绪  论

作者本人有幸参与完成两套火炬系统的设计，并且正在进行两套煤化工行业的火炬系统设计工作，积累了一定的工作经验。在设计过程中，通过电话咨询与面对面的技术交流，借鉴了不少专家和制造厂家的一些先进的做法与经验，感觉收获颇丰，对火炬的设计有了自己的一些浅显的看法，并在本论文中做了总结。然而近几年来，装置规模越来越大，千万吨的炼化及煤化工行业快速发展，火炬系统越来越复杂，挑战也越来越大，这种情况都引起建设者、火炬设计工程人员和火炬制造厂商的高度重视。由于装置排放工况与火炬设计的复杂性，在参与一些火炬技术交流会与设计评审的时候，碰到了不少有关火炬问题的争议以及一些专家之间观点的碰撞。尤其大型炼化工程，影响火炬气排放系统尺寸的体积排放量以及影响火炬高度和火炬安全区域的质量排放量，往往都是经过工程公司火炬设计专业、装置专业以及本行业的专家与火炬制造厂商，经过多次评审与讨论后形成一致意见作为设计的依据。

本论文为本人结合专业技术工作实践和实例，提出自己的一些看法和解决问题的方法，在此抛砖引玉，诚邀各位专家同行慷慨指导，授业解惑。本论文编写的过程中，参考与引用了有关的科技文献内容，并得到了有关企业和专家的指导，收到不少同事读者的良好建议，在此一并表示感谢。鉴于编者水平有限，敬请同行专家批评指正。

一、火炬气系统设计执行的相关标准

火炬系统的设计首先提到指导火炬系统设计的相关标准。我们国家有关火炬系统设计参考的标准主要三本规范或指导性文件，分别是炼油行业的《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》SH3009、化工行业的《火炬系统设置》HG20570.12，中海油石油总公司研究中心开发设计院编写的《泄压和减压系统指南》SY10043。国内工程设计人员有时候参考国外的一些书籍和文献，包括《Presure-relieing and Depressing Systems》API 521及《Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service》API 537。煤化工行业，没有专门的火炬设计的规范，一般会参考上述规范。由于没有对应的国标文件，火炬系统的设计，会随着行业的不同，执行标准也会有所变化。

由于，火炬对周围环境以及装置与公共设施等有较大的影响，《石油化工企业设计防火规范》GB50160中也对火炬的设计有明确的要求。

此外，由于火炬是直接向大气排放燃烧气体，尤其是酸性气火炬，有关环保行业的标准也是主要的设计依据。包括《恶臭污染物排放气体标准》GB14554和《制定地方大气污染物标准的技术方法》GB/T 3840。

二、火炬系统细节设计

1、研究火炬气排放条件

工艺装置专业提交的火炬气排放条件，是火炬设计的基础数据与前提。火炬设计人员应首先判断该股火炬气能否在火炬区进行处理。判断火炬气排放条件能否可以接受可以参考《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》SH3009-2013。规范中规定的一些火炬气工况，一类情况是直接不能够接受而由装置自己处理，另一类情况是经过装置处理后再排放火炬，第三类情况是出装置后经过初步处理再排往火炬。 这些包括如下情况：

（1）含有固体颗粒火炬气的处理

含有固体颗粒的火炬气排放可以概况为三种情况。

第一种情况，含有沥青、渣油、粉末或固体颗粒的可燃性气体排放前，应该在装置内分离处理。这样处理的原因是固体颗粒会聚集在可燃性气体排放管线内，尤其一些弯头等处，会造成气体实际排放管径变小甚至严重堵塞，影响气体的顺利泄放进而造成装置憋压。这种情况，应该在装置内进行充分分离后方可进入可燃气体排放系统。

第二种情况，火炬气之间发生聚合反应，形成网状或固体颗粒状。例如硫化氢与氨气生成固体铵盐，这种情况一般在硫磺回收等类似装置的火炬气排放时发生。设计上一般利用产物受热易分解的特点，采用蒸汽伴热至130℃以上，超过铵盐的热分解温度，使之不生成固体颗粒。

