王廷亮

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

二氧化碳排放煙囪高度的優(yōu)化

王廷亮

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

針對(duì)某新建環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置脫碳單元排放的二氧化碳擴(kuò)散后會(huì)影響其附近空分裝置正常運(yùn)行的問(wèn)題，采用高斯煙羽模型建立了符合項(xiàng)目所在地主要?dú)庀髼l件下二氧化碳擴(kuò)散的模型，計(jì)算得到了滿足空分裝置正常運(yùn)行時(shí)的最低排放煙囪高度；并通過(guò)分析影響煙氣抬升高度的兩個(gè)主要因素，提出了針對(duì)本項(xiàng)目改善二氧化碳擴(kuò)散能力的有效措施。

高斯煙羽模型；煙囪高度；二氧化碳擴(kuò)散；優(yōu)化設(shè)計(jì)

環(huán)氧乙烷 / 乙二醇裝置脫碳單元產(chǎn)生大量濃度較高的二氧化碳?xì)怏w，近年來(lái)國(guó)內(nèi)多套裝置對(duì)這股二氧化碳放空氣進(jìn)行了回收和利用，但仍有部分裝置將其直接放空[1]。由于這股排放氣中含有少量的乙烷和乙烯（約0.002 % ），根據(jù)《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31571—2015）中對(duì)非甲烷總烴排放要求的規(guī)定，新建項(xiàng)目需要對(duì)這股二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行環(huán)保處理，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求后再放空。

某新建環(huán)氧乙烷 / 乙二醇裝置其脫碳單元產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w按照環(huán)評(píng)批復(fù)要求需經(jīng)環(huán)保處理后采用30 m高的煙囪放空。在進(jìn)行全廠規(guī)劃時(shí)，發(fā)現(xiàn)煙囪的正南方約200 m處新建了一套空分裝置，新建裝置排放的二氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散后，會(huì)造成空分裝置吸風(fēng)口處二氧化碳濃度的增加，進(jìn)而影響空分裝置的正常運(yùn)行。一個(gè)合理的方法是通過(guò)增加煙囪的高度來(lái)降低空分裝置吸風(fēng)口處二氧化碳濃度的增加值[2]，因此有必要對(duì)這股二氧化碳排放氣的擴(kuò)散情況進(jìn)行分析，進(jìn)而得到滿足環(huán)保要求以及空分裝置吸風(fēng)口二氧化碳濃度要求的最低煙囪高度，為項(xiàng)目決策提供依據(jù)。

目前，關(guān)于氣體擴(kuò)散有較多的預(yù)測(cè)模型[3]，多用于安全生產(chǎn)領(lǐng)域[4-6]。在這些模型中，由于高斯模型簡(jiǎn)單、易于理解、運(yùn)算量小且因?yàn)樘岢鰰r(shí)間早、試驗(yàn)數(shù)據(jù)多、試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好等特點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用[7-9]。本文擬采用《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ / T 169—2004）提出的高斯煙羽模型，建立預(yù)測(cè)二氧化碳擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，研究排煙口高度對(duì)二氧化碳擴(kuò)散的影響，得到了滿足空分裝置吸風(fēng)口二氧化碳濃度要求的最低煙囪高度。

1 問(wèn)題背景

1.1 氣象條件

本新建環(huán)氧乙烷 / 乙二醇裝置布置在廣東沿海地區(qū)某工業(yè)區(qū)內(nèi)，屬平原地區(qū)，項(xiàng)目所在區(qū)域全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，頻率為16.2 %，北風(fēng)的頻率為5.7 % ，靜風(fēng)頻率為6.3 % ；地面上10 m處年平均風(fēng)速為2.6 m / s；年平均氣溫23.4 ℃；當(dāng)?shù)氐拇髿夥€(wěn)定度以中性（D類）出現(xiàn)頻率最大，約為56.8 %，穩(wěn)定類（E類和F類）比不穩(wěn)定類（A類、B類、C類）頻率高一些，分別為26.2 %和17.0 %[10]；年平均海平面氣壓為1 008.4 hPa（0.1 MPa=1 000 hPa）。

