CO2在天然氣處理廠的擴散分析

扈 濱，李明悅

（勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257026）

CO2在天然氣處理廠的擴散分析

扈 濱，李明悅

（勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司，山東東營 257026）

隨著環保和職業衛生要求的逐漸加強，針對天然氣處理廠CO2氣體放空的情況，結合CO2在天然氣處理廠的泄放實例，介紹了CO2氣體擴散的危害。利用挪威船級社技術公司研發的PHAST 5.22專業軟件對CO2氣體的擴散過程進行了分析計算。指出：天然氣處理廠應重視CO2氣體的危害，若長期連續放空，勢必會對環境造成嚴重危害，各類天然氣處理廠應考慮推廣CO2回收利用的技術，以減少溫室氣體的排放。

天然氣處理廠；脫碳；CO2氣體放空；分析計算

在高含碳 （CO2）天然氣田的開發過程中，為得到合格的商品氣，天然氣需要進入處理廠進行脫碳、脫水處理。無論是否對CO2氣體進行回收，在處理廠內通常都設有現場放空的流程。近年來，隨著環保和職業衛生要求的逐漸加強，CO2作為一種窒息性氣體，要求工程設計人員對CO2的擴散進行深入研究。

1 天然氣處理廠CO2現場放空實例

印度尼西亞PBA天然氣處理廠 （隸屬于中海油）設計規模為425萬m3/d，主要功能是脫除天然氣中的CO2和水，并給天然氣增壓。海上氣田生產的天然氣含CO219% （摩爾分數）左右，要求處理后的天然氣CO2含量小于5% （摩爾分數）。天然氣脫碳裝置采用甲基二乙醇胺 （MDEA）脫碳工藝。CO2在再生塔頂放空，排放高度為40 m。

松南氣田集氣處理站 （隸屬于中石化東北局）設計規模為300萬m3/d，主要功能是脫除天然氣中的CO2和水以及CO2回收液化，氣田生產的天然氣含CO223.5% （摩爾分數）左右，要求處理后的天然氣CO2含量小于3% （摩爾分數）。與印尼項目類似，天然氣脫碳裝置同樣采用甲基二乙醇胺（MDEA）脫碳工藝。CO2在再生塔頂放空，排放高度為38 m，并設有消音器以減小泄放時的噪音。

2 CO2擴散的危害

CO2作為一種比空氣重的窒息性氣體，擴散到地面可能對人員造成很大危害。高濃度的CO2容易導致人急性中毒，人進入高濃度CO2環境，在幾秒鐘內迅速昏迷倒下，更嚴重者出現呼吸停止及休克，甚至死亡。CO2的毒性危險體積分數為4×10-2（大氣中CO2在12%以上可引起人昏迷或死亡）。一些國家對CO2的接觸限值為：中國和原蘇聯對于最高允許濃度 （MAC）均未制訂標準。美國時量平均濃度 （TWA）：職業安全與衛生署規定為5×10-3（體積分數）；政府及工業衛生協會規定為5×10-3（體積分數）。 美國短期接觸限值（STEL）：美國政府及工業衛生協會規定為3×10-2（體積分數）。

3 CO2擴散分析

為研究擴散可能造成的危害，需對CO2氣體的擴散過程進行分析。本文以印尼項目為例進行介紹。該項目委托中石化工程建設公司 （SEI）利用挪威船級社 （DNV）技術公司研發的PHAST 5.22專業軟件進行CO2擴散計算。因國內未對CO2接觸限值作出要求，故計算中依據了美國標準要求。

根據Pabelokan島 （印尼PBA天然氣處理廠所在地）的氣象條件，最大風頻風速在4～8 m/s。采用當地最不利的氣象條件進行計算，各項輸入參數分別為參考高度處風速：5 m/s；表面起伏參數：0.09；參考高度處氣溫：20℃；相對濕度：0.95；地表溫度：25℃；地表類型：混凝土；平均時間：1 800 s。濃度隨時間變化而變化，現在假定放空于30 min后達到穩定狀態。

軟件計算需要輸入的各種放空初始參數有：排放壓力：0.039 MPa；排放溫度：50℃；排放量：29.3 t/h；組分：91%CO2和9%水 （摩爾分數）；泄放直徑：DN500 mm；泄放高度：40 m；水平泄放角度：0°；CO2選取體積分數5×10-3。此外，操作高度設置為距地面2 m。經過計算，在上述泄放條件下，CO2體積分數會在距放空點順風側107 m處達到5×10-3。詳細計算結果見表1。

表1 CO2濃度隨距離和高度的變化情況

表1為PHAST軟件輸出的CO2濃度隨距離和高度變化的情況，兩個濃度在計算結果中為輸出項。其中的羽流一詞，是指CO2放空氣在大氣中擴散形成的煙霧，可表示放空氣在大氣中所呈現的幾何形態。此外，該計算軟件還可以生成如圖1所示的曲線，可明顯地看出CO2濃度隨距離變化的情況。

從表1可以看出，隨著距離的增加，羽流的高度在下降，且羽流中心的CO2濃度也隨之降低。在距放空口水平距離207 m處，羽流降至地面，其摩爾分數也從排放口處的91.1%降到了0.12%；此后羽流還會沿著地面繼續擴散，在245 m處，CO2的摩爾分數已經降至0.1%以下。而對于距地面2 m高處，CO2的摩爾分數在水平距離為170 m處達到最高值0.15%，其后再隨著距離的增加，CO2的摩爾分數不斷降低，直至降為0。

圖2為CO2擴散側視圖。

從圖2顯示的結果還可以看出，在高于地面22 m且距離小于107 m的區域內 （也就是圖中顯示的灰色區域內），CO2的摩爾分數大于0.50%，超過了規定的接觸限值，依然存在著窒息危險。在正常運行期間，不會有人涉足這些區域。但是依據ALARP（安全風險處在最低合理可行狀態）原則，仍然推薦在這些區域提供警示標志。

4 結束語

在工程實施的過程中，一些設計和生產運行人員對CO2氣體的危害認識不足，對CO2的擴散不以為然。麻痹大意會帶來安全隱患，為確保人員的健康安全，對CO2的擴散分析還是非常有必要的。然而，CO2的擴散計算是以設定的氣象條件為前提，隨著氣象條件的變化，計算結果肯定有所不同。所以在實際運行過程中，還需要考慮各種惡劣天氣情況，采取相應的防護措施。

此外，CO2作為一種對環境有嚴重影響的溫室氣體，它的連續放空對天然氣處理廠來說，也是一個很大的壓力。為保護環境，各類天然氣處理廠也應考慮推廣CO2回收利用技術，以減少溫室氣體的排放。

[1]張德義.石油化工危險化學品實用手冊[M].北京：中國石化出版社，2006.

CO2Diffusion Analysis at Natural Gas Processing Plant

HU Bin（Shengli Engineering&Consulting Co.,Ltd.,Dongying 257026,China），LI Ming-yue

With more strict requirements for environment and occupational health,the hazard of CO2emission and diffusion from natural gas processing plants is indicated combined with some CO2emission cases.The software PHAST 5.22 developed by DNV is applied to analyze the course of CO2diffusion，and the results show that long-term CO2emission will seriously harm the environment,so various kinds of natural gas processing plants should adopt CO2reutilization technology to reduce greenhouse gas emission.

natural gas processing plant;decarbonization;CO2gas emission;analysis and calculation

TE644

A

1001－2206（2011）02－0009－03

扈 濱 （1983-），女，山東利津人，助理工程師，2006年畢業于南京師范大學景觀設計專業，現從事文檔控制工作。

2010-08-09；

2011-02-22