6.1火炬系统包括火炬气分离罐、火炬气密封槽及分子密封、火炬烟囱及火炬管道。
2.6.2典型的火炬系统流程
将来自各排放系统的物料，首先引入火炬气分离罐，将气液分离，液体返回回收装置，气体引入火炬气密封罐，从密封罐出来的气体则引入火炬烟囱，见图2.8-2所示。
2.6.3乙烯装置的火炬系统
将装置内排放的物料分别送到如下四条总管：
2.6.3.1干火炬总管收集乙烯装置内不含水的、冷的碳氢化合物；
2.6.3.2湿火炬总管收集乙烯装置内含水的、热的碳氢化合物；
2.6.3.3热火炬总管收集乙烯装置内不含水的、热的碳氢化合物；
2.6.3.4液体排放总管收集乙烯装置内低温和冷冻部分的低温液体。
湿火炬总管气体进入湿火炬分离罐，罐内分离冷凝夹带的碳氢化合物，从罐上部出来的气体进主火炬总管，下部液体经泵排至急冷塔。
干火炬总管气体进入干火炬分离罐，罐内分离液体后进主火炬总管，液体排污系统来的物料经蒸发后也进干火炬分离罐。
热火炬总管直接接到主火炬总管。
液体排放总管的液体排到干火炬分离罐。
合并后的火炬气经主火炬总管到火炬烟囱，火炬烟囱顶部接分子密封器。
排放的碳氢化合物在火炬头（即燃烧烧嘴）充分燃烧。
2.6.4火炬系统还包括其他一些辅助设施，如冷火炬气加热站等。
实际设计中应根据具体的工艺装置决定采用什么样的火炬系统。
2.7计算举例（高空火炬）
2.7.1简单近似计算法举例
假设计算所用的基础数据如下：
火炬气流量（Wj）：
126kg/s；
火炬气平均分子量（Mj）：
；
火炬气在火炬烟囱顶部的流体温度（Tj）：
422K；
燃烧热（hj）：
5⨯104kJ/kg；
绝热指数（kj）：
；
火炬顶部内侧的火炬气压力（Pj）：
108kPa；
设计风速（Ux）：
/s；
热辐射因子（F）：
；
最大允许热辐射强度（K）：
2（离火炬中心处）；
热辐射强度传递因子（τ）：
。
2.7.1.1计算火炬烟囱直径（dj）
由式（2.4-2）得：
当Mcah时，则
2.7.1.2计算火炬烟囱高度
1）火焰长度（
）
火炬气放热量（Q）
Q=hj·Wj
=5⨯104⨯126
⨯106kW
-2查得
为130m。
2）火炬气在火炬烟囱出口处的速度（Uj）
当Mach时，由式（2.4-10）得Uj：
Uj=Mach×C
-3查得：
当Mach时
3）计算火炬烟囱高度
由式（2.4-14）得：
由式（2.4-8）得：
当Mach时，则
由以上计算得：
当Mach时，火炬烟囱直径为，高度为119m。
2.7.2布鲁托斯基和索麦尔近似计算法举例
假设计算所用的基础数据如下：
火炬气流量（Wj）：
126kg/s；
火炬气平均分子量（Mj）：
；
空气的分子量（Mx）：
29；
平均风速（Ux）：
/s；
火炬顶部内侧的火炬气压力（Pj）：
108kPa；
平均相对湿度（γ）：
；
火炬气燃烧热值（hj）：
5⨯104kJ/kg；
绝热指数（kj）：
；
火炬气在空气中的爆炸下限（
）：
；
火炬气温度（Tj）：
422K；
空气温度（Tx）：
289K。
2.7.2.1计算高空火炬烟囱直径（dj）
由式（2.4-2）得：
dj⨯10-2⨯Wj（Tj/kjMj）/（PjMach）]
当火炬气为最大排放量时，最大马赫数可取为，因此
dj⨯10-2⨯126⨯⨯46.1）/（108⨯0.5）]
=
2.7.2.2高空火炬烟囱高度（H）的计算
1）计算火焰偏距（Xc）、（Yc）
由式（2.4-9）计算
声速：
C=91.2（kjTj/Mj）
⨯422/46.1）
=/s
火炬气速度（Uj）
Uj=Mach⨯C
⨯
=/s
由式（2.4-11）得：
由式（2.4-13）得：
由
、djR-4-5得：
Xc=
Yc=30m
2）计算火焰中心到地面边界的距离（D）
由式（2.4-14）得：
D=[τFQ/4πK]
-4，取允许操
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