1.2 平面布置

裝置內(nèi)脫碳單元的煙囪為位于裝置的東北角，在煙囪的正南方201.5 m處為空分裝置的吸風(fēng)口，吸風(fēng)口高度為15 m；煙囪與空分裝置之間的建構(gòu)筑物較少，鋪裝面平整。

1.3 煙囪排放條件

脫碳單元產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)環(huán)保處理后的排放速率為19 465.8 kg / h，其中二氧化碳的含量為58 % ，排煙溫度為80 ℃，排煙口的直徑為600 mm，煙氣的出口速率為15.6 m / s。

1.4 約束條件

空分裝置要求吸風(fēng)口上方15 m處二氧化碳濃度的增加量不超過(guò)108 ppm。

2 擴(kuò)散模型

2.1 高斯煙羽模型

高斯煙羽模型主要有以下假設(shè)：污染源的源強(qiáng)是連續(xù)的、均勻的，地表面充分平坦，在整個(gè)擴(kuò)散空間中風(fēng)速均勻不變，排放污染物無(wú)損失完全被地面反射，在時(shí)間和空間上呈正態(tài)分布[11]。文獻(xiàn)[9]指出高斯煙羽模型對(duì)平原地區(qū)的污染物濃度和實(shí)際吻合較好，通過(guò)上述分析可知，使用高斯煙羽模型預(yù)測(cè)本項(xiàng)目中二氧化碳的擴(kuò)散情況是合適的。

以煙囪排放口在地面上的投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，北風(fēng)方向?yàn)閤軸，y軸在水平面內(nèi)垂直于x軸；z軸垂直于水平面建立直角坐標(biāo)系，如圖1所示，則下風(fēng)向任意點(diǎn)（x，y，z）的濃度公式為：

式中 C ——任意點(diǎn)的污染物質(zhì)量濃度，mg / m3；

Q —— 源強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)污染物的排放量，mg / s；

σy——橫向擴(kuò)散系數(shù)，m；

σz—— 垂直擴(kuò)散系數(shù)，m；

u ——煙囪出口處環(huán)境平均風(fēng)速，m / s；

He——煙囪有效高度，m；

x —— 污染源排放點(diǎn)至下風(fēng)向上任一點(diǎn)的距離，m；

y —— 煙氣的中心軸在直角水平方向上到任意點(diǎn)的距離，m；

z ——離地面的距離，m。

2.2 模型中各參數(shù)的確定

2.2.1 擴(kuò)散系數(shù)σy和σz

采用文獻(xiàn)[12]推薦的公式：

式中x同上，指數(shù)α1，α2及系數(shù)γ1，γ2的取值與大氣穩(wěn)定度相關(guān)。

2.2.2 煙囪出口處環(huán)境平均風(fēng)速u

以煙囪所在區(qū)域鄰近氣象臺(tái)最近5年平均風(fēng)速按冪指數(shù)關(guān)系換算到煙囪出口高度的平均風(fēng)速[12]：

圖1 高斯煙羽模型坐標(biāo)系Fig. 1 Coordinate system for Gaussian plume model

式中 u10—— 鄰近氣象臺(tái)地面上10 m處5年平均風(fēng)速，m / s；

H ——煙囪距地面幾何高度，m；

m —— 風(fēng)廓線冪指數(shù)值，與大氣穩(wěn)定度相關(guān)。

2.2.3 煙囪有效高度He

煙氣從煙囪排出后由于動(dòng)力和熱力作用會(huì)繼續(xù)上升，經(jīng)過(guò)一段距離后逐漸變平，故煙囪的有效高度是煙囪的幾何高度H與煙氣抬升高度ΔH之和。

以煙氣熱釋放率Qh和煙氣出口溫度與環(huán)境溫度的差值ΔT作為判據(jù)，文獻(xiàn)[12]給出了一系列計(jì)算煙氣高度的公式。Qh及ΔT可由式（6），（7）得到：