第三种情况，火炬排放气中含有较多凝固点较高的成分。火炬气在流动过程中逐渐降低至凝固点以下，形成固体颗粒。例如，提酚装置排放的苯酚和装置中排放的苯蒸汽。苯酚的凝固点为41℃，苯的凝固点为5.5℃，在环境温度低于凝固点的情况下，都有形成颗粒的可能性。面对这种情况，设计上一般采用保温或者采用蒸汽伴热，并且宜单独设置可燃气体排放管道。

（2）高含氧的排放气的处理

排放气中氧含量超过2%，不应进入全厂火炬系统，应单独设置火炬气排放系统或者另行处理。

含氧量较高的排放系统，一般自成安全的体系，不在爆炸极限范围内。当该股气流与其他的可燃性气体在全厂的排放系统掺混时体积分数发生变化，有可能会达到可燃气体的爆炸极限之内，对全厂的排放系统和工艺装置运行形成安全上的隐患。并且，由于现在可燃性排放气体大多要回收，也会对气柜与压缩机等回收系统造成安全隐患。

（3）有毒或有腐蚀性气体的处理

剧毒介质如果燃烧不充分进入大气，危害会非常严重，一般要求装置专业单独处理；腐蚀性的介质一般要求管道耐腐蚀，或者采用其他措施以防止辐射环境的发生。例如，含有硫化氢气体的酸性排放气，要采用蒸汽伴热的方法。蒸汽伴热有两个原因，一方面避免形成固体颗粒，另一方面的考虑就是使酸性气管道内介质温度保持在130℃以上，保证不形成液相腐蚀环境，减轻酸性气的腐蚀。

（4）背压过低排放气的处理

火炬排放系统根据装置安全阀可承受的背压，可以划分为高压火炬、低压火炬、低低压火炬。当装置安全泄放的压力过低，并且为之计算的排放系统尺寸过大，成本过高时，一般不进入全厂火炬，建议设置装置火炬。装置火炬一般靠近装置，可以大幅减少沿程摩阻。装置火炬由于距离装置太近，如果可能形成火雨，则应布置在90米以外并能够满足对装置的热辐射要求；如果处理的火炬气不含液体，装置火炬的布置间距可以仅仅考虑对装置的热辐射要求。

（5）热值过低不宜直接进入火炬系统

 热值过低不宜直接进入火炬系统。一般会是含蒸汽体积分数较大、或者含氮气量较大的排放气，或者含有较大体积分数的其他低热值甚至不燃烧的气体。但一般。一般做法是向火炬气排放系统中掺入高热值的瓦斯气，将热值调整到2000Kcal以上。对于一些连续排放的低热值气体，尚应评估其他用途的可能性。例如，锅炉对低热值排放气的热值比火炬要求的偏低，可以考虑这股燃料气进入动力站作为燃料气的可能性。

有毒的酸性气排放，在安全和环保上都有着严格的规定。为避免出现安全和环保上的事故，不管热值够不够，一般都会设置瓦斯气补气阀组进行补气。

2、分液罐与水封罐设计

（1）分液罐设计

分液罐是火炬系统中重要设备，主要有三个作用，分别是回收轻烃、防止火雨以及避免水击。为减少两相流动对火炬系统的影响，应该在含凝结液的可燃性气体（碳五及碳五以上）排放管道上每1000m~1500m进行一次分液处理，主要作用是减小两相流对管道的支管或弯头处、管架以及火炬区分液罐管嘴的冲击。

分液罐在比较寒冷的北方地区一般都做保温和蒸汽伴热。如果伴热管道在罐体里面，应该对伴热管线留有坡度，保证能够对盘管进行放净。盘管由于浸泡在液体中，腐蚀余量应该取3mm以上。盘管常会受到高速气流冲击，应对其加强固定。应该避免用罐体外壳作为加热套的一个壁，这样做无法检查罐体外壁。

