高架火炬熱輻射及其影響區(qū)域的分析計算

張 鷹，吳如凡

(南京金凌石化工程設(shè)計有限公司，南京 210042)

某石化企業(yè)正常生產(chǎn)時可回收的可燃性氣體量約15 000 Nm3/h，由現(xiàn)有的1座30 000 m3濕式氣柜進(jìn)行回收利用，進(jìn)氣柜回收的可燃性氣體經(jīng)2臺7 000 Nm3/h壓縮機(jī)送至脫硫裝置脫硫后補充至全廠燃料氣管網(wǎng)。濕式氣柜和壓縮機(jī)自建成后已運行20余年，氣柜柜體腐蝕較嚴(yán)重，壓縮機(jī)長期滿負(fù)荷連續(xù)運行無備用。近年來，氣柜檢修頻繁，且在其檢修期間無法對全廠可燃性氣體進(jìn)行回收利用，需通過火炬燃燒后排放，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失和較嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此需新建1座氣柜及配套設(shè)施，解決目前氣柜檢修造成的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染問題。新建氣柜選用卷簾型橡膠膜密閉干式氣柜，容積300 00 m3，新建3臺7 000 Nm3/h單級螺桿壓縮機(jī)。新建壓縮機(jī)廠棚距東側(cè)煉油火炬約135 m，新建氣柜距東側(cè)煉油火炬約150 m。

1 分析計算

關(guān)于火炬系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)范較多，常見的有《HG/T 20570.12-95工藝系統(tǒng)工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定-火炬系統(tǒng)設(shè)置》《SH 3009-2013石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》；國外主要的規(guī)范是《API521 Pressure-relieving and Depressuring Systems》。SH 3009在石油化工設(shè)計領(lǐng)域使用較多、應(yīng)用較廣，故以此規(guī)范為參照。

高架火炬不論是正常燃燒工況，還是事故排放工況，都可以簡化為火焰中心這一點熱源對一定距離接收點的熱輻射值，需計算火焰產(chǎn)生的熱量[1]：

Qf=2.78×10-4Hyqm

(1)

本研究中，火炬事故最大排放量為940 t/h，排放的氣體組分為氫氣(33%)、丙烷(29%)、正丁烷(38%)，可計算出Q約為1.24×107kW。

計算火焰長度。事故泄放時，火炬頭出口氣體馬赫數(shù)大于0.2：

Lf=118×Dft

(2)

將火炬出口直徑帶入，得出火焰長度L約為142 m。當(dāng)出口氣體馬赫數(shù)低于0.2時，火焰長度與氣體的流速成正比；當(dāng)出口氣體馬赫數(shù)大于0.2時，火焰長度為一定值，不隨氣體流速變化。

對于火焰長度的研究，主要集中在20世紀(jì)中后期。G.R.KENT 通過小直徑管道在靜止的空氣中對火焰長度進(jìn)行實驗，得出“馬赫數(shù) ≥0.2 時，火焰長度是固定的，并約等于氣體出口直徑的118 倍”的結(jié)論，即公式(2)的由來。HONDA T.J.、T.A.BRZUSTOWSKI/E.C.SOMMER、Schwanecke R.對于火焰長度也提出了不同的看法，有的認(rèn)為火焰長度與馬赫數(shù)相關(guān)，有的認(rèn)為火焰長度與燃燒熱量相關(guān)。其中運用較廣的是T.A.BRZUSTOWSKI/E.C.SOMMER提出的混合噴射模型，在計算火焰中心時，引入了爆炸極限這個參數(shù)，這一模型被API 521采納為精簡算法[2]。

盡管計算火炬燃燒模型眾多，但還是無法準(zhǔn)確預(yù)測火炬長度。通過大量的實驗比對，T.A.Brizustowski/E.C.Sommer及G.R.Kent 的計算方法被認(rèn)為是可以接受的,但前者的計算方法因為引入了爆炸極限的概念，需要知道燃燒氣體的具體組成，對于工程計算的便利性會有一定的影響。

確定火焰長度后，結(jié)合現(xiàn)有的火炬塔架高度及相應(yīng)的接收點坐標(biāo)，求得對應(yīng)接收點的輻射強(qiáng)度：

(3)

式(3)涉及風(fēng)速對火焰中心的影響參數(shù)Xc和Yc，根據(jù)空氣與排放氣的動量比值E及火焰長度L查表得到。將空氣及排放氣的相關(guān)參數(shù)帶入，計算得到E約為0.001 2，進(jìn)一步查表得到Xc約為12 m、Yc約為46 m。