式中 Qh——煙氣熱釋放率，kJ / s；

Pa—— 大氣壓力，hPa，取鄰近氣象站年平均值；

Qv——實(shí)際排煙率，m3/ s；

ΔT ——煙氣出口溫度與環(huán)境溫度差，K；

Ts——煙氣出口溫度，K；

Ta—— 環(huán)境大氣溫度，K，取鄰近氣象臺(tái)最近5年平均氣溫。

據(jù)已知條件可得，本項(xiàng)目脫碳單元煙囪的煙氣熱釋放率Qh= 250.5 kJ / s，煙氣出口溫度與環(huán)境溫度的差值ΔT = 56.6 K，因此煙氣抬升高度按下式計(jì)算：

式中 Vs——煙囪出口處煙氣排出速度，m / s；

D ——煙囪出口直徑，m。

其余符號(hào)見(jiàn)上文中的定義。

在小靜風(fēng)條件下，使用式（9）計(jì)算煙氣抬升高度：

2.3 模型的求解

通過(guò)上文分析知，高斯煙羽模型中的相關(guān)參數(shù)與大氣穩(wěn)定度、地面上10 m處的風(fēng)速相關(guān)，因此有必要進(jìn)一步分析項(xiàng)目所在地的氣象條件，選擇有代表性的大氣穩(wěn)定度和環(huán)境風(fēng)速條件，使計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

新建裝置所在地的大氣穩(wěn)定度主要為中性，穩(wěn)定類比不穩(wěn)定類出現(xiàn)的頻率大，且大氣越不穩(wěn)定，越有利于污染物擴(kuò)散[13]，因此選擇D類和F類大氣穩(wěn)定度進(jìn)行計(jì)算。關(guān)于地面上10 m處的風(fēng)速，選擇項(xiàng)目所在地的年平均風(fēng)速2.6 m / s；考慮到靜風(fēng)頻率較高，選擇小靜風(fēng)時(shí)的風(fēng)速為0.5 m / s。

綜合上述分析，選擇以下四種氣象條件模擬本項(xiàng)目中二氧化碳的擴(kuò)散情況，分別為：2.6 / D（地面上10 m處風(fēng)速 / 大氣穩(wěn)定度，下同）、2.6 / F、0.5 / D、0.5 / F。

式（2）、（3）、（4）、（9）中相關(guān)參數(shù)的取值見(jiàn)表1。

表1 α1，α2，γ1，γ2，m及的取值[12]Tab. 1 Valve of α1，α2，γ1，γ2，m and

表1 α1，α2，γ1，γ2，m及的取值[12]Tab. 1 Valve of α1，α2，γ1，γ2，m and

大氣穩(wěn)定度 α1 α2 γ1 γ2 m / (K/m) D 0.924 279 0.917 595 0.177 154 0.106 803 0.25 0.01 F 0.920 818 0.788 370 0.086 400 1 0.092 752 9 0.30 0.025 2[2]dTadz

將上述參數(shù)按照四種氣象條件的要求帶入式（1）～（9），通過(guò)試差法求得滿足約束條件的最低煙囪高度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同氣象條件下的最低煙囪高度Tab.2 The minimum stack height in 4 types of meteorological conditions

由表2可知當(dāng)煙囪高度為37 m時(shí)，可滿足約束條件的要求。需要特別指出：由于在0.5 / D和0.5 / F的情況下，煙氣的抬升高度分別為95 m、77 m，此時(shí)空分裝置吸風(fēng)口處的二氧化碳濃度增加值均可忽略，因此在這兩種氣象條件下煙囪的高度采用環(huán)評(píng)批復(fù)的30 m。

3 進(jìn)一步分析和討論

通過(guò)上文分析可知，二氧化碳的擴(kuò)散情況受到氣象條件、煙囪的幾何高度、煙氣出口溫度、煙囪出口直徑等諸多因素的影響，本節(jié)將在上文討論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析煙氣出口溫度Ts、煙囪出口直徑D對(duì)煙囪高度的影響。

3.1 輸入條件

煙囪的實(shí)際排煙率Qv、二氧化碳的含量、煙囪與空分裝置的相對(duì)位置關(guān)系均不變，大氣穩(wěn)定度選擇D類，地面上10 m處的風(fēng)速選擇年平均風(fēng)速2.6 m / s，高斯擴(kuò)散模型的坐標(biāo)系仍參照?qǐng)D1，約束條件同上。

