CO2消音器布置在氨回收框架的可行性分析

2020-06-27梁亚栋王兵兵中国五环工程有限公司武汉430223

化工设计 2020年3期

梁亚栋王兵兵中国五环工程有限公司武汉 430223

特定工况下，合成氨装置CO2去除工序低压闪蒸塔后CO2气体需要排放至大气。Topsoe、KBR和Casale合成氨工艺专利商授权运营的合成氨装置在数量方面具有领先地位[1]，不同专利商对于排放位置的要求不同，Topsoe工艺采用引至安全位置排放，KBR和Casale工艺采用引至安全位置排放并增加了消音器，同时Casale工艺提出了排放标高不低于30m的要求。一般情况下CO2并不是有毒物质，但当空气中CO2浓度超过一定限度时则会使肌体产生中毒现象，高浓度的CO2则会让人窒息[2]。传统布置方案对CO2气体采用在CO2去除工序最高塔塔顶排放的方式，这样可以充分降低CO2排放对周围环境的影响，但是在高塔塔顶安装消音器，安装成本高而且检修不方便。本文拟以采用Casale 工艺的项目CO2去除工序为例，分析计算低压闪蒸塔后CO2气体经过消音器后，其浓度分布受消音器放空高度的影响，给出合理的安装高度，确定消音器布置在氨回收框架的可行性。

选定的项目以天然气作为原料制合成氨，采用Casale工艺，根据工艺要求，消音器放空点出口标高需要布置距地面30m以上，氨回收框架顶层平台标高为29.6m且紧靠CO2去除工序，设计阶段选定消音器布置在氨回收顶层平台，见图1、图2。标高满足了工艺要求，管道布置也经济可行。由于该框架上需要工人经常操作，在特殊工况下，大量CO2排放时存在形成窒息性环境的危险。本文针对CO2放空点的设置情况，预测其排放的CO2在操作平台的浓度分布，并通过分析对平台操作人员可能造成的职业卫生危害反推排放口的合理标高。

图1 CO2消音器的布置(三维模型)

图2 CO2消音器的布置(现场布置)

1 估算方法及参数

本项目位于农村地区，项目所在地区多年平均气温为26℃，多年平均风速为1.9m/s。结合项目周边环境和项目所在污染气象，选取美国环保署开发的SCREEN3模型进行估算，预测在较小的尺度下CO2气体排出排气筒后的在操作平台上的落地浓度分布，没有考虑地形及周边建筑物、其它CO2排放源对浓度分布的影响；该估算模型是一种单源预测模式，嵌入了多种预设的气象组合条件，此类气象条件在项目所在地区有可能发生，也有可能不发生[3]。估算模式(SCREEN3)运行中主要计算参数及选项见表1

表1 估算模式参数一览表

本项目CO2消音器出口初始布置高度为31.3m，烟气量为84423m3/h，排气筒出口烟气温度40℃，排放消音器出口内径为1.3m，其烟气组分见表2。

表2 CO2排放参数

2 评价标准

针对国内外项目可选取国标GBZ2.1-2007[4]和美国ACGIH(美国政府工业卫生学家会议)标准[5]，评价标准见表3。

表3 评价标准

可见ACGIH标准的TWA值要严于国内标准，GBZ2.1-2007标准的STEL值要严于美国标准，本次预测评价标准选取较严格值TWA进行评价。

(1)短期接触限值(STEL, Threshold limit value-short term exposure limit)，即此时该平台上操作人员指每次接触时间不超过15min，每天不得超过4次，且前后两次接触至少间隔60min的时间加权平均接触限值。在此浓度下人能短时间连续接触而不致引起的后果：① 刺激影响；② 慢性的或不可逆的组织病理改变；③ 麻醉强度达到足以增加意外伤害的危险，自救能力减退或工作效率明显降低。

(2)时间加权平均阈限值(TWA，Threshold limit value-time weighted average, TLV-TWA)指正常8hr工作日和40hr工作周的时间加权平均浓度，在此浓度下，反复接触对几乎所有的工人都不致产生不良影响。

3 操作平台浓度分布估算

氨回收框架平台(东西长3.5m、南北长6m)标高为EL29.6m、EL26.4m、EL22.9m、EL15.9m、EL11.45m、EL8.5m、EL5.2m和地面EL0.0m。氨回收框架与冷冻框架中间有4m宽的楼梯间。消音器布置在平台的西北角。此外将考虑到最高平台1.5m高操作人员呼吸处的浓度分布。计算结果见表4、表5。

表4 EL29.6m平台(不含楼梯间)1.5m高呼吸处不同稳定度、不同风速下放空扩散浓度估算结果

表5 EL29.6m平台(不含楼梯间)不同稳定度、不同风速下放空扩散浓度估算结果

从估算结果表4可知，一旦出现CO2排放，最高处平台(EL29.6m)处在操作工1.5m高的呼吸吸入口高度(31.1m)，因大量CO2的排放，会出现超过短期接触限值的现象，同时也超过了时间加权平均阈限值。从估算结果表5可知，一旦出现CO2排放，受大量烟气抬升和扩散影响，距放空点最高平台(EL29.6m)处，有较低浓度排放的CO2污染物，其最大值为13.14mg/m3，远低于STEL和TWA的职业卫生限值的要求。

4 CO2放空点高度反推

结合工程实际情况，为避免平台CO2超过STEL和TWA的职业卫生限值标准，对CO2放空点消音器的不同高度进行反推，结果见表6～表11：

表6 EL29.6m平台(不含楼梯间)1.5m高呼吸处不同稳定度、不同风速下放空扩散浓度估算结果(放空点为31.4m)

表7 EL29.6m平台(不含楼梯间)1.5m高呼吸处不同稳定度、不同风速下放空扩散浓度估算结果(放空点为31.5m)

表8 EL29.6m平台(不含楼梯间)1.5m高呼吸处不同稳定度、不同风速下放空扩散浓度估算结果(放空点为31.6m)

表9 EL29.6m平台(不含楼梯间)1.5m高呼吸处不同稳定度、不同风速下放空扩散浓度估算结果(放空点为31.7m)

表10 EL29.6m平台(不含楼梯间)1.5m高呼吸处不同稳定度、不同风速下放空扩散浓度估算结果(放空点为31.8m)

表11 EL29.6m平台(不含楼梯间)1.5m高呼吸处不同稳定度、不同风速下放空扩散浓度估算结果(放空点为32.8m)

由表6～表11可知，预测反推CO2放空点高度时，当放空点高度为31.8m时，最高平台操作人员呼吸处可满足TWA的职业卫生限值。当放空点高度为32.8m时，最高平台操作人员呼吸处预测结果显示基本不受放空影响，建议放空点高度提升至不低于32.8m，即比原有高度至少抬高1.5m，以确保CO2放空时对平台操作人员不造成窒息等职业病危害。