二氧化碳排放烟囱高度的优化

王廷亮

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

二氧化碳排放烟囱高度的优化

王廷亮

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

针对某新建环氧乙烷/乙二醇装置脱碳单元排放的二氧化碳扩散后会影响其附近空分装置正常运行的问题，采用高斯烟羽模型建立了符合项目所在地主要气象条件下二氧化碳扩散的模型，计算得到了满足空分装置正常运行时的最低排放烟囱高度；并通过分析影响烟气抬升高度的两个主要因素，提出了针对本项目改善二氧化碳扩散能力的有效措施。

高斯烟羽模型；烟囱高度；二氧化碳扩散；优化设计

环氧乙烷 / 乙二醇装置脱碳单元产生大量浓度较高的二氧化碳气体，近年来国内多套装置对这股二氧化碳放空气进行了回收和利用，但仍有部分装置将其直接放空[1]。由于这股排放气中含有少量的乙烷和乙烯（约0.002 % ），根据《石油化学工业污染物排放标准》（GB 31571—2015）中对非甲烷总烃排放要求的规定，新建项目需要对这股二氧化碳气体进行环保处理，达到标准要求后再放空。

某新建环氧乙烷 / 乙二醇装置其脱碳单元产生的二氧化碳气体按照环评批复要求需经环保处理后采用30 m高的烟囱放空。在进行全厂规划时，发现烟囱的正南方约200 m处新建了一套空分装置，新建装置排放的二氧化碳气体扩散后，会造成空分装置吸风口处二氧化碳浓度的增加，进而影响空分装置的正常运行。一个合理的方法是通过增加烟囱的高度来降低空分装置吸风口处二氧化碳浓度的增加值[2]，因此有必要对这股二氧化碳排放气的扩散情况进行分析，进而得到满足环保要求以及空分装置吸风口二氧化碳浓度要求的最低烟囱高度，为项目决策提供依据。

目前，关于气体扩散有较多的预测模型[3]，多用于安全生产领域[4-6]。在这些模型中，由于高斯模型简单、易于理解、运算量小且因为提出时间早、试验数据多、试验结果与实验值吻合较好等特点，因而得到了广泛应用[7-9]。本文拟采用《建设项目环境风险评价技术导则》（HJ / T 169—2004）提出的高斯烟羽模型，建立预测二氧化碳扩散的数学模型，研究排烟口高度对二氧化碳扩散的影响，得到了满足空分装置吸风口二氧化碳浓度要求的最低烟囱高度。

1 问题背景

1.1 气象条件

本新建环氧乙烷 / 乙二醇装置布置在广东沿海地区某工业区内，属平原地区，项目所在区域全年主导风向为东南风，频率为16.2 %，北风的频率为5.7 % ，静风频率为6.3 % ；地面上10 m处年平均风速为2.6 m / s；年平均气温23.4 ℃；当地的大气稳定度以中性（D类）出现频率最大，约为56.8 %，稳定类（E类和F类）比不稳定类（A类、B类、C类）频率高一些，分别为26.2 %和17.0 %[10]；年平均海平面气压为1 008.4 hPa（0.1 MPa=1 000 hPa）。

1.2 平面布置

装置内脱碳单元的烟囱为位于装置的东北角，在烟囱的正南方201.5 m处为空分装置的吸风口，吸风口高度为15 m；烟囱与空分装置之间的建构筑物较少，铺装面平整。

1.3 烟囱排放条件

脱碳单元产生的二氧化碳气体经环保处理后的排放速率为19 465.8 kg / h，其中二氧化碳的含量为58 % ，排烟温度为80 ℃，排烟口的直径为600 mm，烟气的出口速率为15.6 m / s。

1.4 约束条件

空分装置要求吸风口上方15 m处二氧化碳浓度的增加量不超过108 ppm。

2 扩散模型

2.1 高斯烟羽模型

高斯烟羽模型主要有以下假设：污染源的源强是连续的、均匀的，地表面充分平坦，在整个扩散空间中风速均匀不变，排放污染物无损失完全被地面反射，在时间和空间上呈正态分布[11]。文献[9]指出高斯烟羽模型对平原地区的污染物浓度和实际吻合较好，通过上述分析可知，使用高斯烟羽模型预测本项目中二氧化碳的扩散情况是合适的。