分液罐的凝液含量一般不超过总容积的1/3。当凝液液位偏高时，会减少气体的流动面积，增大流动阻力，并且高温和高速气流会带走已经降落下来的凝液。因此，应该设置高液位报警，液位达到设定值，启动泵将凝液送至装置或者轻油储罐。

分液罐一般都设置顶部操作检修平台和竖直爬梯。分液罐的人孔以前的设计，一般放在分液罐的上部，操作或检修人员从顶部通过罐内的竖梯进入分液罐内部；新规范推荐人孔宜设在罐体端部并尽量靠近罐的底部。原因主要有以下几个方面，一是分液罐的爬梯容易受腐蚀，尤其在气液的分界面；还有罐内竖梯经常会受到高温高速气流的冲击而发生机械故障；并且，比较粘滑的轻油粘在扶手上，也不利于人员的抓牢。

（2）水封罐设计

水封罐是保证火炬设施本质安全的重要设备。水封罐有三个重要作用，防止回火、为火炬气回收提供背压以及一定的分液功能。水封系统主要包括水封罐本体、伴热与补水阀组组成。水封罐的设计主要考虑以下几个方面:

1.充足的补水能力

尤其大量高速高温的火炬气排放，有运行人员反映由于补水速度太小，造成水封罐内液体被带空的情况。当火炬气突然停止排放，会有空气从火炬头进入火炬系统内部，这种情况下由于水封罐由于没有达到设定水封值，是比较危险的。

一般设置水封罐液位与补水调节阀有联锁关系，液位偏低的时候打开调节阀门，液位补充到设定值，关闭调节阀。补水阀组的上水能力，一值以来都没有定论。传统做法是DN80的补水管道就可以满足补水要求。对于邻氢火炬、氢气火炬或者火炬气温度排放偏高的时候，建议适当加大补水速度。因为上述情况，会带走大量水并且易在排放后迅速产生真空。也有工程人员采用如下的设计方法，来解决补水问题，见下图2.1补水阀组流程示意图。

图2.1 补水阀组流程示意图

DN80的调节阀门与水封罐的液位联锁，当液位不够时进行补水操作；DN40的控制阀由远程进行控制，可以方便控制室内操作人员进行远程补水，也可以弥补主调节阀门补水能力的不足。DN25的补水管线为水封罐的长流水补水方式，补充能力3 ~ 5L/h即可以满足要求；该情况适用于南方等不缺少地区，西部地区由于淡水资源缺乏而不推荐使用。

2.必要的伴热措施

我国北方地区冬天都要进行伴热，避免水封罐内液体被冻堵，影响火炬气正常排放。蒸汽伴热管线应该留有适当坡度，便于疏水和放净。

3.水封罐入口管道的锯齿设计

水封罐的入口管道深入液面以下，大量气体泄放的时候会以气泡的形式冒出再破裂，产生巨大的声响和引发密封水面的剧烈波动，会引发储罐基础的损坏和火炬的脉冲式燃烧。

4.水封罐的假液位问题

水封罐的补水阀门是由水封罐的液位变送器调节控制的。尽管水分罐入口采用了防止和减少水面波动的措施，但入口页面由于气流的冲击，页面会明显低于其他位置。入口周围如果设置液位检测仪表，就会给补水阀门提供补水命令，但实际上此时不需要进行补水，会造成水资源的浪费。可以采用双法兰液位计采用测量压差的方式解决。

5.水封罐与阻火器的应用场合与区别

水封罐与阻火器都可以起到阻止回火的作用。但二者的应用场合有区别：

使用阻火器存在易堵塞、骤冷回火爆炸、系统负压等问题，在炼油化工厂一般是不用的。但低温场合，例如LNG火炬则不可以用水封罐，否则会直接将水冻住，影响装置安全泄放。LNG低温火炬可采用低温阻火器，并对阻火器进行电伴热。阻火器，还有体积小，价格便宜的好处，较纯净而不含凝液的气体泄放，推荐采用阻火器。

