氨火炬系统升级改造经验总结.pdf

Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry2023 年 6 月第 46 卷第 3 期Jun.2023Vol.46 No.31氨火炬生产流程海洋石油富岛有限公司（简称海洋富岛）化肥二部氨火炬系统的氨火炬设计高度为 30m，用于处理氨罐区的氨放空总管来的气氨。气氨在氨火炬顶部燃烧，以减少气氨直接排放对环境的影响。正常时仅有从小冰机惰气排放来的少量气氨，小冰机故障时氨罐的排放气氨全部送到氨火炬燃烧，氨罐区氨管线上各安全阀的排放也全部送至氨火炬。正常生产时，因为氨的燃烧热值较低，通常会设有伴烧气，氨火炬通过天然气助燃。来自界区外的天然气送到氨火炬前分为 2 条管线：一条为供气主线，天然气通过该管线送至氨火炬顶部主烧嘴，主线上有 1 个自立式调节阀用于调节助燃天然气压力，阀后压力（表压）调节至 0.30.4MPa；另一条为点火线，点火线上有 1 个自立式调节阀调节点火燃气压力（表压）为 80100kPa，点火线上同时接入 1 条空气管线，点火时调节空气压力（表压）为 80100kPa，点火器出口有 1#和 2#两条线可供选择，火花送至氨火炬顶部引燃主烧嘴。氨火炬的点火有自动和手动 2 种方式。自动点火是指将点火表盘上的表盘电源开关打到“启动”位置，选择好点火线，将点火按钮打到自动，点火线上的电磁阀打开自动进行点火。手动点火是指将点火表盘上的表盘电源开关打到“启动”位置，选择好点火线，将点火按钮打到手动，按下点火按钮，点火线上的电磁阀打开进行点火。氨火炬生产流程见图1。氨火炬系统升级改造经验总结王刚，黄国祥，诸兵，钟家旺，苟俊榕（海洋石油富岛有限公司，海南东方 572600）摘要：合成氨装置在长期运行期间氨火炬系统受易熄灭、点火难、燃烧不充分、无在线监控装置等影响，严重制约装置安全稳定运行，不能达到安全环保新标准要求，面临淘汰风险。通过对市场上的氨火炬考察，结合装置自身特点，研发出一种新型的氨火炬系统，满足了生产正常需求。关键词：合成氨氨火炬安全环保升级改造收稿日期：2022-10-21；收到修改稿日期：2023-02-17。作者简介：王刚，男，1984 年 8 月出生，本科学历，工程师，2009 年毕业于河北工业大学化学工程与工艺专业，现任海洋石油富岛有限公司化肥二部合成氨装置作业监督。联系电话：[phone]；E-mail：。图 1氨火炬生产流程2目前氨火炬系统存在问题随着国家对安全环保的重视，一些老旧企业逐渐面临更新改造或者淘汰的局面，海洋富岛化肥二部氨火炬系统也面临着此情况。目前氨火炬系统已运行 18a，存在易熄灭、点火难、燃烧不充分、无防回火装置、无在线监控装置的情况，已不能满足现有工艺以及安全环保标准新要求，具体情况排查如下：2.1氨火炬易熄灭统计 2021 年 912 月氨火炬熄灭及点火次数，数据见表 1。通过表 1 数据可以看出，在极端天气下，氨火炬极易熄灭，说明抗强风能力偏低；在正常生产过程1562023 年第 46 卷中，风力大于 5 级时，氨火炬也容易熄灭，每月熄灭12 次。氨火炬熄灭后，放空气不经燃烧直接排放，从而造成较严重的环境污染事故。表 1氨火炬熄灭及点火次数统计日期熄灭次数 次风力等级 级备注点火次数 次2021-09-10210受台风影响162021-09-11310受台风影响222021-09-12210受台风影响182021-09-1915正常生产102021-09-2815正常生产92021-10-0828受台风影响132021-10-0938受台风影响162021-10-1028受台风影响102021-10-13412受台风影响182021-10-14512受台风影响202021-10-15312受台风影响222021-10-17212受台风影响192021-10-2615正常生产92021-11-0515正常生产102021-11-2015正常生产82021-12-0515正常生产72021-12-17517受台风影响02021-12-18617受台风影响02021-12-19517受台风影响02021-12-20317受台风影响02021-12-3015正常生产8总计542322.2点火成功率低通过表 1 数据发现，在风力超过 17 级时，氨火炬几乎不能点燃。