3.2 煙氣出口溫度對(duì)煙囪高度的影響

煙氣一般以高于露點(diǎn)的溫度排放，防止對(duì)煙囪的腐蝕。為討論煙氣出口溫度對(duì)煙囪高度的影響，令煙囪出口處煙氣排出速度保持不變，即Vs=15.6 m / s，將煙氣出口溫度分別提高至90 ℃，100 ℃，110 ℃，120 ℃，得到滿足約束條件的最低煙囪高度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同煙氣出口溫度條件下的最低煙囪高度Tab.3 The minimum stack height at different smog exit temperature

由表3可知提高煙氣的出口溫度，可以降低煙囪的高度，但是效果不明顯，主要原因是本項(xiàng)目排煙率Qv比較小，使得煙氣抬升高度隨煙氣出口溫度的

增加變化不明顯，而提高煙氣溫度會(huì)增加燃料氣的使用量，因此不建議通過(guò)提高煙氣的出口溫度來(lái)改善二氧化碳的擴(kuò)散情況。

3.3 煙囪出口直徑對(duì)煙囪高度的影響

當(dāng)排煙率一定時(shí)，煙囪出口直徑的改變，主要影響煙囪出口處煙氣排出速度。令煙氣出口溫度保持不變，即Ts= 80 ℃，改變煙囪出口直徑，表4顯示了不同煙囪出口直徑對(duì)應(yīng)的最低煙囪高度。

表4 不同煙囪出口直徑時(shí)的最低煙囪高度Tab.4 The minimum stack height at different stack exit diameter

由表4可知縮小煙囪的出口直徑，提高煙囪出口處煙氣的排出速度，可以較明顯地降低煙囪的高度，即降低了煙囪的建設(shè)投資，然而隨著煙氣流速的上升，煙氣系統(tǒng)的阻力降也隨之升高，增加了鼓風(fēng)機(jī)或引風(fēng)機(jī)功率消耗和操作費(fèi)用，因此，需要在建設(shè)投資和操作費(fèi)用之間尋求平衡點(diǎn)使總成本最低[14]。文獻(xiàn)[15]指出：“排氣筒的出口直徑應(yīng)根據(jù)出口流速確定，流速宜取15 m / s左右”，可知本裝置選擇的煙囪出口直徑是合適的。

研究煙氣出口溫度和煙囪出口直徑對(duì)煙囪高度的影響，實(shí)際上是從改變煙氣抬升高度的兩個(gè)因素著手，達(dá)到改變煙囪有效高度的目的。針對(duì)本項(xiàng)目，若煙囪按出口直徑為600 mm，高度為37 m設(shè)置，出現(xiàn)不滿足約束條件的情況時(shí)，可采用增加煙氣出口流速的方案（如在出口處安裝排煙引射器[16]），以提高煙囪的有效高度，從而滿足約束條件的要求。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)使用高斯煙羽模型，分析得到當(dāng)煙囪的幾何高度高于37 m時(shí)，可以使某新建環(huán)氧乙烷 / 乙二醇裝置脫碳單元煙囪排放二氧化碳的擴(kuò)散情況滿足空分裝置吸風(fēng)口處二氧化碳濃度增加量的要求。

（2）通過(guò)對(duì)改變煙氣抬升高度的兩個(gè)因素（煙氣出口溫度和煙囪出口處煙氣排出速度）的分析，可知：針對(duì)本項(xiàng)目，通過(guò)提高煙氣出口溫度并不能有效地降低煙囪的幾何高度；提高煙囪出口出煙氣排出速度能明顯降低煙囪的幾何高度，降低煙囪的建設(shè)投資，但由于煙氣排出速度的增大，煙氣系統(tǒng)的阻力降也相應(yīng)增大，增加了裝置的運(yùn)行成本，因此需要選擇合適的排煙口直徑，使總成本最低。

