大型煤化工聯(lián)合裝置火炬氣的應(yīng)用研究

大型煤化工聯(lián)合裝置火炬氣的應(yīng)用研究

隨著“五一”期間煤直接液化、煤間接液化、煤制烯等多項(xiàng)煤礦技術(shù)示范工程的成功，化工行業(yè)開辟了快速發(fā)展的機(jī)遇。結(jié)合2011年國務(wù)院發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步規(guī)范煤炭行業(yè)有序發(fā)展的通知》和2012年國家能源秘書處發(fā)布的《煤炭深度改造方案》的行業(yè)指導(dǎo)，新修訂的煤炭發(fā)展方向應(yīng)該是大規(guī)模的、聯(lián)合裝置。火炬系統(tǒng)作為煤化工企業(yè)重要的安全、環(huán)保配套設(shè)施,負(fù)責(zé)燃燒各裝置不同工況下放空的火炬氣。大型煤化工聯(lián)合裝置的火炬氣具有排放種類繁雜、開停工和事故工況下排放量大、正常工況下排放量較小等特點(diǎn)。如何合理進(jìn)行火炬總圖布置、選擇火炬型式、組織燃燒方式成為急需解決的問題。1火氣種類1.1烯烴衍生產(chǎn)品燃料煤通過鍋爐實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)為裝置提供電力、各種壓力等級(jí)蒸汽;原料煤經(jīng)過氣化、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、硫磺回收,去除二氧化碳和硫磺后,通過甲醇合成制取甲醇,然后經(jīng)甲醇制烯烴(MTO)、烯烴分離制取乙烯和丙烯等原料,再進(jìn)一步生產(chǎn)烯烴衍生產(chǎn)品。1.2酸性氣體脫除、烯烴回收裝置火炬氣來源氣化、凈化、甲醇合成裝置排放的火炬氣主要由氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等組成;酸性氣體脫除、硫磺回收裝置排放的主要含有40%硫化氫和51%二氧化碳的火炬氣;甲醇制烯烴、烯烴分離、固體系列衍生物裝置、烯烴罐區(qū)的火炬氣主要是乙烯、丙烯、C4等重?zé)N組分;鍋爐的脫硫脫硝裝置所需液氨系統(tǒng)排放的氨氣。1.3火的劃分1.3.1熱值分類方法按照SH3009-2001中以2000kcal/Nm硫化氫的熱值為5581kcal/Nm氨氣的熱值為3862kcal/Nm1.3.2蒸汽助燃式(1)燃料氣助燃擴(kuò)散燃燒式:通過控制火炬頭出口氣流速度場分布,配合特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使火炬頭出口處形成高溫火焰幕達(dá)到使氫氣、一氧化碳類低熱值火炬氣安全、可靠的充分燃燒的目的。這種型式適用于含有大量水蒸氣、二氧化碳的低熱值富氫火炬氣。(2)蒸汽助燃式:利用蒸汽的高速噴射卷吸大量空氣送入火焰助燃,同時(shí)蒸汽和碳粒子發(fā)生水煤氣反應(yīng),從而起到抑制黑煙產(chǎn)生、穩(wěn)定火焰形狀、延長火炬壽命和確保烴類高熱值火炬氣的無煙燃燒的目的。這種型式適用于主要組分為乙烯、丙烯或C4的高熱值烴類火炬氣。(3)燃料氣助燃蓄熱燃燒式:采用配備燃料氣伴燒燃燒器的蓄熱式火炬頭,達(dá)到穩(wěn)定燃燒場的溫度場分布,實(shí)現(xiàn)有毒可燃?xì)怏w類火炬氣的完全分解和穩(wěn)定燃燒的目的,確保燃盡率達(dá)標(biāo)。這種型式適用于酸性氣、氨氣火炬頭。