在风力达到 5 级时，氨火炬的点燃次数基本维持在 89 次，点火成功率极低，若在此期间有放空气外排，易造成环境污染事故。2.3火炬头处燃烧不充分在合成氨装置氨罐发生超压情况时，放空阀迅速全开或者安全阀起跳，将有大量液氨进入氨火炬系统，造成氨火炬系统大量氨排放，排放情况见图 2。通过图 2 可以看出，氨火炬处大量气氨未燃烧就直接排入大气环境中，目前的烧嘴燃烧情况已不能满足充分燃烧要求。图 2氨火炬大量氨排放情况合成氨装置生产历史上，曾发生过氨火炬系统燃烧不充分，氨外泄造成环境污染、人员伤亡事故，造成氨火炬装置周边约 200m 范围内 41 人急性氨中毒事件。2.4无防回火装置原氨火炬系统设计中，未设置有效的防回火装置，正常生产中放空气出现流量大幅波动时，特别是在放空气间断排放期间，极易造成火炬燃烧气回火现象，引发次生事故。2.5无在线监控装置原氨火炬系统设计中，在火炬出现熄灭时，只能通过现场人员使用测温枪检查火炬头处的温度来判断火炬是否燃烧，不能第一时间掌握火炬燃烧情况，若系统放空气在火炬处于熄灭状态时排放，极易造成环保污染事故发生。目前迫切需要一种不易熄灭、点火成功率高、燃烧充分、有防回火装置、可实现 DCS 实时监控的新氨火炬装置来完善旧火炬系统的缺陷，消除安全环保隐患。3应对措施针对目前氨火炬系统面临的火炬易熄灭、点火难、燃烧不充分等主要问题，海洋富岛化肥二部特成立攻关小组进行攻关，通过借鉴燃气灶燃烧系统的工作原理，运用头脑风暴法，突破传统思维，积极创新探索，并结合本装置实际情况，对氨火炬头的设计需求进行分析，见表 2。表 2氨火炬系统需求分析项目技术需求防风系统防风罩可阻挡 10 级风影响，保证烧嘴燃烧稳定、无熄灭点火系统点火器点火成功率高，达到 100%燃烧系统烧嘴燃烧充分，引燃效果好，放空气燃烧充分、无脱火现象控制系统DCS 控制可实现远程实时监控火焰燃烧情况3.1防风系统选择原氨火炬无任何防风设计，借鉴燃气灶的防风罩设计，在原火炬头上部增设全式防风罩，形成一个可以维持稳定燃烧的燃烧室，减少横向风对火焰的干扰，避免火焰被吹灭。全式防风罩设计有 3 种形式，即直筒型、喇叭型、倒漏斗型，其具体的结构形式见图 3，参数对比见表 3。157第 3 期王刚等.氨火炬系统升级改造经验总结图 3防风罩结构形式表 33 种防风罩设计参数对比形状材质尺寸 mm质量 kg直筒型304 不锈钢1100，H=150030喇叭形SUS310S最小内圈尺寸1100，H=150040倒漏斗型铸铁最小内圈尺寸1100，H=150040综合考虑现场设计需求：阻挡横向风、避免雨水承接、不能形成气阻；材质需耐高温、耐腐蚀、耐氧化；价格适中及尺寸要求等，最终选择材质为SUS310S、直径为1100mm、高度为 1500mm 的直筒型全式防风罩。3.2点火系统选择目前装置上原设计使用的点火系统采用爆燃式点火，通过点火线上自立式调节阀调节点火燃气压力，点火线上空气管线可调节空气压力，在氨火炬底部利用电火花引燃点火线内的燃气空气混合气，形成爆燃燃烧波，以小于音速的速度通过热传递传播。燃气与空气的混合气在被引燃后会导致 10 倍初始压力的爆燃，传播速度一般可达 10300m s，将火焰传递至氨火炬顶部，引燃伴烧烧嘴。由于爆燃式点火受燃气空气配比、传递管线长度以及环境天气（风 雨）等影响，在引燃主烧嘴时点火成功率低至 23%，无法满足生产需求。通过对市场上火炬引燃形式进行查找对比，发现常用的方式有以下 3 种，见表 4。通过优选对比，选择电子脉冲点火方式，常用的电子脉冲点火器主要有 XHDH-T08 型耗能点火装器、WS-DHQ-II 型高空节能型点火器、HYDH-KBJ型低热值点火器，最终选择使用性能优异、实用性强的 WS-DHQ-II 型高空节能型点火器。表 43 种点火方式原理及特点对比点火方式技术原理特点分析电子脉冲点火（含 1 套 控 制系统）由电子元器件组成的一个脉冲高频振荡器，由振荡器所产生的高频电压经升压变压器升成15kV 的高电压，进行尖端放电，由放电的火花引燃点火烧嘴点火直接，成功率高，可实现 100%压电陶瓷点火（含 1 套 控 制系统）通过 2 块压电陶瓷猛烈撞击（在按下按钮时）产生瞬间的高压电流，引燃烧嘴点火直接，受环境适度影响较大爆 燃 式 点 火（含 1 套 控 制系统）采用爆燃式点火，爆燃是一种燃烧波，以小于音速的速度通过热传递传播引燃烧嘴点火直接，受管道长度、爆燃气量、燃控比等影响，稳定性差3.3燃烧系统选择燃烧系统包括：燃气输送管道、燃烧烧嘴和流量控制阀，现有氨火炬系统中，燃气输送管道和流量控制阀均有，且运行稳定，无需更换。