以烟囱排放口在地面上的投影点为坐标原点，北风方向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴；z轴垂直于水平面建立直角坐标系，如图1所示，则下风向任意点（x，y，z）的浓度公式为：

式中 C ——任意点的污染物质量浓度，mg / m3；

Q —— 源强，单位时间内污染物的排放量，mg / s；

σy——横向扩散系数，m；

σz—— 垂直扩散系数，m；

u ——烟囱出口处环境平均风速，m / s；

He——烟囱有效高度，m；

x —— 污染源排放点至下风向上任一点的距离，m；

y —— 烟气的中心轴在直角水平方向上到任意点的距离，m；

z ——离地面的距离，m。

2.2 模型中各参数的确定

2.2.1 扩散系数σy和σz

采用文献[12]推荐的公式：

式中x同上，指数α1，α2及系数γ1，γ2的取值与大气稳定度相关。

2.2.2 烟囱出口处环境平均风速u

以烟囱所在区域邻近气象台最近5年平均风速按幂指数关系换算到烟囱出口高度的平均风速[12]：

图1 高斯烟羽模型坐标系Fig. 1 Coordinate system for Gaussian plume model

式中 u10—— 邻近气象台地面上10 m处5年平均风速，m / s；

H ——烟囱距地面几何高度，m；

m —— 风廓线幂指数值，与大气稳定度相关。

2.2.3 烟囱有效高度He

烟气从烟囱排出后由于动力和热力作用会继续上升，经过一段距离后逐渐变平，故烟囱的有效高度是烟囱的几何高度H与烟气抬升高度ΔH之和。

以烟气热释放率Qh和烟气出口温度与环境温度的差值ΔT作为判据，文献[12]给出了一系列计算烟气高度的公式。Qh及ΔT可由式（6），（7）得到：

式中 Qh——烟气热释放率，kJ / s；

Pa—— 大气压力，hPa，取邻近气象站年平均值；

Qv——实际排烟率，m3/ s；

ΔT ——烟气出口温度与环境温度差，K；

Ts——烟气出口温度，K；

Ta—— 环境大气温度，K，取邻近气象台最近5年平均气温。

据已知条件可得，本项目脱碳单元烟囱的烟气热释放率Qh= 250.5 kJ / s，烟气出口温度与环境温度的差值ΔT = 56.6 K，因此烟气抬升高度按下式计算：

式中 Vs——烟囱出口处烟气排出速度，m / s；

D ——烟囱出口直径，m。

其余符号见上文中的定义。

在小静风条件下，使用式（9）计算烟气抬升高度：

2.3 模型的求解

通过上文分析知，高斯烟羽模型中的相关参数与大气稳定度、地面上10 m处的风速相关，因此有必要进一步分析项目所在地的气象条件，选择有代表性的大气稳定度和环境风速条件，使计算结果更加符合实际情况。

新建装置所在地的大气稳定度主要为中性，稳定类比不稳定类出现的频率大，且大气越不稳定，越有利于污染物扩散[13]，因此选择D类和F类大气稳定度进行计算。关于地面上10 m处的风速，选择项目所在地的年平均风速2.6 m / s；考虑到静风频率较高，选择小静风时的风速为0.5 m / s。

综合上述分析，选择以下四种气象条件模拟本项目中二氧化碳的扩散情况，分别为：2.6 / D（地面上10 m处风速 / 大气稳定度，下同）、2.6 / F、0.5 / D、0.5 / F。

式（2）、（3）、（4）、（9）中相关参数的取值见表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

大气稳定度 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

将上述参数按照四种气象条件的要求带入式（1）～（9），通过试差法求得满足约束条件的最低烟囱高度，结果见表2。

表2 不同气象条件下的最低烟囱高度Tab.2 The minimum stack height in 4 types of meteorological conditions

由表2可知当烟囱高度为37 m时，可满足约束条件的要求。需要特别指出：由于在0.5 / D和0.5 / F的情况下，烟气的抬升高度分别为95 m、77 m，此时空分装置吸风口处的二氧化碳浓度增加值均可忽略，因此在这两种气象条件下烟囱的高度采用环评批复的30 m。

