基于PHAST软件分析粉煤气化装置中的CO2排放对空分装置的影响

罗 涛，吕俊博，石 乐

(航天长征化学工程股份有限公司 北京 101111)

粉煤气化装置一般以CO2为载体，采用粉煤锁斗来完成粉煤的加压及连续输送。即粉煤锁斗卸料完成后，将CO2排放至粉煤贮罐过滤器，然后通过粉煤贮罐过滤器的CO2排放管进行泄压；粉煤锁斗泄压完成后重新与粉煤贮罐经压力平衡后连通，完成加料，如此往复。每个泄压周期为45 min，其中持续泄压时间为8 min，泄压排放的气体中含CO2和N2物质的量分数分别为88.3%和11.7%。由于CO2比空气重，在高空排放后会下沉扩散，若扩散至空分装置入口使进入空分系统的空气中CO2含量持续升高，将引起CO2冻结堵塞管道，造成系统停车，严重时可能造成主冷凝蒸发器发生泄漏爆炸[1]。基于PHAST软件，对某500 kt/a二甲醚项目粉煤气化装置中的CO2泄压排放云团进行模拟研究，分析其可能对空分装置造成的影响。

1 采用PHAST软件对CO2扩散过程的模拟

1.1 软件介绍

PHAST软件是由挪威船级社公司开发的一款用于事故后果定量分析的软件，可用于泄漏扩散、火灾、爆炸以及毒性4个模块的事故后果分析。为模拟事故发生的真实情况，分析过程中需输入周围环境参数、设备属性、事故类型、存贮状态、物质种类等参数，其中泄漏扩散模型采用了UDM理论扩散模块。UDM理论扩散模块是所有扩散理论中运用较为广泛的扩散模型，既适用于瞬时扩散过程又适用于连续扩散过程。运用PHAST泄漏扩散模块可计算物质泄漏扩散的浓度分布情况，用来描述扩散云团的分布影响范围，为工程设计中装置和设备布置间距提供了定量依据，也可为工程操作人员在事故距离范围内采取相应的安全技术措施提供参考。

1.2 参数输入

在PHAST软件中选用“短管泄漏”模型对CO2的扩散进行模拟分析，并输入以下参数：排放压力0.02 MPa(表压)，排放温度80 ℃，排放量(最大流量)113 981 kg/h，排放管直径894 mm，排放高度97 m。由装置布置总图可以得到空分装置空气吸入口至气化装置CO2排放口距离约为356 m，空分装置空气吸入口高度约为11 m。

PHAST软件中有个“平均时间”的参数要求自定义，其表示物质扩散由原来的主动扩散状态达到被动扩散状态所需要的时间，在本模拟中假设30 min后达到稳定状态[2]。

天气条件对扩散作用的影响很大，越不利于扩散的天气条件，模拟计算得到的影响范围越大。在PHAST软件中，以风速和大气稳定度联合表示天气条件。大气稳定度通常采用Pasquill分类方法确定，分为A、B、C、D、E和F六大类[3]，其中A表示气流活动频繁、大气稳定程度低，级别越往后表示大气气流活动频率越低，大气稳定度越高。该项目设计基础天气条件的平均风速为3.3 m/s，在此分别取2/F和5/D 2种天气条件进行对比计算分析，其中2/F和5/D中的2和5表示风速分别为2.0 m/s和5.0 m/s。

另一个输入参数为“关注浓度”，PHAST软件依据此浓度给出扩散影响范围曲线。根据空分设备工艺要求，在常温分子筛吸附器出口设置CO2分析仪，控制该处CO2体积分数在1×10-6以下，即在此种情况下，水分、氧化亚氮等有害杂质都能被清除干净，空分设备的运行是安全的。若空分装置吸入口中CO2含量过高会加重分子筛的吸附负荷，缩短分子筛吸附寿命。所选项目空分装置设计基础要求CO2体积分数≤700×10-6，故选取CO2体积分数700×10-6为“关注浓度”。另外，PHAST软件中的短管泄漏模型还得输入泄漏角度，分别取水平排放和水平向下30°排放进行模拟分析。

2 计算结果与分析

2.1 水平排放扩散云团的模拟

CO2水平排放的云团扩散侧视图见图1。

图1 CO2水平排放的云团扩散侧视图

由图1可知：在大气稳定程度较高的2/F天气条件下，云团扩散得较远，所关注的CO2浓度在356 m处的云团高度为53 m，即对处于11 m高处的空分装置吸入口没有形成影响；在利于扩散的5/D天气条件下，最远的扩散距离为350 m，云团最低高度为70 m，对空分装置无影响。

2.2 水平向下排放扩散云团的模拟

当CO2排放管道竖直向上并设置防雨帽时，其排放角度假设为水平向下30°，模拟得到的云团扩散侧视图如图2所示。

图2 CO2水平向下30°排放的云团扩散侧视图

从图2可看出：在2/F天气条件下，云团扩散的范围较水平扩散时小，所关注的CO2浓度在356 m处的云团高度下降至42 m，但对处于11 m高处的空分装置吸入口仍未形成影响；向下排放角度越大，CO2扩散云团触地越早，从而对地面造成影响。

2.3 多套气化装置同时排放扩散云团的模拟

该项目配置2台气化炉、3套粉煤加压输送系统，当2台粉煤贮罐同时泄压时，可将工况简化为一个排放系统的排放量增加至2倍，设定的排放角度仍为水平向下30°，对此工况模拟的结果如图3和图4所示。

图3 2套气化装置同时水平向下30°排放CO2的云团扩散侧视图

图4 2套气化装置同时水平向下30°排放CO2的云团在11m高处扩散俯视图

由图3可见，所关注的CO2浓度在356 m处的云团高度已降至12 m，即将到达空分装置吸入口。由图4可看出，在11 m高处最先出现所关注的CO2浓度约在顺风向距离370 m处，与空分装置吸入口356 m相距不远，会对空分装置产生一定的影响。

3 结语

在项目设计中考虑空分装置与气化装置的间距时，可以应用PHAST软件对总图布置进行模拟，以验证空分装置与气化装置区域布置间距的合理性。

(1)天气条件对CO2扩散云团扩散范围的影响很大，大气稳定性越高，CO2扩散的范围越大，地面的CO2浓度越高。一般晚间的大气稳定度较高，应考虑高稳定天气条件下的CO2扩散范围。

(2)CO2排放的角度对云团扩散范围的影响较大，CO2水平向下的排放角度越大，影响的范围越小，CO2云团越早下沉至地面，地面的CO2浓度越高。在实际设计中，可要求CO2尽量接近水平排放或向上排放，以减轻CO2扩散云团对地面空分装置的影响。

(3)CO2排放量对云团扩散范围影响很大，当2套粉煤贮罐同时排放CO2时，CO2扩散影响的范围大大增加，云团会更早触地，将使空分装置吸入空气中的CO2含量升高。随着气化装置规模的扩大，同时排放的CO2量越多，形成的CO2云团影响范围越大，对空分装置入口空气中的CO2浓度影响越严重，此时应增大空分装置与气化装置的布置间距，并采用PHAST软件进行相应的校核。