CO2消音器布置在氨回收框架的可行性分析

梁亞棟 王兵兵 中國五環工程有限公司 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合成氨工藝專利商授權運營的合成氨裝置在數量方面具有領先地位[1]，不同專利商對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Casale工藝提出了排放標高不低于30m的要求。一般情況下CO2并不是有毒物質，但當空氣中CO2濃度超過一定限度時則會使肌體產生中毒現象，高濃度的CO2則會讓人窒息[2]。傳統布置方案對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排放對周圍環境的影響，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 工藝的項目CO2去除工序為例，分析計算低壓閃蒸塔后CO2氣體經過消音器后，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。

選定的項目以天然氣作為原料制合成氨，采用Casale工藝，根據工藝要求，消音器放空點出口標高需要布置距地面30m以上，氨回收框架頂層平臺標高為29.6m且緊靠CO2去除工序，設計階段選定消音器布置在氨回收頂層平臺，見圖1、圖2。標高滿足了工藝要求，管道布置也經濟可行。由于該框架上需要工人經常操作，在特殊工況下，大量CO2排放時存在形成窒息性環境的危險。本文針對CO2放空點的設置情況，預測其排放的CO2在操作平臺的濃度分布，并通過分析對平臺操作人員可能造成的職業衛生危害反推排放口的合理標高。

圖1 CO2消音器的布置(三維模型)

圖2 CO2消音器的布置(現場布置)

1 估算方法及參數

本項目位于農村地區，項目所在地區多年平均氣溫為26℃，多年平均風速為1.9m/s。結合項目周邊環境和項目所在污染氣象，選取美國環保署開發的SCREEN3模型進行估算，預測在較小的尺度下CO2氣體排出排氣筒后的在操作平臺上的落地濃度分布，沒有考慮地形及周邊建筑物、其它CO2排放源對濃度分布的影響；該估算模型是一種單源預測模式，嵌入了多種預設的氣象組合條件，此類氣象條件在項目所在地區有可能發生，也有可能不發生[3]。估算模式(SCREEN3)運行中主要計算參數及選項見表1

表1 估算模式參數一覽表

本項目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℃，排放消音器出口內徑為1.3m，其煙氣組分見表2。

表2 CO2排放參數

2 評價標準

針對國內外項目可選取國標GBZ2.1-2007[4]和美國ACGIH(美國政府工業衛生學家會議)標準[5]，評價標準見表3。

表3 評價標準

可見ACGIH標準的TWA值要嚴于國內標準，GBZ2.1-2007標準的STEL值要嚴于美國標準，本次預測評價標準選取較嚴格值TWA進行評價。

(1)短期接觸限值(STEL, Threshold limit value-short term exposure limit)，即此時該平臺上操作人員指每次接觸時間不超過15min，每天不得超過4次，且前后兩次接觸至少間隔60min的時間加權平均接觸限值。在此濃度下人能短時間連續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 麻醉強度達到足以增加意外傷害的危險，自救能力減退或工作效率明顯降低。

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

3 操作平臺濃度分布估算

氨回收框架平臺(東西長3.5m、南北長6m)標高為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。消音器布置在平臺的西北角。此外將考慮到最高平臺1.5m高操作人員呼吸處的濃度分布。計算結果見表4、表5。

表4 EL29.6m平臺(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩定度、不同風速下放空擴散濃度估算結果

表5 EL29.6m平臺(不含樓梯間)不同穩定度、不同風速下放空擴散濃度估算結果

從估算結果表4可知，一旦出現CO2排放，最高處平臺(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，會出現超過短期接觸限值的現象，同時也超過了時間加權平均閾限值。從估算結果表5可知，一旦出現CO2排放，受大量煙氣抬升和擴散影響，距放空點最高平臺(EL29.6m)處，有較低濃度排放的CO2污染物，其最大值為13.14mg/m3，遠低于STEL和TWA的職業衛生限值的要求。

4 CO2放空點高度反推

結合工程實際情況，為避免平臺CO2超過STEL和TWA的職業衛生限值標準，對CO2放空點消音器的不同高度進行反推，結果見表6～表11：

表6 EL29.6m平臺(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩定度、不同風速下放空擴散濃度估算結果(放空點為31.4m)

表7 EL29.6m平臺(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩定度、不同風速下放空擴散濃度估算結果(放空點為31.5m)

表8 EL29.6m平臺(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩定度、不同風速下放空擴散濃度估算結果(放空點為31.6m)

表9 EL29.6m平臺(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩定度、不同風速下放空擴散濃度估算結果(放空點為31.7m)

表10 EL29.6m平臺(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩定度、不同風速下放空擴散濃度估算結果(放空點為31.8m)

表11 EL29.6m平臺(不含樓梯間)1.5m高呼吸處不同穩定度、不同風速下放空擴散濃度估算結果(放空點為32.8m)

由表6～表11可知，預測反推CO2放空點高度時，當放空點高度為31.8m時，最高平臺操作人員呼吸處可滿足TWA的職業衛生限值。當放空點高度為32.8m時，最高平臺操作人員呼吸處預測結果顯示基本不受放空影響，建議放空點高度提升至不低于32.8m，即比原有高度至少抬高1.5m，以確保CO2放空時對平臺操作人員不造成窒息等職業病危害。

5 結語

傳統的布置方案更多地考慮了CO2排放過程中的安全性問題，現經過計算推導得出結論：CO2消音器布置在氨回收框架是可行的，在滿足工藝和安全要求的同時也方便了檢修和安裝，可為類似項目的設備布置提供參考。