3 进一步分析和讨论

通过上文分析可知，二氧化碳的扩散情况受到气象条件、烟囱的几何高度、烟气出口温度、烟囱出口直径等诸多因素的影响，本节将在上文讨论的基础上进一步分析烟气出口温度Ts、烟囱出口直径D对烟囱高度的影响。

3.1 输入条件

烟囱的实际排烟率Qv、二氧化碳的含量、烟囱与空分装置的相对位置关系均不变，大气稳定度选择D类，地面上10 m处的风速选择年平均风速2.6 m / s，高斯扩散模型的坐标系仍参照图1，约束条件同上。

3.2 烟气出口温度对烟囱高度的影响

烟气一般以高于露点的温度排放，防止对烟囱的腐蚀。为讨论烟气出口温度对烟囱高度的影响，令烟囱出口处烟气排出速度保持不变，即Vs=15.6 m / s，将烟气出口温度分别提高至90 ℃，100 ℃，110 ℃，120 ℃，得到满足约束条件的最低烟囱高度，计算结果见表3。

表3 不同烟气出口温度条件下的最低烟囱高度Tab.3 The minimum stack height at different smog exit temperature

由表3可知提高烟气的出口温度，可以降低烟囱的高度，但是效果不明显，主要原因是本项目排烟率Qv比较小，使得烟气抬升高度随烟气出口温度的

增加变化不明显，而提高烟气温度会增加燃料气的使用量，因此不建议通过提高烟气的出口温度来改善二氧化碳的扩散情况。

3.3 烟囱出口直径对烟囱高度的影响

当排烟率一定时，烟囱出口直径的改变，主要影响烟囱出口处烟气排出速度。令烟气出口温度保持不变，即Ts= 80 ℃，改变烟囱出口直径，表4显示了不同烟囱出口直径对应的最低烟囱高度。

表4 不同烟囱出口直径时的最低烟囱高度Tab.4 The minimum stack height at different stack exit diameter

由表4可知缩小烟囱的出口直径，提高烟囱出口处烟气的排出速度，可以较明显地降低烟囱的高度，即降低了烟囱的建设投资，然而随着烟气流速的上升，烟气系统的阻力降也随之升高，增加了鼓风机或引风机功率消耗和操作费用，因此，需要在建设投资和操作费用之间寻求平衡点使总成本最低[14]。文献[15]指出：“排气筒的出口直径应根据出口流速确定，流速宜取15 m / s左右”，可知本装置选择的烟囱出口直径是合适的。

研究烟气出口温度和烟囱出口直径对烟囱高度的影响，实际上是从改变烟气抬升高度的两个因素着手，达到改变烟囱有效高度的目的。针对本项目，若烟囱按出口直径为600 mm，高度为37 m设置，出现不满足约束条件的情况时，可采用增加烟气出口流速的方案（如在出口处安装排烟引射器[16]），以提高烟囱的有效高度，从而满足约束条件的要求。

4 结论

（1）通过使用高斯烟羽模型，分析得到当烟囱的几何高度高于37 m时，可以使某新建环氧乙烷 / 乙二醇装置脱碳单元烟囱排放二氧化碳的扩散情况满足空分装置吸风口处二氧化碳浓度增加量的要求。

（2）通过对改变烟气抬升高度的两个因素（烟气出口温度和烟囱出口处烟气排出速度）的分析，可知：针对本项目，通过提高烟气出口温度并不能有效地降低烟囱的几何高度；提高烟囱出口出烟气排出速度能明显降低烟囱的几何高度，降低烟囱的建设投资，但由于烟气排出速度的增大，烟气系统的阻力降也相应增大，增加了装置的运行成本，因此需要选择合适的排烟口直径，使总成本最低。

（3）当出现不满足约束条件的紧急情况时，将烟囱出口处安装的排烟引射器投入使用，以增加出口处烟气的排出速度，从而改善二氧化碳的扩散情况。

[1]蓝春树，柯钟. 环氧乙烷/乙二醇装置二氧化碳的回收和利用[J]. 化工进展，2009，28（增刊）：297-300.