(4)強(qiáng)制通風(fēng)助燃式:利用布置在地面的鼓風(fēng)機(jī),通過垂直管道將空氣強(qiáng)制送至火炬頭,為燃燒提供足夠的空氣,從而達(dá)到抑制黑煙產(chǎn)生的目的,保證停工檢修期間烯烴罐區(qū)排放的重?zé)N類高熱值火炬氣的燃燒效果。這種型式一般應(yīng)用在無法提供蒸汽的場合。1.3.3排放工況工況主要有事故工況、正常排放、管道泄漏氣根據(jù)火炬氣排放的工況,可分為開停工排放、事故排放(公用工程供應(yīng)中斷、火災(zāi)等事故)、正常排放三種。一般情況下:事故排放量≥開停工排放量;正常排放量主要為再生排放氣以及安全閥、泄壓閥等閥門的泄漏量;事故和開停工排放量通過事故火炬燃燒,正常排放量通過主水封和小流量水封之間的高度差分流至小流量火炬燃燒。2火炬的定義、分類和比較2.1火炬氣的排放火炬用于處理各工藝裝置及輔助設(shè)施在開停車、正常以及事故工況下排放的火炬氣,負(fù)責(zé)及時(shí)、穩(wěn)定、充分地將排放的易燃和有害可燃?xì)怏w轉(zhuǎn)變?yōu)榉檄h(huán)保要求的不燃和無害物質(zhì)?；鹁嫦到y(tǒng)通常由火炬氣排放管線、分液及水封設(shè)施、燃燒設(shè)施、點(diǎn)火設(shè)施等組成。2.2火炬的分類和比較火炬的分類方法較多,通常按照是否遠(yuǎn)離地面劃分為高架火炬和地面火炬。2.2.1熱輻射和煙氣擴(kuò)散高架火炬是將燃燒器(火炬頭)通過塔架布置在遠(yuǎn)離地面的高空,使火焰在頂端自由充分地燃燒的排放燃燒設(shè)施。高架火炬燃燒后的煙氣直接排入大氣,隨氣流擴(kuò)散至較遠(yuǎn)的地方。火焰形成在足夠高的高空,其熱輻射不會(huì)影響地面的設(shè)備和人員;高溫?zé)煔庠跀U(kuò)散過程中得到冷卻,不會(huì)影響地面的設(shè)備和人員。用來處理各種工況下排放的可燃?xì)怏w以及有毒可燃?xì)怏w,其高度可根據(jù)熱輻射值調(diào)整。2.2.2火炬燃燒火焰地面火炬主要由基礎(chǔ)、安全防護(hù)墻、燃燒器組、防輻射隔熱罩、點(diǎn)火系統(tǒng)組成。由于排放火炬氣的燃燒火焰完全控制在防輻射隔熱罩內(nèi),外界看不到火焰,能最大限度的減少熱輻射、噪音對(duì)工作人員和周圍設(shè)備的影響。用于處理開停工和正常工況下的可燃?xì)怏w以及毒性為中度或輕度危害的有毒可燃?xì)怏w。具有低噪音、無煙燃燒的特點(diǎn)。2.2.3土壤和高火的比較見表13安裝火炬系統(tǒng)的原則和內(nèi)容3.1可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)火炬系統(tǒng)作為安全、環(huán)保的最后一道屏障,其設(shè)置應(yīng)在確保生產(chǎn)安全、環(huán)保的前提下,遵循“可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”的原則;最終實(shí)現(xiàn)火炬的燃燒產(chǎn)物以及排放產(chǎn)生的光、熱輻射、噪聲符合規(guī)范要求,系統(tǒng)運(yùn)行能耗經(jīng)濟(jì),投資費(fèi)用合理的目的。3.2火災(zāi)干系的內(nèi)容3.2.1火炬系統(tǒng)投資及運(yùn)行費(fèi)用的影響火炬系統(tǒng)的總圖布置應(yīng)滿足GB50160和SH3009的相關(guān)規(guī)定;充分結(jié)合工藝要求,做到外部管線短捷、節(jié)能降耗并易于管理;同時(shí)依據(jù)火炬熱輻射的計(jì)算結(jié)果,確保滿足人和裝置的安全、滿足風(fēng)向及建筑朝向的要求。