二氧化碳尾气放空对空分装置的影响

郭存彪，刘海龙，张宝珠，王相令

(1.河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南新乡 453731;2.河南应用技术职业学院 化学工程学院, 郑州 450000)

河南心连心化学工业集团股份有限公司(简称河南心连心)二期空分工程60万t/a甲醇项目于2020年9月26日顺利开车成功，包含新建低温甲醇洗装置和80 000 m3/h空分装置。在项目建设前期，笔者针对一期空分工程二氧化碳浓度过高造成空分装置跳车进行深入分析，在二期空分工程中选择合适的二氧化碳尾气放空点，成功避免了因二期空分工程60万t/a甲醇项目低温甲醇洗装置二氧化碳放空尾气对空分装置的影响。

二期空分工程60万t/a甲醇项目由华陆工程公司(原化六院)设计，空分装置紧邻一期空分工程，一期低温甲醇洗装置在空分装置西侧483 m处。正常运行时，空分装置二氧化碳体积分数约为520×10-6，在刮西风和不利天气扩散条件下，低温甲醇洗附塔放空的二氧化碳会造成空分装置空气吸入口处二氧化碳体积分数过高，超过630×10-6，导致空分装置跳车，甚至二氧化碳在空分装置的低温环境下发生冻堵管道事件，引发事故[1]。受场地制约，二期空分工程60万t/a甲醇项目低温甲醇洗装置布置在2套空分装置正北447 m处，受气候条件影响，低温甲醇洗装置放空的二氧化碳对空分装置危害极大，因此必须选择合适的二氧化碳放空点和放空高度。

1 研究背景

1.1 厂区布置

根据厂区现有土地利用情况和总平面布置图(见图1)，低温甲醇洗装置位于厂区内河流南侧,空分装置北侧偏东直线距离447 m处，即放空选址1，现场附塔放空；放空选址2位于厂区内河流北侧,空分装置北侧偏东直线距离686 m处；放空选址3位于厂区内河流北侧，空分装置北侧偏西直线距离808 m处；放空选址4位于空分装置西侧直线距离1 253 m处，属于老装置烟囱。

图1 不同二氧化碳放空选址方案和空分装置布置图

1.2 气相条件

表1 河南省新乡市近5年气象条件

1.3 约束条件

根据环评文件，二氧化碳排放高度暂定80 m，空分装置区域二氧化碳体积分数不高于110×10-6。

2 二氧化碳放空扩散模型分析

2.1 二氧化碳放空条件

二氧化碳放空条件为：温度25 ℃，压力0.12 MPa，总质量流量178 803 kg/h，管径1.2 m，二氧化碳体积分数87.98%。

2.2 模型选择

气体扩散模型有很多种，应用较多的主要有高斯模型、Sutton模型、ALOHA模型和P-G模型等[2]。由于该项目二氧化碳尾气连续排放，属于连续排放点源，浓度分布符合高斯分布，故选用高斯烟羽模型。高斯烟羽模型比较成熟，模型相对简单，方便计算，计算结果与实测值能吻合较好。模型计算中，假设条件为：二氧化碳尾气放空是连续的、均匀的，地表面充分平坦，在整个扩散空间中风速均匀不变，排放污染物无损失，完全被地面反射，在时间和空间上呈正态分布[3]。HJ/T 169—2004《建设项目环境风险评价技术导则》明确指出高斯烟羽计算公式如下：

C=

(1)

式中:C为位于S(0，0，zs)的点源在接受点r(r，yr，zr)产生的质量浓度，mg/m3；Q为源强，即单位时间内污染物的排放质量，mg/s;σy为横向扩散系数，m；σz为垂直扩散系数，m；u为烟囱出口处环境平均风速，m/s；ΔH为气体抬升高度，m。

2.3 模型中参数确定

2.3.1 源强

二氧化碳总质量流量为178 803 kg/h，体积分数为87.98%，则源强为4.37×107mg/s。

2.3.2 扩散系数

品牌管理组织在图书馆并非是一个非常重要的组织，而品牌管理负责人也并不具备很大的权利，所以，管理层决策支持机制、相关人力资源的保障机制、图书馆各部门协调保障机制等一系列制度的预先确定是品牌管理组织得以正常运作的制度保障。

根据GB/T 3840—1991《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》确定扩散系数[4],即

σy=γ1xα1

(2)

σz=γ2xα2

(3)

式中：x为污染源排放点至下风向任一点的距离，m；指数α1、α2及系数γ1、γ2的取值和当地大气稳定度有关。

2.3.3 烟囱出口处环境平均风速

以烟囱所在项目建设地邻近气象台最近 5年平均风速按幂指数关系换算到烟囱出口高度的平均风速，即烟囱出口处环境平均风速:

(4)

式中：u0为邻近气象台地面上10 m处近5年平均风速，m/s；H为烟囱距地面几何高度，m；m为风廓线幂指数值，与大气稳定度相关。

2.3.4 烟囱有效高度

烟囱有效高度是在物理高度之外，烟气在排出口处因动力和热力作用下继续上升，上升一段高度后会逐渐变平，因此烟囱有效高度为物理高度H和气体抬升高度之和，即

He=H+ΔH

(5)

ΔH=2×(1.5uh×D+0.01Qh)/u

式中：He为烟囱有效高度，m；uh为烟囱出口处烟气排出速度，m/s；D为烟囱出口直径，m；Qh为烟气热释放率，kJ/s。

由于烟气热释放率和烟气出口温度与环境温差有关，该项目二氧化碳排放温度和大气温度相同，故Qh为零。

2.4 模型求解

在高斯烟羽模型中，扩散系数、排放口平均风速与气象条件密切相关，根据该装置设计基础，选择具有代表性的参数，使计算结果更加符合现场实际。

据文献[5]，河南省新乡属于D类中性稳定区域。工业区点源的扩散参数选取D级，应向不稳定方向提1级，即参数按照C类选取。α1、α2、γ1、γ2分别取0.924 279、0.917 595、0.177 154、0.106 803。风廓线幂指数m按照城市地区选择，取0.25。

邻近气象台地面上10 m处近5年平均风速以项目建设地年平均风速2.5 m/s计算。

以4种不同选址地点方案作为二氧化碳尾气放空原点，排放烟囱几何高度按照环评要求80 m计算(选址方案4烟囱为老装置，高度按照100 m计算)，求得放空选址1～4方案空分装置二氧化碳体积分数分别为125.7×10-6、116.54×10-6、101.6×10-6、73.7×10-6。

当二氧化碳尾气放空位置选在放空选址3和放空选址4处时均满足约束条件。但由于放空管道直径较大，材质为不锈钢材质，放空选址4的管道成本不占优势。综合考虑投资建设成本和厂区布置，决定选取放空选址3，将二氧化碳尾气放空管通过外管廊引至空分装置西北直线距离 808 m处。

3 结语

根据装置平面布置，在空分装置位置无法变动的情况，通过高斯烟羽模型计算不同二氧化碳尾气放空点对空分装置处二氧化碳浓度的影响。考虑综合建设成本，为进一步降低投资，虽然放空选址4效果最优，但是由于投资大，不作为最佳方案，最终确定放空选址3能够满足使用条件。