煤氣化框架頂部窒息性氣體放空擴散研究

鄒杰（中石化寧波工程有限公司，浙江寧波315103）

1 概述

化工裝置中，考慮到裝置系統安全以及流程需求，一些無毒非可燃氣體通過安全閥、鍋爐煙囪、塔頂放空管道直接排入大氣，放空介質中可能含有窒息性氣體（如N2和CO2等），當排放量大、濃度高、環境風速小或者周圍有建筑物時，可能會造成氣團積聚，排擠空氣中的氧氣，引起人體窒息。

某煤氣化裝置試運行半年以來，發現氣化框架上的CO2監測儀經常處于報警狀態，經現場檢測分析，是由于氣化框架放空洗滌罐頂部的放空管排出的CO2所引起起。該放空介質成份主要來自于煤粉氣力輸送管線中的N2和CO2循環氣，其中CO2含量占90%以上。在微風或者無風的情況下，CO2積聚觸發監測儀報警。

GB16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》中僅對部分氣體和粉塵顆粒的排放濃度和高度提出了要求，對于化工裝置中其他氣體介質的排放要求并沒有做明確規定。因此，在保證通風狀況良好的情況下，如何設置放空管線位置及高度是石化裝置安全運行的一個重要前提。

2 氣體擴散過程

根據排放工況的不同，氣體的擴散可分為云羽擴散和云團擴散[1]。瞬時和間歇排放容易形成云團擴散模式，如安全閥和爆破片后的氣體；連續排放容易形成云羽排放，如設備管道正常排放以及穿孔泄露等。

而排放出來的氣體根據介質成分和性質的不同，往往形成不同密度的氣云。當氣體密度小于空氣時，會形成輕氣云，如H2、N2和CO；當氣體密度大于空氣或排放后有液滴時，會形成重氣云，如液氨、CO2、O2等。

非重氣云的擴散過程一般分為三個階段[2,3]：初始噴射、浮力上升、湍流擴散。石化裝置中的放空管口處（如設備頂部放空、安全閥后放空等），氣體高速噴出，隨著噴射距離的增大，氣團膨脹，受到的阻力變大，氣體流速降低。當氣流速度下降到與風速相近時，初始噴射階段結束，氣團主要受浮力和大氣湍流影響。由于氣體密度小于空氣，氣團受浮力向上運動，隨著氣體的進一步擴散，氣團濃度降低，密度越來越接近大氣密度，最終浮力的作用可以忽略，擴散進入大氣湍流主導階段。在這個階段內，大氣會裹挾著氣團自高濃度向低濃度移動，氣團內部會隨著大氣出現漩渦，氣團進一步擴散，并將與大氣完全相近。

重氣云與非重氣云的擴散形式不同，由于其密度大于空氣，當噴射階段結束后，氣云由于重力沉降，同時隨著氣團的擴散膨脹，重氣云漸漸向非重氣云轉變，到一定程度后會完全轉變為非重氣云。如圖1所示：

圖1：重氣云擴散示意圖Fig1:Diffusion diagram of heavy gas cloud

因此在相同風速下，對于非重氣云，只需考慮氣體排放高度與周圍建筑物的高度。對于重氣云，考慮到氣體的沉降以及在封閉區域的積聚性，應避免在其拐點之前布置高層建筑物以及不通風的封閉場所。

3 影響氣團擴散的因素

影響排放氣體擴散的因素有很多，主要包括：氣體初始噴射速度和方向、噴出時溫度、排放管直徑、環境風速和風向、環境溫度和大氣湍流強度等。

環境風速越大，氣團沿著風向運動地越快，大氣湍流混合作用越強，越有利于氣團的擴散和窒息性介質的稀釋。排放高度越高，氣團在沉降到地面之前越容易被大氣氣流帶走，到達地面的濃度越低。

排放口氣體的初始速度和方向直接影響氣團的有效上升高度，上個世紀Wilson 根據管道破裂泄露提出的經驗公式，氣團抬升高度H可表示為：

其中s為氣團出口速度，d為出口管道直徑，k為環境風速。當出口速度和管徑越大，風速越小，氣團上升高度越大，窒息性介質濃度越容易被大氣所稀釋。

為保證裝置的安全運行以及操作人員的人身安全，對于裝置中直接排大氣的窒息性氣體，為避免積聚，應結合氣體性質、周圍設備布置和當地大氣平均速度，合理設置排放位置和排放高度。

4 項目概況

圖2：未改造前某裝置CO2放空管布置圖Fig2:Layout of CO2 vent pipe of a unit before reform

以某煤氣化裝置為例，氣化框架分#1、#2框架，每個框架聯合布置4臺氣化爐，每兩個系列共用一個放空洗滌罐。框架42米以下為混凝土結構，以上為鋼結構框架，CO2監測儀布置在42米層，放空管道位于氣化框架頂部，頂部平臺高82m，排放管高出平臺10m，管徑為DN1400，材質為碳鋼，如圖2所示。

當地月平均風速為2.5m/s，根據不同運行工況，放空口氣體流速在3～10m/s之間。氣體成分如表1所示：

表1：氣體介質成份Tab1:Component of Gas

5 數值模擬

對整個裝置進行簡化建模，取單根放空管為模擬對象，由于裝置內部設備管道較密集，認為風無法穿過裝置，以CO2監測儀安裝位置為起始面，放空口高出起始面50m，裝置邊緣設為固定邊界，以放空口為出發點，建立300mX300m氣體擴散二維計算區域。

