煤气化框架顶部窒息性气体放空扩散研究

邹杰（中石化宁波工程有限公司，浙江宁波315103）

1 概述

化工装置中，考虑到装置系统安全以及流程需求，一些无毒非可燃气体通过安全阀、锅炉烟囱、塔顶放空管道直接排入大气，放空介质中可能含有窒息性气体（如N2和CO2等），当排放量大、浓度高、环境风速小或者周围有建筑物时，可能会造成气团积聚，排挤空气中的氧气，引起人体窒息。

某煤气化装置试运行半年以来，发现气化框架上的CO2监测仪经常处于报警状态，经现场检测分析，是由于气化框架放空洗涤罐顶部的放空管排出的CO2所引起起。该放空介质成份主要来自于煤粉气力输送管线中的N2和CO2循环气，其中CO2含量占90%以上。在微风或者无风的情况下，CO2积聚触发监测仪报警。

GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》中仅对部分气体和粉尘颗粒的排放浓度和高度提出了要求，对于化工装置中其他气体介质的排放要求并没有做明确规定。因此，在保证通风状况良好的情况下，如何设置放空管线位置及高度是石化装置安全运行的一个重要前提。

2 气体扩散过程

根据排放工况的不同，气体的扩散可分为云羽扩散和云团扩散[1]。瞬时和间歇排放容易形成云团扩散模式，如安全阀和爆破片后的气体；连续排放容易形成云羽排放，如设备管道正常排放以及穿孔泄露等。

而排放出来的气体根据介质成分和性质的不同，往往形成不同密度的气云。当气体密度小于空气时，会形成轻气云，如H2、N2和CO；当气体密度大于空气或排放后有液滴时，会形成重气云，如液氨、CO2、O2等。

非重气云的扩散过程一般分为三个阶段[2,3]：初始喷射、浮力上升、湍流扩散。石化装置中的放空管口处（如设备顶部放空、安全阀后放空等），气体高速喷出，随着喷射距离的增大，气团膨胀，受到的阻力变大，气体流速降低。当气流速度下降到与风速相近时，初始喷射阶段结束，气团主要受浮力和大气湍流影响。由于气体密度小于空气，气团受浮力向上运动，随着气体的进一步扩散，气团浓度降低，密度越来越接近大气密度，最终浮力的作用可以忽略，扩散进入大气湍流主导阶段。在这个阶段内，大气会裹挟着气团自高浓度向低浓度移动，气团内部会随着大气出现漩涡，气团进一步扩散，并将与大气完全相近。

重气云与非重气云的扩散形式不同，由于其密度大于空气，当喷射阶段结束后，气云由于重力沉降，同时随着气团的扩散膨胀，重气云渐渐向非重气云转变，到一定程度后会完全转变为非重气云。如图1所示：

图1：重气云扩散示意图Fig1:Diffusion diagram of heavy gas cloud

因此在相同风速下，对于非重气云，只需考虑气体排放高度与周围建筑物的高度。对于重气云，考虑到气体的沉降以及在封闭区域的积聚性，应避免在其拐点之前布置高层建筑物以及不通风的封闭场所。

3 影响气团扩散的因素

影响排放气体扩散的因素有很多，主要包括：气体初始喷射速度和方向、喷出时温度、排放管直径、环境风速和风向、环境温度和大气湍流强度等。

环境风速越大，气团沿着风向运动地越快，大气湍流混合作用越强，越有利于气团的扩散和窒息性介质的稀释。排放高度越高，气团在沉降到地面之前越容易被大气气流带走，到达地面的浓度越低。

排放口气体的初始速度和方向直接影响气团的有效上升高度，上个世纪Wilson 根据管道破裂泄露提出的经验公式，气团抬升高度H可表示为：

其中s为气团出口速度，d为出口管道直径，k为环境风速。当出口速度和管径越大，风速越小，气团上升高度越大，窒息性介质浓度越容易被大气所稀释。

为保证装置的安全运行以及操作人员的人身安全，对于装置中直接排大气的窒息性气体，为避免积聚，应结合气体性质、周围设备布置和当地大气平均速度，合理设置排放位置和排放高度。

4 项目概况

图2：未改造前某装置CO2放空管布置图Fig2:Layout of CO2 vent pipe of a unit before reform

以某煤气化装置为例，气化框架分#1、#2框架，每个框架联合布置4台气化炉，每两个系列共用一个放空洗涤罐。框架42米以下为混凝土结构，以上为钢结构框架，CO2监测仪布置在42米层，放空管道位于气化框架顶部，顶部平台高82m，排放管高出平台10m，管径为DN1400，材质为碳钢，如图2所示。

当地月平均风速为2.5m/s，根据不同运行工况，放空口气体流速在3～10m/s之间。气体成分如表1所示：

表1：气体介质成份Tab1:Component of Gas

5 数值模拟

对整个装置进行简化建模，取单根放空管为模拟对象，由于装置内部设备管道较密集，认为风无法穿过装置，以CO2监测仪安装位置为起始面，放空口高出起始面50m，装置边缘设为固定边界，以放空口为出发点，建立300mX300m气体扩散二维计算区域。

