化工装置火炬排放系统的设计
摘要：本文浅析了设计化工装置火炬排放系统的原则、主要内容及一些影响因素，总结了一些常规做法供设计人员参考。
关键词:火炬系统；处理能力；火炬总管；分液罐；水封罐；火炬高度计算.
火炬排放系统设置目的是将工艺装置中设备、管道上的安全阀、泄放阀、排放阀等在不正常操作（或事故）时排放的可燃物料，开停车时必须要排放的可燃物料和试车中暂时无法平衡时所必须排出的可燃物料收集并送到火炬筒顶部的火炬头及时燃烧排放，以确保装置的安全运行，并减少对环境的污染。
一、火炬系统的设计内容
火炬系统一般由火炬总管，分液罐，水封罐，凝液泵，点火盘，塔架，气封，火炬筒体，火炬头，长明灯，航空警示灯，航空警示标志等组成。火炬系统的设计主要包括系统处理能力的设计，火炬管道的设计，火炬气分离罐及火炬气密封系统的设计，烟筒的直径和高度的计算，辐射热的计算等，火炬头由制造厂商设计。
1.火炬总管的设计
火炬排放气体按介质状态分为热气体（T ≥ 0°C,含水或不含水）；冷气体（T < 0°C）；冷气体和热气体都有但不含水；液体排放系统四种情况。排放气介质四种状态的任何一种情况，都要设置一根总管。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立设施和单独的液相系统。火炬总管到分离器要有一定坡度（不小于2%）以便排液，对于排液死角要设排液口并将排出液回收储存。火炬器总管的上游最远端要设置固定的吹扫设施，避免火炬系统发生回火内爆或者产生其他不安全因素。所有的火炬总管都应该设氮气吹扫用软管接口。吹扫气速在最大火炬总管内为0.03m/s。如果火炬系统设有水（液）封，水封上游吹扫气速为0.01m/s。
2.火炬气分离罐的设计
火炬排放总管进入火炬燃烧之前应设分离罐，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。分离罐的设计应符合以下要求：
⑴ 设计流量要按照火炬系统的最大排放量来选取；⑵ 为防止产生火雨，分离罐应能分离出排放气体中直径300um 600um的液滴。
⑶ 结构尺寸一般选用长径比2 3，直径为火炬总管尺寸的3 4.5倍。
⑷ 应设人孔、进出气体管、凝结液排出管、放水管等，必要时设梯子，平台，寒冷地区应采取防冻措施。还要设液面计、温度计、压力表并设置高液位报警器。
⑸ 分液罐的凝结液应送往生产装置或其他储存类似组分的低压容器进行回收利用，需要设置排液泵。
3.水封罐的设计
为了防止排放气倒流和空气倒流入火炬系统发生爆炸燃烧事故，要设置火炬气密封系统，包括水（液封）和气封（分子密封），如果排放气达到一定的数量，要在一个独立的火炬中燃烧或者排放气比空气轻或未经冷却的热排放气，应设水封罐。水封罐的设计，应符合下列要求：
⑴ 设计流量要按照火炬系统的最大排放量来选取；⑵ 应能分离出排放气体中直径在300um 600um的液滴，水封槽内要留有一定的气相空间，以防止水夹带。
⑶ 设计压力不得小于1.0Mpag。
⑷ 水封罐的水封高度，应满足排放系统在正常生产条件下有效阻止火炬回火，并确保排放气体在事故排放时能冲破水封排入火炬。
⑸ 应设人孔、进出气管、进水管、液面控制排液管、排水管、加热管（防冻要求）等，必要时可设梯子、平台，排水管的设置应考虑防止火炬气的溢出。还要设压力表、温度计和液位计。
⑹ 水封罐的补水速度要适当，不能太快。水封罐溢流口排出水应回收以避免环境污染。
⑺ 水封罐与火炬基础合并设置时，水封罐应尽量靠近火炬烟囱。
4.火炬的计算
火炬的计算包括两部分，火炬头和火炬筒体。火炬筒体又包括烟囱直径的计算和烟囱高度的计算。而火炬头由制造厂商设计。
⑴ 火炬烟囱直径计算
一般在确定火炬烟囱尺寸时，可按如下考虑：正常排放时，出口处气体流速应在 0.2 马赫数乘以声速以下；事故或紧急排放时，其流速应在0.5马赫数乘以声速以下。此时燃烧器的压力降在10 50KPa，水封的压力降在5 15KPa，火炬主管的压力降在 10 50KPa，然后通过计算火炬烟囱直径的经验公式进行核算，同时要检查火炬系统总压力降与安全阀背压之间的关系，防止产生憋压。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。
⑵ 火炬烟囱高度的计算
计算火炬高度时，火焰长度与火炬气燃烧释放的热量有关，通常可以参考肯特理论查火焰长度与火炬气释放热量的关联图得到理论火焰长度。由于我国目前还没有这方面的实测数据，按照规范要求当气体的允许最大线速度取0.2 0.5马赫数时，为简化计算火焰长度取120倍火炬筒直径。
火炬燃烧排放气时，巨大的热辐射强度将会伤及操作人员以及损坏设备。辐射热的强度安全值一般为：对人体<1.67 x104Kj/hm2；对设备<3.35x 104Kj/hm2。火炬高度的选择应确保操作人员和设备的安全。
在点火或者废气燃烧时，火焰仍有熄灭的可能，一旦熄灭将有大量废气四溢，若废气中含有有害物质情况更糟。因此，从安全出发，以最大有害物质排放量在不燃烧直接排放情况下落地浓度达到允许浓度标准为设计着手点，来推算火炬应有的高度。
结语
火炬排放系统是石油化工厂防止释放未燃气体的最后一道屏障，其自身的安全设计非常重要。每一套装置都具有其特有的工况，应因地制宜地设计出相应的火炬排放系统，以便可燃气体畅通顺利的燃烧排放，保证装置安全正常的运转。
参考文献：
[1]化工工艺设计手册（第四版）吴德荣 主编.
[2]HG 20570.12 – 95 火炬系统设置.
[3]SY/T 10043 – 2002 泄压和减压系统指南.
[4]优化工厂火炬系统设计 甘肃省石油化工设计院 李智.
