CO2消音器布置在氨回收框架的可行性分析

梁亞棟 王兵兵 中國(guó)五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

特定工況下，合成氨裝置CO2去除工序低壓閃蒸塔后CO2氣體需要排放至大氣。Topsoe、KBR和Casale合成氨工藝專(zhuān)利商授權(quán)運(yùn)營(yíng)的合成氨裝置在數(shù)量方面具有領(lǐng)先地位[1]，不同專(zhuān)利商對(duì)于排放位置的要求不同，Topsoe工藝采用引至安全位置排放，KBR和Casale工藝采用引至安全位置排放并增加了消音器，同時(shí)Casale工藝提出了排放標(biāo)高不低于30m的要求。一般情況下CO2并不是有毒物質(zhì)，但當(dāng)空氣中CO2濃度超過(guò)一定限度時(shí)則會(huì)使肌體產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，高濃度的CO2則會(huì)讓人窒息[2]。傳統(tǒng)布置方案對(duì)CO2氣體采用在CO2去除工序最高塔塔頂排放的方式，這樣可以充分降低CO2排放對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，但是在高塔塔頂安裝消音器，安裝成本高而且檢修不方便。本文擬以采用Casale 工藝的項(xiàng)目CO2去除工序?yàn)槔?，分析?jì)算低壓閃蒸塔后CO2氣體經(jīng)過(guò)消音器后，其濃度分布受消音器放空高度的影響，給出合理的安裝高度，確定消音器布置在氨回收框架的可行性。

選定的項(xiàng)目以天然氣作為原料制合成氨，采用Casale工藝，根據(jù)工藝要求，消音器放空點(diǎn)出口標(biāo)高需要布置距地面30m以上，氨回收框架頂層平臺(tái)標(biāo)高為29.6m且緊靠CO2去除工序，設(shè)計(jì)階段選定消音器布置在氨回收頂層平臺(tái)，見(jiàn)圖1、圖2。標(biāo)高滿(mǎn)足了工藝要求，管道布置也經(jīng)濟(jì)可行。由于該框架上需要工人經(jīng)常操作，在特殊工況下，大量CO2排放時(shí)存在形成窒息性環(huán)境的危險(xiǎn)。本文針對(duì)CO2放空點(diǎn)的設(shè)置情況，預(yù)測(cè)其排放的CO2在操作平臺(tái)的濃度分布，并通過(guò)分析對(duì)平臺(tái)操作人員可能造成的職業(yè)衛(wèi)生危害反推排放口的合理標(biāo)高。

圖1 CO2消音器的布置(三維模型)

圖2 CO2消音器的布置(現(xiàn)場(chǎng)布置)

1 估算方法及參數(shù)

本項(xiàng)目位于農(nóng)村地區(qū)，項(xiàng)目所在地區(qū)多年平均氣溫為26℃，多年平均風(fēng)速為1.9m/s。結(jié)合項(xiàng)目周邊環(huán)境和項(xiàng)目所在污染氣象，選取美國(guó)環(huán)保署開(kāi)發(fā)的SCREEN3模型進(jìn)行估算，預(yù)測(cè)在較小的尺度下CO2氣體排出排氣筒后的在操作平臺(tái)上的落地濃度分布，沒(méi)有考慮地形及周邊建筑物、其它CO2排放源對(duì)濃度分布的影響；該估算模型是一種單源預(yù)測(cè)模式，嵌入了多種預(yù)設(shè)的氣象組合條件，此類(lèi)氣象條件在項(xiàng)目所在地區(qū)有可能發(fā)生，也有可能不發(fā)生[3]。估算模式(SCREEN3)運(yùn)行中主要計(jì)算參數(shù)及選項(xiàng)見(jiàn)表1

表1 估算模式參數(shù)一覽表

本項(xiàng)目CO2消音器出口初始布置高度為31.3m，煙氣量為84423m3/h，排氣筒出口煙氣溫度40℃，排放消音器出口內(nèi)徑為1.3m，其煙氣組分見(jiàn)表2。

表2 CO2排放參數(shù)

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目可選取國(guó)標(biāo)GBZ2.1-2007[4]和美國(guó)ACGIH(美國(guó)政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家會(huì)議)標(biāo)準(zhǔn)[5]，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

可見(jiàn)ACGIH標(biāo)準(zhǔn)的TWA值要嚴(yán)于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，GBZ2.1-2007標(biāo)準(zhǔn)的STEL值要嚴(yán)于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，本次預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選取較嚴(yán)格值TWA進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)短期接觸限值(STEL, Threshold limit value-short term exposure limit)，即此時(shí)該平臺(tái)上操作人員指每次接觸時(shí)間不超過(guò)15min，每天不得超過(guò)4次，且前后兩次接觸至少間隔60min的時(shí)間加權(quán)平均接觸限值。在此濃度下人能短時(shí)間連續(xù)接觸而不致引起的后果：① 刺激影響；② 慢性的或不可逆的組織病理改變；③ 麻醉強(qiáng)度達(dá)到足以增加意外傷害的危險(xiǎn)，自救能力減退或工作效率明顯降低。