（3）當(dāng)出現(xiàn)不滿足約束條件的緊急情況時(shí)，將煙囪出口處安裝的排煙引射器投入使用，以增加出口處煙氣的排出速度，從而改善二氧化碳的擴(kuò)散情況。

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中石化上海工程有限公司中標(biāo)馬來(lái)西亞國(guó)家石油公司自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)總承包項(xiàng)目

日前，中石化煉化工程（集團(tuán)）股份有限公司（SEG）、中石化上海工程有限公司、SEG馬來(lái)西亞子公司共同與業(yè)主馬來(lái)西亞國(guó)家石油公司（馬石油）簽署馬石油邊佳蘭綜合中心自動(dòng)化立體（ASRS）倉(cāng)庫(kù)項(xiàng)目中標(biāo)通知書。

馬石油ASRS倉(cāng)庫(kù)項(xiàng)目是馬石油邊佳蘭綜合中心正在建設(shè)的煉油化工一體化RAPID項(xiàng)目的一個(gè)組成部分，項(xiàng)目工作范圍主要包括聚合物產(chǎn)品倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、包裝機(jī)及配套設(shè)施的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工和試運(yùn)行，合同工期27個(gè)月。

中石化上海工程有限公司于2015年6月參與該項(xiàng)目并通過(guò)項(xiàng)目資格預(yù)審；當(dāng)年12月收到業(yè)主招標(biāo)文件，成立報(bào)價(jià)項(xiàng)目組，正式開展投標(biāo)報(bào)價(jià)工作；其后歷經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，遞交技術(shù)和商務(wù)標(biāo)書，參加多次技術(shù)澄清、商務(wù)談判現(xiàn)場(chǎng)會(huì)和視頻會(huì)，經(jīng)過(guò)與多家國(guó)際知名承包商的激烈競(jìng)爭(zhēng)，最終中標(biāo)該項(xiàng)目。

該項(xiàng)目是中石化上海工程有限公司首次涉足馬來(lái)西亞市場(chǎng)，也是“十三五”之初獨(dú)立承接并執(zhí)行的第一個(gè)海外總承包項(xiàng)目。目前，項(xiàng)目工作已全面啟動(dòng)。

（魏永忠）

國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布關(guān)于石化產(chǎn)業(yè)調(diào)結(jié)構(gòu)促轉(zhuǎn)型增效益的指導(dǎo)意見(jiàn)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入重要轉(zhuǎn)折期，石化行業(yè)的發(fā)展也進(jìn)入了結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級(jí)的新階段。為指導(dǎo)新常態(tài)下的石化行業(yè)發(fā)展，近期國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于石化產(chǎn)業(yè)調(diào)結(jié)構(gòu)促轉(zhuǎn)型增效益的指導(dǎo)意見(jiàn)》（國(guó)辦發(fā)〔2016〕57號(hào)），提出了“著力去產(chǎn)能、降消耗、減排放，補(bǔ)短板、調(diào)布局、促安全，推動(dòng)石化產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級(jí)和健康發(fā)展”的指導(dǎo)思想，明確了“堅(jiān)持調(diào)整存量與做優(yōu)增量相結(jié)合”的基本原則，未來(lái)我國(guó)石化行業(yè)將一手抓去產(chǎn)能和調(diào)整存量，一手抓補(bǔ)短板和做優(yōu)增量。

（陳 曦）

Determination of Optimum Height of Stack for Carbon Dioxide Emission

Wang Tingliang
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Pervasion of carbon dioxide discharged from decarburization unit in EO/EG plant has influence the normal operation of adjacent air separation construction. To solve this problem, Gaussion plume model was used for building a model simulating pervasion of carbon dioxide at site of plant. The minimum height of the stack was calculated with which normal operation of air separation construction can be ensured, and two main factors effecting elevate the stack were determined by analysis. Then efficient measures to improve pervasion of carbon dioxide were presented.

gaussion plume model; height of stack; pervasion of carbon dioxide; optimum design

TQ 116.3

A

2095-817X（2016）05-0016-005

2016-07-08

王廷亮（1984—），男，工程師，主要從事化工工藝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。