梁亞棟 王兵兵 中國五環(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合成氨工藝專利商授權運營的合成氨裝置在數(shù)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(xiàn)象，高濃度的CO2則會讓人窒息[2]。傳統(tǒng)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(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(jù)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(huán)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(yè)衛(wèi)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(xiàn)場布置)

1 估算方法及參數(shù)

本項目位于農村地區(qū)，項目所在地區(qū)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(huán)境和項目所在污染氣象，選取美國環(huán)保署開發(fā)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(qū)有可能發(fā)生，也有可能不發(fā)生[3]。估算模式(SCREEN3)運行中主要計算參數(shù)及選項見表1

表1 估算模式參數(shù)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(shù)

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(yè)衛(wèi)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(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(wěn)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(wěn)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(xiàn)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(xiàn)超過短期接觸限值的現(xiàn)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(xiàn)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(yè)衛(wèi)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(yè)衛(wèi)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(yè)衛(wèi)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(yè)病危害。

5 結語

傳統(tǒng)的布置方案更多地考慮了CO2排放過程中的安全性問題，現(xiàn)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。