郭存彪，劉海龍，張寶珠，王相令

(1.河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453731;2.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院, 鄭州 450000)

河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司(簡稱河南心連心)二期空分工程60萬t/a甲醇項目于2020年9月26日順利開車成功，包含新建低溫甲醇洗裝置和80 000 m3/h空分裝置。在項目建設(shè)前期，筆者針對一期空分工程二氧化碳濃度過高造成空分裝置跳車進(jìn)行深入分析，在二期空分工程中選擇合適的二氧化碳尾氣放空點，成功避免了因二期空分工程60萬t/a甲醇項目低溫甲醇洗裝置二氧化碳放空尾氣對空分裝置的影響。

二期空分工程60萬t/a甲醇項目由華陸工程公司(原化六院)設(shè)計，空分裝置緊鄰一期空分工程，一期低溫甲醇洗裝置在空分裝置西側(cè)483 m處。正常運(yùn)行時，空分裝置二氧化碳體積分?jǐn)?shù)約為520×10-6，在刮西風(fēng)和不利天氣擴(kuò)散條件下，低溫甲醇洗附塔放空的二氧化碳會造成空分裝置空氣吸入口處二氧化碳體積分?jǐn)?shù)過高，超過630×10-6，導(dǎo)致空分裝置跳車，甚至二氧化碳在空分裝置的低溫環(huán)境下發(fā)生凍堵管道事件，引發(fā)事故[1]。受場地制約，二期空分工程60萬t/a甲醇項目低溫甲醇洗裝置布置在2套空分裝置正北447 m處，受氣候條件影響，低溫甲醇洗裝置放空的二氧化碳對空分裝置危害極大，因此必須選擇合適的二氧化碳放空點和放空高度。

1 研究背景

1.1 廠區(qū)布置

根據(jù)廠區(qū)現(xiàn)有土地利用情況和總平面布置圖(見圖1)，低溫甲醇洗裝置位于廠區(qū)內(nèi)河流南側(cè),空分裝置北側(cè)偏東直線距離447 m處，即放空選址1，現(xiàn)場附塔放空；放空選址2位于廠區(qū)內(nèi)河流北側(cè),空分裝置北側(cè)偏東直線距離686 m處；放空選址3位于廠區(qū)內(nèi)河流北側(cè)，空分裝置北側(cè)偏西直線距離808 m處；放空選址4位于空分裝置西側(cè)直線距離1 253 m處，屬于老裝置煙囪。

圖1 不同二氧化碳放空選址方案和空分裝置布置圖

1.2 氣相條件

表1 河南省新鄉(xiāng)市近5年氣象條件

1.3 約束條件

根據(jù)環(huán)評文件，二氧化碳排放高度暫定80 m，空分裝置區(qū)域二氧化碳體積分?jǐn)?shù)不高于110×10-6。

2 二氧化碳放空擴(kuò)散模型分析

2.1 二氧化碳放空條件

二氧化碳放空條件為：溫度25 ℃，壓力0.12 MPa，總質(zhì)量流量178 803 kg/h，管徑1.2 m，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)87.98%。

2.2 模型選擇

氣體擴(kuò)散模型有很多種，應(yīng)用較多的主要有高斯模型、Sutton模型、ALOHA模型和P-G模型等[2]。由于該項目二氧化碳尾氣連續(xù)排放，屬于連續(xù)排放點源，濃度分布符合高斯分布，故選用高斯煙羽模型。高斯煙羽模型比較成熟，模型相對簡單，方便計算，計算結(jié)果與實測值能吻合較好。模型計算中，假設(shè)條件為：二氧化碳尾氣放空是連續(xù)的、均勻的，地表面充分平坦，在整個擴(kuò)散空間中風(fēng)速均勻不變，排放污染物無損失，完全被地面反射，在時間和空間上呈正態(tài)分布[3]。HJ/T 169—2004《建設(shè)項目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則》明確指出高斯煙羽計算公式如下：

C=

(1)

式中:C為位于S(0，0，zs)的點源在接受點r(r，yr，zr)產(chǎn)生的質(zhì)量濃度，mg/m3；Q為源強(qiáng)，即單位時間內(nèi)污染物的排放質(zhì)量，mg/s;σy為橫向擴(kuò)散系數(shù)，m；σz為垂直擴(kuò)散系數(shù)，m；u為煙囪出口處環(huán)境平均風(fēng)速，m/s；ΔH為氣體抬升高度，m。

2.3 模型中參數(shù)確定

2.3.1 源強(qiáng)