3、点火系统、消烟系统及氮封设计

（1）点火系统细节设计

点火系统的可靠性，是火炬设施保证安全的重要内容。按照自动化程度可以分为自动高空点火、远程手动高空点火（又叫半自动）、就地点火三种方式。为确保火炬点火的可靠性，火炬设施配设两种独立的点火方式。烃类火炬与酸性火炬的点火方式均为高空点火+地面内传焰点火两种方式，高空点火为可以实现自动模式、远程手动点火以及就地点火操作盘点火。地面内传焰点火为就地手动模式、火炬设施内设置就地点火操作盘按钮。

地面内传焰点火盘位于火炬塔架附近，由仪表空气管、燃料气管线、混合室、点火电极、点火按钮等组成，为高空点火方式的备用，地面爆燃点火为手动模式。

点火设计的注意因素：

1.工艺方面

燃料气和仪表风都应该设置稳压阀门，一般自力式调节阀门就能够满足要求。燃料气和仪表风都应该设置分液罐，分理处由于管网温度变化析出的水分和其他凝液；一般的从空氮站和气柜压缩机出来的气体为不大于40℃，大多情况下仍然会高于周围的环境温度。

每一路长明灯，都配备一路高空点火管路和一路地面内传焰点火管路；烃类火炬一般可以进行全部熄灭并联锁点火；有的设计单位为防止出现点火不成功的情况，设计上一盏长明灯长燃；酸性火炬的长明灯应都长燃。

2. 配管方面

点火设施的燃料气管路和仪表风管路，地面处后至长明灯和地面点火爆燃盘之间，应该步步高，并且在低点设置排液阀门。从地面爆燃点火盘引出的爆燃管线，由于产生的是高温火焰，本段管线至火炬头处，材质宜为不锈钢，阀门壳体要求不低于304SS。

火炬塔架区的工艺管道与点火系统的管线不能有低点。在技术协议中，必须与火炬塔架厂家提出，出现低点的位置主要是竖直的π型补偿器的水平段处，详见下图3.1塔架垂直π型补偿示意图中圆圈中的水平管道部分。

图3.1塔架垂直π型补偿示意图

此水平段管道应该有一定向上的坡度，保证此水平段不出现积液。

（2）消烟系统细节设计

1. 消烟阀组的工艺及控制

烃类火炬主火炬设施常用的消烟设计为三路蒸汽消烟，有些火炬排放量比较小的时候，也有厂家采用两路蒸汽消烟设计。

三路蒸汽消烟，主要是中心蒸汽、引射蒸汽以及消烟蒸汽。

中心蒸汽，主要是扶正火焰；

引射蒸汽，搅动火焰，将空气带入火炬气；

消烟蒸汽：位于最上方，直接喷射到火焰上。

用量一般来说，消烟蒸汽＞引射蒸汽＞中心蒸汽，初步估量的时候可以按为5：3：2。

2.配管

三路蒸汽消烟管线自管架至火炬头处，不应有低点。并且，建议这段管线加强焊接管理，可适当提高探伤比例。有工厂出现了，该段垂直管道投产后不久出现了中下管段焊缝漏气的情况，造成了低压蒸汽中间段泄压，不仅仅浪费了蒸汽，并且降低了原有的蒸汽消烟能力。

火炬的分子封应进行伴热，在上面出现了冰冻，影响火炬气安全泄放。

（3）氮气密封设计

氮气密封一般用限流孔板控制流量。建议设置流量计，并设置低流量报警。原因如下，由于限流孔板的开孔较小，有被管道中残留的焊渣等堵塞的可能。限流孔板后面的压力一般有0-2千帕左右，限流孔板前面压力则一般在0.5-0.7MPa左右，因为限流孔板被堵，反应出的其前后压差变化远小于限流孔板前端压力变化值，故推荐用流量计，限流孔板被阻塞，可以被及时发现。流量计应设置低流量报警，并且设置累计和远传功能。

