氨碱法除钙塔尾气安全排放的计算与设计

丁 爽

（青岛海湾化工设计研究院有限公司，山东 青岛 266043）

氨碱法制纯碱工艺中，为保证产品纯碱的品质，需要将原料之一的工业粗盐制成饱和盐水，并对饱和盐水进行精制，以除去盐水中钙、镁等杂质。

除钙塔是石灰碳酸铵法盐水精制的主体设备。其作用有两个：一是回收碳酸化塔尾气所含的氨和二氧化碳，所以除钙塔又称碳酸化尾气回收塔；二是利用碳酸化尾气所含的氨和二氧化碳与一次盐水中的钙离子进行化学反应生成碳酸钙沉淀，进而在二次澄清桶中沉降分离，制得精制盐水（或称二次盐水）。

1 除钙塔塔顶尾气安全分析

1.1 基本情况介绍

一氧化碳（CO）是首批重点监管的危险化学品，在通常状况下，一氧化碳是无色、无臭、无味、有毒的气体，微溶于水，溶于乙醇、苯等有机溶剂。分子量28.01，熔点－205℃，沸点－191.4℃，气体密度1.25g／L，相对密度（水＝1）0.79，相对蒸气密度（空气＝1）0.97，临界压力3.50MPa，临界温度－140.2℃，爆炸极限12%～74%（体积比），自燃温度605℃，最大爆炸压力0.720MPa。

一氧化碳在血中与血红蛋白结合而造成组织缺氧。一氧化碳与血红蛋白的亲合力比氧与血红蛋白的亲合力高200～300倍，所以一氧化碳极易与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，使血红蛋白丧失携氧的能力和作用，造成组织窒息。轻度中毒者出现剧烈头痛、头晕、耳鸣、心悸、恶心、呕吐、无力，轻度至中度意识障碍但无昏迷，血液碳氧血红蛋白浓度可高于10%；中度中毒者除上述症状外，意识障碍表现为浅至中度昏迷，但经抢救后恢复且无明显并发症，血液碳氧血红蛋白浓度可高于30%；重度患者出现深度昏迷或大脑强直状态、休克、脑水肿、肺水肿、严重心肌损害、锥体系或锥体外系损害、呼吸衰竭等，血液碳氧血红蛋白可高于50%。部分患者意识障碍恢复后，约经2～60天的“假愈期”，又可能出现迟发性脑病，以意识精神障碍、锥体系或锥体外系损害为主。职业接触限值：时间加权平均容许浓度 （PC－TWA）20mg／m3；短时间接触容许浓度（PC－STEL）30mg／m3。

纯碱生产中，石灰工序生产的窑气经碳酸化塔吸收CO2后的碳酸化尾气CO2含量约4%、CO含量约1%，碳酸化尾气中所含的CO不参与反应，从塔顶排放。除钙塔塔顶尾气的排放，有直口排放、有椭圆收口排放。

青岛碱业在2008年除钙塔改造之前是直口排放，盐水车间除钙厂房地面的黄海标高为7.85m，除钙尾气排放的相对高度30m左右，排放的绝对高度在40m左右。排放尾气气速低，弥漫在除钙厂房八楼顶层，不易散去，在低气压时顶层浓度甚至达到800mg／m3，超过接触容许浓度20多倍，极易造成CO中毒事故发生。因此正常生产时，除钙厂房严禁人员进入顶层，这给生产和检修造成非常不便的影响。

1.2 相关资料信息（查新情况介绍）

目前尾气的安全排放问题，未见有安全排放计算数据发布。大化碱厂有报道治理除钙尾气，方案为四台除钙塔（三用一备）尾气管并联接入一总管，管径为DN900、排放高度为57m；还有的碱厂将除钙塔加装高度10m以上的排气筒作为防毒的安全措施。

2 塔顶尾气安全排放的设计与计算

2.1 基本数据

除钙塔数据：直径φ3200泡罩塔，塔圈高度H＝1.1m

单塔纯碱产能：34.13t／h

碳化尾气当量数：614Nm3／t碱（除钙塔进气量）

除钙塔排出废气的排放当量：469Nm3／t碱（除钙塔排气量）

2.2 设计与计算

尾气出口流速，涉及到“经济流速”的工程设计理念和高度合理性的问题。从大气污染物排放和扩散角度来讲，在保证满足排气筒设计要求的前提下适当加大出口流速，有利于污染物的动力抬升和降低落地浓度。但是，出口流速过高则易导致系统阻力过大，经济上不适宜，且排放口处会出现急剧夹卷效应；而出口流速过低易造成排放口处出现下洗，从而排放不畅，不利于迅速扩散，出现漫烟等扩散造成局部重污染。

气象条件对尾气扩散的影响因素主要有：风向、风速、大气湍流、大气温度的垂直分布和大气稳定度等。主要的影响因素为风速。据介绍，青岛地区30m高空风速为6.37m／s，35m 高空风速为6.52m／s，40m高空风速为6.65m／s，废气的排放速度宜控制在1.5倍风速左右效果较好，即出口流速控制在9m／s即可。

单塔处理碳化尾气量：614×34.13＝20 956 m3／h＝5.821m3／s，空塔气速为0.724m／s。

单塔排放尾气量：469×34.13＝20 956m3／h＝4.446m3／s

φ3200除钙塔顶部不收口的排放速度：4.446／（3.14×1.62）＝0.55m／s

φ3200除钙塔收口至φ1500时的排放速度4.446／（3.14×0.752）＝2.52m／s

φ3200除钙塔收口至φ800时的排放速度4.446／（3.14×0.42）＝8.85m／s

φ3200除钙塔收口至φ700时的排放速度＝4.446／（3.14×0.352）＝11.56m／s

通过计算，φ3200除钙塔排放收口至φ800较为适宜。

计算收口的阻力损失：

φ3200除钙塔收口至φ800，可以采用两级渐变，即从φ3200先经过1 500mm高度收口变为φ1000，再经800mm高度收口变为φ800，直段高度1 000mm。总高度3 300mm。

缩径阻力系数约为0.49，局部阻力损失：

（0.5×0.49×1.248×8.852）／9.81＝24.4Pa

碳化尾气的进气压力为0.054MPa，增加的24.4Pa阻力损失在许可范围内。

3 改造后实际运行效果对比

根据上述计算，2008年青岛碱业扩产80万t的纯碱系统技改项目，对1＃和2＃除钙塔进行了扩径和排放口的收口等设计计算，并在2008年底投入使用；另外3台除钙塔也于2010年底进行了设备改造，除钙后尾气全部改为收口后排放，排放高度仅增加3.3m。经过4年多的运行，证明除钙尾气达到了安全排放，无论在什么气象条件下，除钙尾气中的CO浓度均控制在容许范围内，除钙厂房顶层解除禁入限制，楼顶的扩散风机也早已拆除，再未发生一例因除钙塔尾气排放而引起的CO中毒事故。

［1］ 李长君.治理除钙尾气改善劳动环境［J］.纯碱工业，1991（6）54～55

［2］ 陈学勤.氨碱法纯碱工艺［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1989

［3］ 王楚.纯碱生产工艺与设备计算［M］.北京：化学工业出版社，1994

［4］ 中昊（大连）化工研究设计院有限公司.纯碱工学［M］.北京：化学工业出版社，2014