假设风向为单一风向，忽略海拔高度对气流的影响，设定大气湍流强度为10%。采用fluent 中的组分运输模式，风及排放口采用速度入口，出口为压力远场出口，可以得到不同喷射速度以及风速下的扩散情况。

5.1 不同风速对扩散的影响

为模拟微风或者无风时气体扩散的情况，将风吹入速度设为0.1m/s，气体排放速度设为5m/s。空气从左侧边界水平吹入，排放口高出起始面50米，顶部排放口气流垂直向上喷射，下方边界为地面，气流向上向右扩散。排放口的气体在初始速度的作用下，向上喷出进入大气，因受到大气阻力，气团速度越来越小直至变为0。其速度分布云图和CO2浓度分布图如图3所示。

图3：风速为0.1m/s，喷射速度为5m/s时的速度云图和CO2浓度分布图Fig3:the velocity and CO2 destiny cloud figure when V(wind)=0.1m/s,V(gas)=5m/s

在垂直方向上，气团整体的上升高度较大，由于排放气体密度大于空气密度，CO2向下沉降，从其浓度分布云图中可以看出，CO2喷出后，沿着装置另一侧沉降至地面，地面上靠近装置处CO2的浓度最大，随着距离增大，浓度有所降低，但最终均匀沉降在装置另一侧的地面上。

图4：风速为3m/s，风速为5m/s时CO2浓度分布图Fig4:the CO2 destiny cloud figure when V(wind)=3m/s,V(wind)=5m/s

这种情况下，会导致CO2在装置一侧积聚，当浓度达到一定量后，会触发装置框架上的CO2检测仪报警，甚至会导致人员窒息，因此要避免这种情况。

喷射速度不变，改变风速，可以得出图4所示的CO2浓度分布云图，从图4可知，放空口喷射出去的气体一进入大气，便自喷射口向外扩散，在外力的作用下气团整体向右扩散，速度渐渐降低。随着风速的增大，气团的抬升高度降低，CO2浓度分布区域变长变窄；同时CO2分布区域变大，地面上的CO2浓度降低。

把风速作为唯一变量，通过模拟可以得到CO2浓度为5%时气团的抬升高度，对比Wilson的经验公式，其结果如图5所示。

图5：不同风速下气团的抬升高度Fig5:the gas rising height in different wind speed

从图5 可以看出fluent 模拟的抬升曲线上升趋势与经验公式的上升趋势一致，因为计算模型的选择以及湍流强度等参数的设置与实际也存在偏差，其与经验公式的数值仍存在差异。但可以证明，通过fluent模拟，可以较为真实地反映气团扩散的趋势。

5.2 不同喷射速度对扩散的影响

将喷射速度作为唯一变量，设风速为5m/s 时，可以得出不同风速下的气团速度分布云图，如图6所示：

图6：喷射速度为3m/s，喷射速度为10m/s时的速度分布云图Fig6:the velocity cloud figure when V(gas)=3m/s,V(gas)=10m/s

由图6 可以看出，当喷射速度增大时，气体的抬升高度变大，气团垂直方向明显变长，水平方向变短，整个云羽变宽变短。这与Wilson的经验公式也是一致的。

6 现场整改方案

图7：改造后某装置CO2放空管布置图Fig7:Layout of CO2 vent pipe of a unit after reform

为了降低框架上CO2浓度，减少42m层报警，根据经验公式和模拟结果，现场对放空管道进行了整改，将放空口引致东侧框架边缘较空旷处，使四周无设备框架遮挡，并抬高放空口高度至100m，以利于气团扩散，其布置如图7 所示。同时尽量使相邻两系列同开同停，增大气体排放速度。

风速增至5m/s，排放速度为8m/s,大气湍流强度增至30%，通过模拟可以得出排放气体的速度云图和CO2浓度分布图，如图8 所示。可以看出，气体被风吹至较远的地方，框架及地面CO2浓度较低。通过整改，装置现场运行良好，CO2监测仪报警次数明显减少。

图8：风速为5m/s，喷射速度为8m/s时的速度云图和CO2浓度分布图Fig8:the velocity and CO2 destiny cloud figure when V(wind)=5m/s,V(gas)=8m/s

7 结语

通过以上分析及模拟，可以得出如下结论：

(1)排放口的气云扩散方式根据气体介质密度等特性的不同，而呈现出重气云和非重气云的特性。对于重气云，由于其密度大于空气，不管其喷射速度、风速、排放高度怎样设置，最终会沉积在以放空口为中心的一定区域范围内，其浓度与该区域范围的大小以及外界环境因素有关。

(2)气团的扩散形式与放空高度、初始速度、排放口直径、大气速度与湍流强度等因素有关。在一定的地域范围内，风速越大，湍流越强越有利于气团扩散；排放高度越高、初始速度越大、排放口径越大越有利。

(3)石化行业中的放空口应根据气体介质特性（密度、窒息性等）来设置放空口的位置以及高度，同时要避免在重气云的主导风向下游集中布置高层建筑以及封闭空间，若受到用地等因素影响，应尽量远离放空口。