關(guān)于火焰中心的確定方法也有較多。G.R.Kent認(rèn)為，無風(fēng)時火炬的火焰中心約在火焰長度的下1/3處，T.A.Brizustowski /E.C.Sommer 則把火焰在側(cè)向風(fēng)作用下形狀中心曲線的中點定義為火焰的中心點。SH 3009采用 G.R.Kent 的火焰長度計算方法，結(jié)合伊萬諾夫射流軌跡方程，確定火焰中心點[3]。

根據(jù)熱輻射系數(shù)反推出接收點的K值，其中輻射熱系數(shù)的計算方法如下：

(4)

將排放氣的熱值、空氣濕度及火焰中心到接收點的距離帶入(4)，得到熱輻射系數(shù)約為0.129，根據(jù)式(3)推算新建氣柜計算點熱輻射強(qiáng)度約為2.62 kW/m2，新建壓縮機(jī)棚計算點熱輻射強(qiáng)度約為2.87 kW/m2，滿足規(guī)范要求。

開放環(huán)境下火炬的熱輻射系數(shù)無法通過理論計算得到。大量的實驗研究得出，熱輻射系數(shù)的取值范圍大概在0.1～0.5。SH 3009結(jié)合大量文獻(xiàn)研究與實踐經(jīng)驗，給出了熱輻射系數(shù)計算式(4)。這是一個經(jīng)驗公式，式中以C4以上重組分、C3(丙烷)、甲烷及氫氣為混合氣模型，分別結(jié)合各自的熱輻射系數(shù)(0.1～0.3)，考慮低發(fā)熱值，把空氣的吸熱也計算在內(nèi)，更適合于工程應(yīng)用。

在所有的環(huán)境因素中，風(fēng)速對于火焰的影響最大。不同強(qiáng)度的風(fēng)會對火焰形狀和空氣對流產(chǎn)生影響，當(dāng)風(fēng)速大到一定程度時，接收點的受熱情況需考慮輻射-對流聯(lián)合傳熱。SH 3009基于大量文獻(xiàn)研究，把8.9 m/s作為風(fēng)速取值的標(biāo)準(zhǔn)。

2 利用Flaresim復(fù)核計算結(jié)果

Flaresim是一款評估火炬系統(tǒng)的熱輻射及火炬擾動的軟件程序，不僅可以估算火炬系統(tǒng)周圍熱輻射溫度分布，還能分析具有多火炬堆棧的多火炬口的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計，管道火炬、音速火炬及液體燃燒爐可以通過使用一系列設(shè)計法則來建模。

輸入流體組分，F(xiàn)laresim自帶部分介質(zhì)的物性包，當(dāng)排放氣組分較為復(fù)雜時，計算混合氣的熱值及爆炸極限較為準(zhǔn)確。

表1 流體組成Tab.1 Fluid properties

輸入環(huán)境參數(shù)及火炬參數(shù)，主要涉及風(fēng)速、風(fēng)向，環(huán)境溫度、壓力、濕度，火炬筒體的高度、火炬頭的直徑等。

表2 結(jié)果Tab.2 Tip results

從表2可以看出，火焰熱量Q與式(1)計算結(jié)果一致，但是火焰長度軟件計算為126 m?；鹧娴?D視圖如圖1所示：

圖1 火焰3D視圖Fig.1 Flame 3D view

可以得到接受點的輻射熱分別為3.213 kW/m2、2.995 kW/m2，接收點15 min內(nèi)的溫升如圖2所示。

還可以得到火炬的熱影響區(qū)域，其中輻射熱分別為1.58 kW/m2、3.2 kW/m2、4.73 kW/m2，對應(yīng)的影響半徑為302.6 m、154.6 m及N/A。最大的輻射熱在距火炬中心南側(cè)約24 m處，輻射熱為4.495 kW/m2。輻射熱分布云圖如圖3所示：

圖2 接收點15 min內(nèi)溫度隨時間變化曲線Fig.2 Curve of temperature as a function of time within 15 min at the receiving point

圖3 輻射熱分布云圖Fig.3 Cloud diagram of radiant heat distribution

3 分析與結(jié)論

運用SH 3009計算某石化企業(yè)新建可燃?xì)怏w回收設(shè)施的輻射熱，并用Flaresim軟件進(jìn)行復(fù)核，得出結(jié)論如下：火炬熱輻射的相關(guān)計算主要受火焰中心及熱輻射系數(shù)這兩個關(guān)鍵參數(shù)的影響，由于燃燒本身受到燃燒介質(zhì)、燃燒環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致火炬熱輻射的計算結(jié)果由于模型的選取不同而千差萬別。SH 3009關(guān)于火炬熱輻射的相關(guān)計算主要基于KENT等人的理論，而Flaresim集成了KENT、API及Brizustowski等的理論，同時也提供了一套算法。本例選取Brizustowski計算模型，相同工況下得出的熱輻射值較SH 3009大，結(jié)果較保守。