(1)投資費(fèi)用的影響以榆林180萬t甲醇制烯烴項(xiàng)目的火炬氣管徑為例:高、低壓富氫火炬氣管徑分別為1.6m、1.0m;低、超低壓重?zé)N火炬氣管徑分別為1.4m、1.2m。如此大管徑的火炬氣管線,合理布置總圖減少火炬氣管線長度能夠降低火炬系統(tǒng)管廊和管線投資。(2)運(yùn)行費(fèi)用的影響由于大型煤化工聯(lián)合裝置的氣化裝置采用德士古工藝,其排放火炬氣中含有約58%的水蒸汽,需要對(duì)火炬氣管線進(jìn)行冬季伴熱運(yùn)行以防止溫降導(dǎo)致發(fā)生水擊現(xiàn)象,對(duì)管線造成損壞。合理布置總圖減少火炬氣管線長度能夠節(jié)約蒸汽用量、減少運(yùn)行費(fèi)用。3.2.2裝置排放工況對(duì)比參考SH3009、API521等國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的定義,火炬系統(tǒng)必須在最大排放量下,滿足上游事故裝置安全、順暢、連續(xù)排放的要求。最大排放量按照裝置在火災(zāi)、公用工程供應(yīng)中斷事故(停水、停電、停汽、停風(fēng))、設(shè)備事故等工況下的排放量進(jìn)行分析、組合后確定。比較普遍的計(jì)算方法主要有以下幾種:(1)只考慮一個(gè)最大裝置的事故排放量;(2)一個(gè)最大裝置排放量與其余裝置事故排放量的30%疊加;(3)考慮兩個(gè)裝置最大事故排放量疊加;(4)一個(gè)最大裝置排放量與其余裝置事故排放量的50%疊加;(5)全部裝置事故排量100%疊加?，F(xiàn)以榆林項(xiàng)目的火炬氣數(shù)據(jù)為例說明如下:氣化、凈化、甲醇合成作為聯(lián)合裝置,其最大排放量分別出現(xiàn)在兩種工況:第一種工況是氣化下游凈化裝置出現(xiàn)事故停車,造成上游5臺(tái)氣化爐超壓同時(shí)排放157.7×10重?zé)N類排放情況:MTO的最大排放量為停電工況下的109t/h;烯烴分離裝置的最大排放量為停水、電工況下的688.9t/h;PP裝置的最大排放量為火災(zāi)和停水工況下的140t/h,停電工況的排量為124.6t/h;LDPE裝置的最大排放量為火災(zāi)、停水和停電工況下的70t/h;烯烴罐區(qū)的最大排放量為火災(zāi)工況下的89t/h,停水和停電工況下無排放。根據(jù)SH3009-2001中2.02條c:“不考慮同時(shí)發(fā)生兩種事故的工況,對(duì)不同事故發(fā)生的排放條件不進(jìn)行組合”的規(guī)定,因此不考慮停電、停水、火災(zāi)等不同事故下火炬氣排放量的疊加。經(jīng)過比較,停電工況下的排放量大于停水或火災(zāi)工況,因此確定以停電工況作為火炬氣排放量計(jì)算的基礎(chǔ)。MTO和烯烴分離作為聯(lián)合裝置,其排放最大量為停電工況下的排放量(688.9+109)t/h,按計(jì)算方法(2)再加上同一事故下PP、LDPE裝置排放量的30%(58.38t/h)之和,總量857t/h作為重?zé)N火炬的最大排放量。鑒于大型煤化工的重?zé)N類火炬氣排放裝置多,工況復(fù)雜等特點(diǎn),不建議按計(jì)算方法(3)確定最大排放量;同時(shí)根據(jù)SH3009-2001中2.0.2條b:“應(yīng)考慮工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)中,自動(dòng)聯(lián)鎖對(duì)排放量的影響”的規(guī)定,亦不建議按計(jì)算方法(4)或(5)確定最大排放量。