新疆与内蒙高寒地区，氮气密封建议设置换热器，极寒天气的时候打开换热器，加热氮气，使得火炬头不能冻堵塞。

氮气密封补充位置建议在水封罐以后，建议不靠近分子封。原因，就是长期运行以后，管道有细小沙眼，在靠近分子封处处补充解决不了分子封以下的管道渗入空气的问题。

三、水封阀组与火炬气回收设施

火炬气回收设施由气柜、湿式螺杆压缩机、水封阀组、过滤罐、地下凝液罐及潜油泵等组成；有的工程公司习惯在气柜前面加水封阀。流程见下图3.1火炬及火炬气火炬气回收系统流程简图。水封阀组是近几年来专门为火炬气回收发明的专利设备，其特点就是在装置开停工或事故状态下,水封罐泄水封阀组联锁打开,水封高度降至固定水封处,并启动高空自动点火系统点燃火炬长明灯, 实现放空气体安全排放。当压力、温度检测信号满足正常工况设定条件时，水封高度重新提高1000mm，开始进行火炬气回收。火炬气回收设定的水封高度应该与水封阀组紧急动作所对应的压力值一致，或略小于设定值。例如水封高度设定值为1000mm，则压力动作值可设定为10千帕或10.5千帕。

图3.2火炬及火炬气火炬气回收系统流程简图

煤化工行业火炬排放气含油较多固体颗粒杂质，在气柜前面宜设置过滤设备，过滤设备的压降不宜超100mm水柱，压降偏大会影响气柜的进气能力。过滤罐宜采用一用一备形式。

考虑到节约能源与保护环境，新建工厂宜设置可燃气体回收设施，但也应该进行经济性评价。如果装置偏少并且可以回收的燃料气热值不高的时候，可以考虑不设置回收设施。                 

结  论

由于火炬设施是石油化工厂重要的安全设施。火炬的细节设计，影响到火炬能否能够发挥安全保障作用以及火炬系统的投资，应该引起工程人员的重视。在设计中，尤其应该注意以下几个方面的细节：

1.认真的研究装置提交的火炬气排放条件，尤其是排放压力与火炬气的毒性应该有全面细致的把握。排放压力是影响火炬系统背压确定的基础，对火炬设施和排放系统尺寸有直接影响，进而影响火炬系统设计是否安全与经济；

2.分液罐是应该在含凝结液的可燃性气体（碳五及碳五以上）排放管道宜每1000m~1500m进行一次分液处理，主要是减小对管道的支管或弯头处、管架以及火炬区分液罐管嘴的冲击；

3.水封罐应该设置较强的补水能力，尤其是高速高温气体；必要时，设置远程控制的阀门，远程手动补水；

4.氮气密封宜设置限流孔板与流量计，并进行低流量报警；新疆与内蒙高寒地区，氮气密封建议设置换热器，极寒天气的时候打开换热器，加热氮气，使得火炬头或分子封不能冻堵塞；

5.消烟蒸汽压力不应该低于0.7MPa，上塔架段管线在水平π型补偿段不应该有低点；施工时，应加强蒸汽管线的焊接管理。

火炬系统是一个较为复杂的系统工程，涉及专业范围较广，影响范围较大。本论文对火炬设计中的一些注意细节和常用做法进行了选择性论述。因文字篇幅有限，可燃气体排放叠加原则、火炬排放系统背压确定及火炬影响区域等重要内容都没有提及；尤其是可燃气体排放叠加原则一直以来都是困扰火炬专业设计人员的重要问题，方案往往经过开会论证和不断的完善。

参考文献

[1] SH3009-2013，石油化工可燃性气体排放系统设计规范 [S]

[2] SY10043-2002，泄压和减压系统指南 [S]

[3] API 521，Presure-relieing and Depressing Systems [S]

[4] 中国石油化工股份有限公司炼油火炬系统安全运行指导意见（试行）

[5] 韩钧. 炼油厂火炬系统工艺设计探讨  [J].石油化工安全技术，2002,18（2）:21-24