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(tǒng)安全以及流程需求，一些無毒非可燃?xì)怏w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(zhì)中可能含有窒息性氣體（如N2和CO2等），當(dāng)排放量大、濃度高、環(huán)境風(fēng)速小或者周圍有建筑物時(shí)，可能會(huì)造成氣團(tuán)積聚，排擠空氣中的氧氣，引起人體窒息。

某煤氣化裝置試運(yùn)行半年以來，發(fā)現(xiàn)氣化框架上的CO2監(jiān)測(cè)儀經(jīng)常處于報(bào)警狀態(tài)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(zhì)成份主要來自于煤粉氣力輸送管線中的N2和CO2循環(huán)氣，其中CO2含量占90%以上。在微風(fēng)或者無風(fēng)的情況下，CO2積聚觸發(fā)監(jiān)測(cè)儀報(bào)警。

GB16297-1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中僅對(duì)部分氣體和粉塵顆粒的排放濃度和高度提出了要求，對(duì)于化工裝置中其他氣體介質(zhì)的排放要求并沒有做明確規(guī)定。因此，在保證通風(fēng)狀況良好的情況下，如何設(shè)置放空管線位置及高度是石化裝置安全運(yùn)行的一個(gè)重要前提。

2 氣體擴(kuò)散過程

根據(jù)排放工況的不同，氣體的擴(kuò)散可分為云羽擴(kuò)散和云團(tuán)擴(kuò)散[1]。瞬時(shí)和間歇排放容易形成云團(tuán)擴(kuò)散模式，如安全閥和爆破片后的氣體；連續(xù)排放容易形成云羽排放，如設(shè)備管道正常排放以及穿孔泄露等。

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

非重氣云的擴(kuò)散過程一般分為三個(gè)階段[2,3]：初始噴射、浮力上升、湍流擴(kuò)散。石化裝置中的放空管口處（如設(shè)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(tuán)膨脹，受到的阻力變大，氣體流速降低。當(dāng)氣流速度下降到與風(fēng)速相近時(shí)，初始噴射階段結(jié)束，氣團(tuán)主要受浮力和大氣湍流影響。由于氣體密度小于空氣，氣團(tuán)受浮力向上運(yùn)動(dòng)，隨著氣體的進(jìn)一步擴(kuò)散，氣團(tuán)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(kuò)散進(jìn)入大氣湍流主導(dǎo)階段。在這個(gè)階段內(nèi)，大氣會(huì)裹挾著氣團(tuán)自高濃度向低濃度移動(dòng)，氣團(tuán)內(nèi)部會(huì)隨著大氣出現(xiàn)漩渦，氣團(tuán)進(jìn)一步擴(kuò)散，并將與大氣完全相近。

重氣云與非重氣云的擴(kuò)散形式不同，由于其密度大于空氣，當(dāng)噴射階段結(jié)束后，氣云由于重力沉降，同時(shí)隨著氣團(tuán)的擴(kuò)散膨脹，重氣云漸漸向非重氣云轉(zhuǎn)變，到一定程度后會(huì)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧庠啤Ｈ鐖D1所示：

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

因此在相同風(fēng)速下，對(duì)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(duì)于重氣云，考慮到氣體的沉降以及在封閉區(qū)域的積聚性，應(yīng)避免在其拐點(diǎn)之前布置高層建筑物以及不通風(fēng)的封閉場(chǎng)所。

3 影響氣團(tuán)擴(kuò)散的因素

影響排放氣體擴(kuò)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(shí)溫度、排放管直徑、環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向、環(huán)境溫度和大氣湍流強(qiáng)度等。

環(huán)境風(fēng)速越大，氣團(tuán)沿著風(fēng)向運(yùn)動(dòng)地越快，大氣湍流混合作用越強(qiáng)，越有利于氣團(tuán)的擴(kuò)散和窒息性介質(zhì)的稀釋。排放高度越高，氣團(tuán)在沉降到地面之前越容易被大氣氣流帶走，到達(dá)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(tuán)的有效上升高度，上個(gè)世紀(jì)Wilson 根據(jù)管道破裂泄露提出的經(jīng)驗(yàn)公式，氣團(tuán)抬升高度H可表示為：

其中s為氣團(tuán)出口速度，d為出口管道直徑，k為環(huán)境風(fēng)速。當(dāng)出口速度和管徑越大，風(fēng)速越小，氣團(tuán)上升高度越大，窒息性介質(zhì)濃度越容易被大氣所稀釋。

為保證裝置的安全運(yùn)行以及操作人員的人身安全，對(duì)于裝置中直接排大氣的窒息性氣體，為避免積聚，應(yīng)結(jié)合氣體性質(zhì)、周圍設(shè)備布置和當(dāng)?shù)卮髿馄骄俣?，合理設(shè)置排放位置和排放高度。

4 項(xiàng)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(gè)框架聯(lián)合布置4臺(tái)氣化爐，每?jī)蓚€(gè)系列共用一個(gè)放空洗滌罐。框架42米以下為混凝土結(jié)構(gòu)，以上為鋼結(jié)構(gòu)框架，CO2監(jiān)測(cè)儀布置在42米層，放空管道位于氣化框架頂部，頂部平臺(tái)高82m，排放管高出平臺(tái)10m，管徑為DN1400，材質(zhì)為碳鋼，如圖2所示。

當(dāng)?shù)卦缕骄L(fēng)速為2.5m/s，根據(jù)不同運(yùn)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(zhì)成份Tab1:Component of Gas