3.2.3火炬結(jié)構(gòu)形式考慮到大型煤化工聯(lián)合裝置的火炬排放氣中有硫化氫和氨類有毒可燃?xì)怏w,開停工、事故工況下富氫和重?zé)N類火炬氣排放量大的特點(diǎn),只能選用排入高架火炬進(jìn)行燃燒。由于正常工況下的富氫和重?zé)N類小流量火炬氣排放量低于事故火炬最小燜燒量(富氫和重?zé)N的最小燜燒量分別為27496Nm可能的排放組合方式有:(1)選用高架火炬:富氫和重?zé)N類小流量火炬氣排入有毒可燃?xì)怏w火炬;停工火炬氣單獨(dú)進(jìn)通風(fēng)助燃式火炬。(2)選用高架火炬:富氫類小流量火炬氣排入有毒可燃?xì)怏w高架火炬;重?zé)N類小流量火炬氣和停工火炬氣排入通風(fēng)助燃式火炬。(3)選用高架、地面火炬結(jié)合:富氫類小流量火炬氣排入有毒可燃?xì)怏w高架火炬,重?zé)N類小流量火炬氣和停工火炬氣排入地面火炬。方式(1)存在的問題:硫化氫、氨、富氫、重?zé)N類火炬氣的熱值差距大;前三種需要燃料氣伴燒,而重?zé)N類需要消煙(為避免形成濕硫化氫環(huán)境,只能采用引工廠空氣消煙方式);同時(shí)由于火炬氣正常排量的不穩(wěn)定性,造成火炬氣流量、燃料氣伴燒量、消煙空氣量頻繁波動(dòng),無法保證穩(wěn)定的燃燒溫度,從確保有毒可燃?xì)馊急M率的角度考慮,不建議采用。方式(2)存在的問題:按照SH3009-2001中4.0.18條的規(guī)定,事故和停工火炬不同時(shí)檢修,為避免因輻射熱造成的相互影響,需充分考慮間距因素,從節(jié)約用地的角度考慮,不建議采用。方式(3)在僅部分增加設(shè)備投資的情況下,有效地解決了其他方式存在的問題。綜合比較后,建議的燃燒組織方式如下:生產(chǎn)過程中有毒可燃?xì)怏w(硫化氫、氨類)和分流的低于事故火炬最小燜燒量的小流量富氫火炬氣排放至帶燃料氣伴燒的蓄熱式高架火炬燃燒;大于事故火炬最小燜燒量的富氫和重?zé)N類火炬氣分別排入低熱值擴(kuò)散和蒸汽助燃式高架火炬燃燒;分流的低于事故火炬最小燜燒量的小流量重?zé)N火炬氣和停工期間重?zé)N類火炬氣分別排入蒸汽助燃式和通風(fēng)助燃式地面火炬燃燒(停工期間無蒸汽供應(yīng))。3.2.4富氫火炬氣管線的柔性分析(1)全廠所有的火炬支管及總管按0.2%的坡度設(shè)計(jì),確?；鹁婀芫W(wǎng)中無“袋形”;所有的支管按應(yīng)坡向總管,而總管應(yīng)按坡向分液罐敷設(shè),確保在火炬管線內(nèi)不形成柱塞流影響火炬氣排放。(2)為減少壓力降和反作用力,火炬支管線順流向從上方與火炬系統(tǒng)總管成45°連接。(3)為控制沖擊,火炬管網(wǎng)應(yīng)按抗負(fù)壓設(shè)計(jì)、統(tǒng)一考慮進(jìn)行柔性分析。(4)為控制熱膨脹,建議采用水平布置π補(bǔ)償器,如π補(bǔ)償器不易布置時(shí),優(yōu)先使用環(huán)形補(bǔ)償器,特殊情況下采用波紋型膨脹器。(5)為避免低溫的氣相液化烴排入火炬管網(wǎng)對(duì)碳鋼管線的脆性破壞,須加熱到5℃以上后再排往系統(tǒng)中。(6)各支線在進(jìn)入火炬總管前須經(jīng)裝置內(nèi)分液罐分離掉>300~600μ液體,以防止大量液體進(jìn)入火炬總管而影響火炬氣排放。(7)對(duì)含大量水蒸汽的富氫火炬氣管線應(yīng)進(jìn)行保溫、伴熱設(shè)計(jì),避免出現(xiàn)水擊。(8)各火炬氣總管的盲端設(shè)置自動(dòng)氮?dú)獯祾咴O(shè)