(2)時(shí)間加權(quán)平均閾限值(TWA，Threshold limit value-time weighted average, TLV-TWA)指正常8hr工作日和40hr工作周的時(shí)間加權(quán)平均濃度，在此濃度下，反復(fù)接觸對(duì)幾乎所有的工人都不致產(chǎn)生不良影響。

3 操作平臺(tái)濃度分布估算

氨回收框架平臺(tái)(東西長(zhǎng)3.5m、南北長(zhǎng)6m)標(biāo)高為EL29.6m、EL26.4m、EL22.9m、EL15.9m、EL11.45m、EL8.5m、EL5.2m和地面EL0.0m。氨回收框架與冷凍框架中間有4m寬的樓梯間。消音器布置在平臺(tái)的西北角。此外將考慮到最高平臺(tái)1.5m高操作人員呼吸處的濃度分布。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

表4 EL29.6m平臺(tái)(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩(wěn)定度、不同風(fēng)速下放空擴(kuò)散濃度估算結(jié)果

表5 EL29.6m平臺(tái)(不含樓梯間)不同穩(wěn)定度、不同風(fēng)速下放空擴(kuò)散濃度估算結(jié)果

從估算結(jié)果表4可知，一旦出現(xiàn)CO2排放，最高處平臺(tái)(EL29.6m)處在操作工1.5m高的呼吸吸入口高度(31.1m)，因大量CO2的排放，會(huì)出現(xiàn)超過(guò)短期接觸限值的現(xiàn)象，同時(shí)也超過(guò)了時(shí)間加權(quán)平均閾限值。從估算結(jié)果表5可知，一旦出現(xiàn)CO2排放，受大量煙氣抬升和擴(kuò)散影響，距放空點(diǎn)最高平臺(tái)(EL29.6m)處，有較低濃度排放的CO2污染物，其最大值為13.14mg/m3，遠(yuǎn)低于STEL和TWA的職業(yè)衛(wèi)生限值的要求。

4 CO2放空點(diǎn)高度反推

結(jié)合工程實(shí)際情況，為避免平臺(tái)CO2超過(guò)STEL和TWA的職業(yè)衛(wèi)生限值標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)CO2放空點(diǎn)消音器的不同高度進(jìn)行反推，結(jié)果見(jiàn)表6～表11：

表6 EL29.6m平臺(tái)(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩(wěn)定度、不同風(fēng)速下放空擴(kuò)散濃度估算結(jié)果(放空點(diǎn)為31.4m)

表7 EL29.6m平臺(tái)(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩(wěn)定度、不同風(fēng)速下放空擴(kuò)散濃度估算結(jié)果(放空點(diǎn)為31.5m)

表8 EL29.6m平臺(tái)(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩(wěn)定度、不同風(fēng)速下放空擴(kuò)散濃度估算結(jié)果(放空點(diǎn)為31.6m)

表9 EL29.6m平臺(tái)(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩(wěn)定度、不同風(fēng)速下放空擴(kuò)散濃度估算結(jié)果(放空點(diǎn)為31.7m)

表10 EL29.6m平臺(tái)(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩(wěn)定度、不同風(fēng)速下放空擴(kuò)散濃度估算結(jié)果(放空點(diǎn)為31.8m)

表11 EL29.6m平臺(tái)(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩(wěn)定度、不同風(fēng)速下放空擴(kuò)散濃度估算結(jié)果(放空點(diǎn)為32.8m)

由表6～表11可知，預(yù)測(cè)反推CO2放空點(diǎn)高度時(shí)，當(dāng)放空點(diǎn)高度為31.8m時(shí)，最高平臺(tái)操作人員呼吸處可滿(mǎn)足TWA的職業(yè)衛(wèi)生限值。當(dāng)放空點(diǎn)高度為32.8m時(shí)，最高平臺(tái)操作人員呼吸處預(yù)測(cè)結(jié)果顯示基本不受放空影響，建議放空點(diǎn)高度提升至不低于32.8m，即比原有高度至少抬高1.5m，以確保CO2放空時(shí)對(duì)平臺(tái)操作人員不造成窒息等職業(yè)病危害。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的布置方案更多地考慮了CO2排放過(guò)程中的安全性問(wèn)題，現(xiàn)經(jīng)過(guò)計(jì)算推導(dǎo)得出結(jié)論：CO2消音器布置在氨回收框架是可行的，在滿(mǎn)足工藝和安全要求的同時(shí)也方便了檢修和安裝，可為類(lèi)似項(xiàng)目的設(shè)備布置提供參考。