[2]谷清，李云生. 大气环境模式计算方法[M]. 北京：气象出版社，2002，3.

[3]苑丹丹，李世刚，黄义聪，等. 石油化工气体泄漏扩散模型研究进展[J]. 化学工业与工程技术，2013，34（2）：21-26.

[4]苑伟民，袁宗明，毕建伟，等. LNG泄漏扩散模拟研究[J].天然气与石油，2011，29（4）：1-5.

[5]王洪德，莫朝霞. 基于高斯模型的液氨储罐泄漏扩散仿真分析[J]. 中国安全科学学报，2012，22（9）：31-36.

[6]魏沁汝，姚安林，罗阳，等. 天然气长输管道事故影响范围研究[J]. 中国安全生产科学技术，2016，12（5）：98-103.

[7]孙志宽. 高斯烟羽扩散模型再研究[J]. 环境与可持续发展，2013，38（5）：107-109.

[8]刘鹤欣，罗锐，冉小鹏，等. 采用高斯模型的垃圾焚烧污染物环境监测及布点[J]. 西安交通大学学报，2015，49（5）：147-154.

[9]何浩鹏，彭友志，凌模. 基于高斯模型探讨地形起伏对毒气扩散的影响[J]. 地理空间信息，2015，13（1）：152-154.

[10]李琼，叶燕翔，李福娇，等. 广东各地Pasquill稳定度频率的分布特征[J]. 热带气象学报，1996，12（2）：181-187.

[11]沈立峰，赵凌宇. 大气污染事故预测系统的研究[J]. 污染防治技术，2006，19（5）：3-6.

[12]GB/T 3840—91. 制定地方大气污染物排放标准的技术方法[S].

[13]毛恒青. 气象条件对大气污染物扩散的影响[J]. 山东气象，1991，（4）：9-13.

[14]中国石化集团上海工程有限公司. 化工工艺设计手册（下册）[M]. 第四版，北京：化学工业出版社，2009，6.

[15]HJ 2000—2010. 大气污染治理工程技术导则[S].

[16]王钊. 排烟引射器结构仿真优化[D]. 湖南：中南大学，2007.

中石化上海工程有限公司中标马来西亚国家石油公司自动化立体仓库总承包项目

日前，中石化炼化工程（集团）股份有限公司（SEG）、中石化上海工程有限公司、SEG马来西亚子公司共同与业主马来西亚国家石油公司（马石油）签署马石油边佳兰综合中心自动化立体（ASRS）仓库项目中标通知书。

马石油ASRS仓库项目是马石油边佳兰综合中心正在建设的炼油化工一体化RAPID项目的一个组成部分，项目工作范围主要包括聚合物产品仓库的自动化立体仓储系统、包装机及配套设施的设计、采购、施工和试运行，合同工期27个月。

中石化上海工程有限公司于2015年6月参与该项目并通过项目资格预审；当年12月收到业主招标文件，成立报价项目组，正式开展投标报价工作；其后历经现场踏勘，递交技术和商务标书，参加多次技术澄清、商务谈判现场会和视频会，经过与多家国际知名承包商的激烈竞争，最终中标该项目。

该项目是中石化上海工程有限公司首次涉足马来西亚市场，也是“十三五”之初独立承接并执行的第一个海外总承包项目。目前，项目工作已全面启动。

（魏永忠）

国务院办公厅发布关于石化产业调结构促转型增效益的指导意见

我国经济发展进入重要转折期，石化行业的发展也进入了结构调整、转型升级的新阶段。为指导新常态下的石化行业发展，近期国务院办公厅发布了《关于石化产业调结构促转型增效益的指导意见》（国办发〔2016〕57号），提出了“着力去产能、降消耗、减排放，补短板、调布局、促安全，推动石化产业提质增效、转型升级和健康发展”的指导思想，明确了“坚持调整存量与做优增量相结合”的基本原则，未来我国石化行业将一手抓去产能和调整存量，一手抓补短板和做优增量。

（陈 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，工程师，主要从事化工工艺和系统设计。