5 數(shù)值模擬

對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，取單根放空管為模擬對(duì)象，由于裝置內(nèi)部設(shè)備管道較密集，認(rèn)為風(fēng)無法穿過裝置，以CO2監(jiān)測(cè)儀安裝位置為起始面，放空口高出起始面50m，裝置邊緣設(shè)為固定邊界，以放空口為出發(fā)點(diǎn)，建立300mX300m氣體擴(kuò)散二維計(jì)算區(qū)域。

假設(shè)風(fēng)向?yàn)閱我伙L(fēng)向，忽略海拔高度對(duì)氣流的影響，設(shè)定大氣湍流強(qiáng)度為10%。采用fluent 中的組分運(yùn)輸模式，風(fēng)及排放口采用速度入口，出口為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)出口，可以得到不同噴射速度以及風(fēng)速下的擴(kuò)散情況。

5.1 不同風(fēng)速對(duì)擴(kuò)散的影響

為模擬微風(fēng)或者無風(fēng)時(shí)氣體擴(kuò)散的情況，將風(fēng)吹入速度設(shè)為0.1m/s，氣體排放速度設(shè)為5m/s?？諝鈴淖髠?cè)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(kuò)散。排放口的氣體在初始速度的作用下，向上噴出進(jìn)入大氣，因受到大氣阻力，氣團(tuán)速度越來越小直至變?yōu)?。其速度分布云圖和CO2濃度分布圖如圖3所示。

圖3：風(fēng)速為0.1m/s，噴射速度為5m/s時(shí)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(tuán)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(cè)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(cè)的地面上。

圖4：風(fēng)速為3m/s，風(fēng)速為5m/s時(shí)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(huì)導(dǎo)致CO2在裝置一側(cè)積聚，當(dāng)濃度達(dá)到一定量后，會(huì)觸發(fā)裝置框架上的CO2檢測(cè)儀報(bào)警，甚至?xí)?dǎo)致人員窒息，因此要避免這種情況。

噴射速度不變，改變風(fēng)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(jìn)入大氣，便自噴射口向外擴(kuò)散，在外力的作用下氣團(tuán)整體向右擴(kuò)散，速度漸漸降低。隨著風(fēng)速的增大，氣團(tuán)的抬升高度降低，CO2濃度分布區(qū)域變長(zhǎng)變窄；同時(shí)CO2分布區(qū)域變大，地面上的CO2濃度降低。

把風(fēng)速作為唯一變量，通過模擬可以得到CO2濃度為5%時(shí)氣團(tuán)的抬升高度，對(duì)比Wilson的經(jīng)驗(yàn)公式，其結(jié)果如圖5所示。

圖5：不同風(fēng)速下氣團(tuán)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(shì)與經(jīng)驗(yàn)公式的上升趨勢(shì)一致，因?yàn)橛?jì)算模型的選擇以及湍流強(qiáng)度等參數(shù)的設(shè)置與實(shí)際也存在偏差，其與經(jīng)驗(yàn)公式的數(shù)值仍存在差異。但可以證明，通過fluent模擬，可以較為真實(shí)地反映氣團(tuán)擴(kuò)散的趨勢(shì)。

5.2 不同噴射速度對(duì)擴(kuò)散的影響

將噴射速度作為唯一變量，設(shè)風(fēng)速為5m/s 時(shí)，可以得出不同風(fēng)速下的氣團(tuán)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(shí)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(dāng)噴射速度增大時(shí)，氣體的抬升高度變大，氣團(tuán)垂直方向明顯變長(zhǎng)，水平方向變短，整個(gè)云羽變寬變短。這與Wilson的經(jīng)驗(yàn)公式也是一致的。

6 現(xiàn)場(chǎng)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(bào)警，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和模擬結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)放空管道進(jìn)行了整改，將放空口引致東側(cè)框架邊緣較空曠處，使四周無設(shè)備框架遮擋，并抬高放空口高度至100m，以利于氣團(tuán)擴(kuò)散，其布置如圖7 所示。同時(shí)盡量使相鄰兩系列同開同停，增大氣體排放速度。

風(fēng)速增至5m/s，排放速度為8m/s,大氣湍流強(qiáng)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?？梢钥闯?，氣體被風(fēng)吹至較遠(yuǎn)的地方，框架及地面CO2濃度較低。通過整改，裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行良好，CO2監(jiān)測(cè)儀報(bào)警次數(shù)明顯減少。

圖8：風(fēng)速為5m/s，噴射速度為8m/s時(shí)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(jié)語

通過以上分析及模擬，可以得出如下結(jié)論：

(1)排放口的氣云擴(kuò)散方式根據(jù)氣體介質(zhì)密度等特性的不同，而呈現(xiàn)出重氣云和非重氣云的特性。對(duì)于重氣云，由于其密度大于空氣，不管其噴射速度、風(fēng)速、排放高度怎樣設(shè)置，最終會(huì)沉積在以放空口為中心的一定區(qū)域范圍內(nèi)，其濃度與該區(qū)域范圍的大小以及外界環(huán)境因素有關(guān)。

(2)氣團(tuán)的擴(kuò)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(qiáng)度等因素有關(guān)。在一定的地域范圍內(nèi)，風(fēng)速越大，湍流越強(qiáng)越有利于氣團(tuán)擴(kuò)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(yè)中的放空口應(yīng)根據(jù)氣體介質(zhì)特性（密度、窒息性等）來設(shè)置放空口的位置以及高度，同時(shí)要避免在重氣云的主導(dǎo)風(fēng)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(yīng)盡量遠(yuǎn)離放空口。