假設風向為單一風向，忽略海拔高度對氣流的影響，設定大氣湍流強度為10%。采用fluent 中的組分運輸模式，風及排放口采用速度入口，出口為壓力遠場出口，可以得到不同噴射速度以及風速下的擴散情況。

5.1 不同風速對擴散的影響

為模擬微風或者無風時氣體擴散的情況，將風吹入速度設為0.1m/s，氣體排放速度設為5m/s。空氣從左側邊界水平吹入，排放口高出起始面50米，頂部排放口氣流垂直向上噴射，下方邊界為地面，氣流向上向右擴散。排放口的氣體在初始速度的作用下，向上噴出進入大氣，因受到大氣阻力，氣團速度越來越小直至變為0。其速度分布云圖和CO2濃度分布圖如圖3所示。

圖3：風速為0.1m/s，噴射速度為5m/s時的速度云圖和CO2濃度分布圖Fig3:the velocity and CO2 destiny cloud figure when V(wind)=0.1m/s,V(gas)=5m/s

在垂直方向上，氣團整體的上升高度較大，由于排放氣體密度大于空氣密度，CO2向下沉降，從其濃度分布云圖中可以看出，CO2噴出后，沿著裝置另一側沉降至地面，地面上靠近裝置處CO2的濃度最大，隨著距離增大，濃度有所降低，但最終均勻沉降在裝置另一側的地面上。

圖4：風速為3m/s，風速為5m/s時CO2濃度分布圖Fig4:the CO2 destiny cloud figure when V(wind)=3m/s,V(wind)=5m/s

這種情況下，會導致CO2在裝置一側積聚，當濃度達到一定量后，會觸發裝置框架上的CO2檢測儀報警，甚至會導致人員窒息，因此要避免這種情況。

噴射速度不變，改變風速，可以得出圖4所示的CO2濃度分布云圖，從圖4可知，放空口噴射出去的氣體一進入大氣，便自噴射口向外擴散，在外力的作用下氣團整體向右擴散，速度漸漸降低。隨著風速的增大，氣團的抬升高度降低，CO2濃度分布區域變長變窄；同時CO2分布區域變大，地面上的CO2濃度降低。

把風速作為唯一變量，通過模擬可以得到CO2濃度為5%時氣團的抬升高度，對比Wilson的經驗公式，其結果如圖5所示。

圖5：不同風速下氣團的抬升高度Fig5:the gas rising height in different wind speed

從圖5 可以看出fluent 模擬的抬升曲線上升趨勢與經驗公式的上升趨勢一致，因為計算模型的選擇以及湍流強度等參數的設置與實際也存在偏差，其與經驗公式的數值仍存在差異。但可以證明，通過fluent模擬，可以較為真實地反映氣團擴散的趨勢。

5.2 不同噴射速度對擴散的影響

將噴射速度作為唯一變量，設風速為5m/s 時，可以得出不同風速下的氣團速度分布云圖，如圖6所示：

圖6：噴射速度為3m/s，噴射速度為10m/s時的速度分布云圖Fig6:the velocity cloud figure when V(gas)=3m/s,V(gas)=10m/s

由圖6 可以看出，當噴射速度增大時，氣體的抬升高度變大，氣團垂直方向明顯變長，水平方向變短，整個云羽變寬變短。這與Wilson的經驗公式也是一致的。

6 現場整改方案

圖7：改造后某裝置CO2放空管布置圖Fig7:Layout of CO2 vent pipe of a unit after reform

為了降低框架上CO2濃度，減少42m層報警，根據經驗公式和模擬結果，現場對放空管道進行了整改，將放空口引致東側框架邊緣較空曠處，使四周無設備框架遮擋，并抬高放空口高度至100m，以利于氣團擴散，其布置如圖7 所示。同時盡量使相鄰兩系列同開同停，增大氣體排放速度。

風速增至5m/s，排放速度為8m/s,大氣湍流強度增至30%，通過模擬可以得出排放氣體的速度云圖和CO2濃度分布圖，如圖8 所示。可以看出，氣體被風吹至較遠的地方，框架及地面CO2濃度較低。通過整改，裝置現場運行良好，CO2監測儀報警次數明顯減少。

圖8：風速為5m/s，噴射速度為8m/s時的速度云圖和CO2濃度分布圖Fig8:the velocity and CO2 destiny cloud figure when V(wind)=5m/s,V(gas)=8m/s

7 結語

通過以上分析及模擬，可以得出如下結論：

(1)排放口的氣云擴散方式根據氣體介質密度等特性的不同，而呈現出重氣云和非重氣云的特性。對于重氣云，由于其密度大于空氣，不管其噴射速度、風速、排放高度怎樣設置，最終會沉積在以放空口為中心的一定區域范圍內，其濃度與該區域范圍的大小以及外界環境因素有關。

(2)氣團的擴散形式與放空高度、初始速度、排放口直徑、大氣速度與湍流強度等因素有關。在一定的地域范圍內，風速越大，湍流越強越有利于氣團擴散；排放高度越高、初始速度越大、排放口徑越大越有利。

(3)石化行業中的放空口應根據氣體介質特性（密度、窒息性等）來設置放空口的位置以及高度，同時要避免在重氣云的主導風向下游集中布置高層建筑以及封閉空間，若受到用地等因素影響，應盡量遠離放空口。