二氧化碳總質(zhì)量流量為178 803 kg/h，體積分?jǐn)?shù)為87.98%，則源強(qiáng)為4.37×107mg/s。

2.3.2 擴(kuò)散系數(shù)

品牌管理組織在圖書館并非是一個非常重要的組織，而品牌管理負(fù)責(zé)人也并不具備很大的權(quán)利，所以，管理層決策支持機(jī)制、相關(guān)人力資源的保障機(jī)制、圖書館各部門協(xié)調(diào)保障機(jī)制等一系列制度的預(yù)先確定是品牌管理組織得以正常運(yùn)作的制度保障。

根據(jù)GB/T 3840—1991《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》確定擴(kuò)散系數(shù)[4],即

σy=γ1xα1

(2)

σz=γ2xα2

(3)

式中：x為污染源排放點至下風(fēng)向任一點的距離，m；指數(shù)α1、α2及系數(shù)γ1、γ2的取值和當(dāng)?shù)卮髿夥€(wěn)定度有關(guān)。

2.3.3 煙囪出口處環(huán)境平均風(fēng)速

以煙囪所在項目建設(shè)地鄰近氣象臺最近 5年平均風(fēng)速按冪指數(shù)關(guān)系換算到煙囪出口高度的平均風(fēng)速，即煙囪出口處環(huán)境平均風(fēng)速:

(4)

式中：u0為鄰近氣象臺地面上10 m處近5年平均風(fēng)速，m/s；H為煙囪距地面幾何高度，m；m為風(fēng)廓線冪指數(shù)值，與大氣穩(wěn)定度相關(guān)。

2.3.4 煙囪有效高度

煙囪有效高度是在物理高度之外，煙氣在排出口處因動力和熱力作用下繼續(xù)上升，上升一段高度后會逐漸變平，因此煙囪有效高度為物理高度H和氣體抬升高度之和，即

He=H+ΔH

(5)

ΔH=2×(1.5uh×D+0.01Qh)/u

式中：He為煙囪有效高度，m；uh為煙囪出口處煙氣排出速度，m/s；D為煙囪出口直徑，m；Qh為煙氣熱釋放率，kJ/s。

由于煙氣熱釋放率和煙氣出口溫度與環(huán)境溫差有關(guān)，該項目二氧化碳排放溫度和大氣溫度相同，故Qh為零。

2.4 模型求解

在高斯煙羽模型中，擴(kuò)散系數(shù)、排放口平均風(fēng)速與氣象條件密切相關(guān)，根據(jù)該裝置設(shè)計基礎(chǔ)，選擇具有代表性的參數(shù)，使計算結(jié)果更加符合現(xiàn)場實際。

據(jù)文獻(xiàn)[5]，河南省新鄉(xiāng)屬于D類中性穩(wěn)定區(qū)域。工業(yè)區(qū)點源的擴(kuò)散參數(shù)選取D級，應(yīng)向不穩(wěn)定方向提1級，即參數(shù)按照C類選取。α1、α2、γ1、γ2分別取0.924 279、0.917 595、0.177 154、0.106 803。風(fēng)廓線冪指數(shù)m按照城市地區(qū)選擇，取0.25。

鄰近氣象臺地面上10 m處近5年平均風(fēng)速以項目建設(shè)地年平均風(fēng)速2.5 m/s計算。

以4種不同選址地點方案作為二氧化碳尾氣放空原點，排放煙囪幾何高度按照環(huán)評要求80 m計算(選址方案4煙囪為老裝置，高度按照100 m計算)，求得放空選址1～4方案空分裝置二氧化碳體積分?jǐn)?shù)分別為125.7×10-6、116.54×10-6、101.6×10-6、73.7×10-6。

當(dāng)二氧化碳尾氣放空位置選在放空選址3和放空選址4處時均滿足約束條件。但由于放空管道直徑較大，材質(zhì)為不銹鋼材質(zhì)，放空選址4的管道成本不占優(yōu)勢。綜合考慮投資建設(shè)成本和廠區(qū)布置，決定選取放空選址3，將二氧化碳尾氣放空管通過外管廊引至空分裝置西北直線距離 808 m處。

3 結(jié)語

根據(jù)裝置平面布置，在空分裝置位置無法變動的情況，通過高斯煙羽模型計算不同二氧化碳尾氣放空點對空分裝置處二氧化碳濃度的影響?？紤]綜合建設(shè)成本，為進(jìn)一步降低投資，雖然放空選址4效果最優(yōu)，但是由于投資大，不作為最佳方案，最終確定放空選址3能夠滿足使用條件。