针对烧嘴引燃放空气燃烧不充分问题，只需将燃烧烧嘴进行改造即可满足要求，于是对烧嘴进行对比优选，由原来的单烧嘴更换成多孔燃气射流烧嘴，并设计新型烧嘴形式。烧嘴结构形式见图 4，烧嘴参数对比见表 5。图 43 种烧嘴结构形式表 53 种烧嘴参数对比形状材质尺寸 mm质量 kg圆环型304 不锈钢6003.0方格型SUS310S最小方格周长应大于圆形直径，6006005.0组合型铸铁6003.5综合燃烧面广、耐高温、耐腐蚀、耐氧化要求以1582023 年第 46 卷及价格、尺寸因素，最终选择制造材质为 SUS310S、直径为600mm 的组合型多孔燃气射流烧嘴。3.4控制系统选择在选择点火器时，均含有 1 套完整的 DCS 监控系统，可以实现氨火炬燃烧的实时监控，无需再另外设计购买。综合上述方案优选后，根据所需设计的部件，制作出综合设计制造图，见图 5。图 5新火炬系统综合设计制造示意4效果检查及遗留问题4.1投用后效果检查新的氨火炬系统投用后，火焰燃烧稳定，抗环境风影响能力提升，正常生产时未再出现环境风吹灭情况，且更换组合式烧嘴后燃烧充分，更换电子脉冲点火器后点火成功率实现 100%，配套的 DCS 监控系统也实现了远程实时监控，可以第一时间掌握火炬的燃烧情况，解决了原氨火炬系统存在的易熄灭、点火难、燃烧不充分、无防回火装置、无在线监控装置隐患。4.2投用后遗留问题目前新氨火炬系统的燃气仍然采用手动阀门控制，无法精确的实现燃气流量随工况变化进行精确调节，氨火炬燃气消耗量高，不能精确实现节能降耗，可考虑更换为调节阀控制。氨火炬熄灭后，仍需要员工前往现场操作盘处进行恢复点火操作，无法实现 DCS 远程点火操作，可以考虑将现场自动点火操作引入 DCS 控制，实现远程控制点火，缩短氨火炬熄灭后的点火恢复时间，避免在恢复空档期出现排放气外排环境污染事故发生。5结束语合成氨装置氨火炬系统能够确保排放气完全燃烧，达到排放标准，实现达标排放。若火炬系统出现故障将导致安全环保污染事故发生，这是企业不能接受的。本文通过对市场上的氨火炬系统进行调研，结合装置自身特点设计出了一套新火炬系统，彻底解决了合成氨装置火炬易被吹灭、点火难、燃烧不充分、无在线监控装置的安全隐患，避免了放空气直接外排或燃烧不充分导致的安全环保事故发生，同时进一步丰富了氨火炬系统的设计类型，给同类型厂家提供了更多的参考和借鉴意义。A SUMMARY ON AMMONIA FLARE SYSTEM UPDATINGWang Gang，Huang Guoxiang，Zhu Bing，Zhong Jiawang，Gou Junrong（CNOOC Fudao Co.，Ltd.，Dongfang572600）Abstract：Theammoniaflaresysteminthesyntheticammoniaplantduringitsoperationiseasitytobeinfluencedbytheblowingout，thedifficultyinignition，insufficientburn，andnoon-linemonitoringdevice，whichwillseriouslyrestrictthesafeandstableoperation，andwillnotbeabletomeetthelatestsafetyandenvironmentalprotectionstandards，facingtheriskofbeingeliminated.Throughresearchontheammoniaflareinthemarket，andconsideringthecharacteristicsoftheplantitself，anewtypeofammoniaflaresystemwasdevelopedtomeetthenormalrequirementoftheproduction.Key words：syntheticammonia；ammoniaflare；safetyandenvironmentalprotection；updatingreformation