氨堿法除鈣塔尾氣安全排放的計算與設計

丁 爽

（青島海灣化工設計研究院有限公司，山東 青島 266043）

氨堿法制純堿工藝中，為保證產品純堿的品質，需要將原料之一的工業粗鹽制成飽和鹽水，并對飽和鹽水進行精制，以除去鹽水中鈣、鎂等雜質。

除鈣塔是石灰碳酸銨法鹽水精制的主體設備。其作用有兩個：一是回收碳酸化塔尾氣所含的氨和二氧化碳，所以除鈣塔又稱碳酸化尾氣回收塔；二是利用碳酸化尾氣所含的氨和二氧化碳與一次鹽水中的鈣離子進行化學反應生成碳酸鈣沉淀，進而在二次澄清桶中沉降分離，制得精制鹽水（或稱二次鹽水）。

1 除鈣塔塔頂尾氣安全分析

1.1 基本情況介紹

一氧化碳（CO）是首批重點監管的危險化學品，在通常狀況下，一氧化碳是無色、無臭、無味、有毒的氣體，微溶于水，溶于乙醇、苯等有機溶劑。分子量28.01，熔點－205℃，沸點－191.4℃，氣體密度1.25g／L，相對密度（水＝1）0.79，相對蒸氣密度（空氣＝1）0.97，臨界壓力3.50MPa，臨界溫度－140.2℃，爆炸極限12%～74%（體積比），自燃溫度605℃，最大爆炸壓力0.720MPa。

一氧化碳在血中與血紅蛋白結合而造成組織缺氧。一氧化碳與血紅蛋白的親合力比氧與血紅蛋白的親合力高200～300倍，所以一氧化碳極易與血紅蛋白結合，形成碳氧血紅蛋白，使血紅蛋白喪失攜氧的能力和作用，造成組織窒息。輕度中毒者出現劇烈頭痛、頭暈、耳鳴、心悸、惡心、嘔吐、無力，輕度至中度意識障礙但無昏迷，血液碳氧血紅蛋白濃度可高于10%；中度中毒者除上述癥狀外，意識障礙表現為淺至中度昏迷，但經搶救后恢復且無明顯并發癥，血液碳氧血紅蛋白濃度可高于30%；重度患者出現深度昏迷或大腦強直狀態、休克、腦水腫、肺水腫、嚴重心肌損害、錐體系或錐體外系損害、呼吸衰竭等，血液碳氧血紅蛋白可高于50%。部分患者意識障礙恢復后，約經2～60天的“假愈期”，又可能出現遲發性腦病，以意識精神障礙、錐體系或錐體外系損害為主。職業接觸限值：時間加權平均容許濃度 （PC－TWA）20mg／m3；短時間接觸容許濃度（PC－STEL）30mg／m3。

純堿生產中，石灰工序生產的窯氣經碳酸化塔吸收CO2后的碳酸化尾氣CO2含量約4%、CO含量約1%，碳酸化尾氣中所含的CO不參與反應，從塔頂排放。除鈣塔塔頂尾氣的排放，有直口排放、有橢圓收口排放。

青島堿業在2008年除鈣塔改造之前是直口排放，鹽水車間除鈣廠房地面的黃海標高為7.85m，除鈣尾氣排放的相對高度30m左右，排放的絕對高度在40m左右。排放尾氣氣速低，彌漫在除鈣廠房八樓頂層，不易散去，在低氣壓時頂層濃度甚至達到800mg／m3，超過接觸容許濃度20多倍，極易造成CO中毒事故發生。因此正常生產時，除鈣廠房嚴禁人員進入頂層，這給生產和檢修造成非常不便的影響。

1.2 相關資料信息（查新情況介紹）

目前尾氣的安全排放問題，未見有安全排放計算數據發布。大化堿廠有報道治理除鈣尾氣，方案為四臺除鈣塔（三用一備）尾氣管并聯接入一總管，管徑為DN900、排放高度為57m；還有的堿廠將除鈣塔加裝高度10m以上的排氣筒作為防毒的安全措施。

2 塔頂尾氣安全排放的設計與計算

2.1 基本數據

除鈣塔數據：直徑φ3200泡罩塔，塔圈高度H＝1.1m

單塔純堿產能：34.13t／h

碳化尾氣當量數：614Nm3／t堿（除鈣塔進氣量）

除鈣塔排出廢氣的排放當量：469Nm3／t堿（除鈣塔排氣量）

2.2 設計與計算

尾氣出口流速，涉及到“經濟流速”的工程設計理念和高度合理性的問題。從大氣污染物排放和擴散角度來講，在保證滿足排氣筒設計要求的前提下適當加大出口流速，有利于污染物的動力抬升和降低落地濃度。但是，出口流速過高則易導致系統阻力過大，經濟上不適宜，且排放口處會出現急劇夾卷效應；而出口流速過低易造成排放口處出現下洗，從而排放不暢，不利于迅速擴散，出現漫煙等擴散造成局部重污染。

氣象條件對尾氣擴散的影響因素主要有：風向、風速、大氣湍流、大氣溫度的垂直分布和大氣穩定度等。主要的影響因素為風速。據介紹，青島地區30m高空風速為6.37m／s，35m 高空風速為6.52m／s，40m高空風速為6.65m／s，廢氣的排放速度宜控制在1.5倍風速左右效果較好，即出口流速控制在9m／s即可。

單塔處理碳化尾氣量：614×34.13＝20 956 m3／h＝5.821m3／s，空塔氣速為0.724m／s。

單塔排放尾氣量：469×34.13＝20 956m3／h＝4.446m3／s

φ3200除鈣塔頂部不收口的排放速度：4.446／（3.14×1.62）＝0.55m／s

φ3200除鈣塔收口至φ1500時的排放速度4.446／（3.14×0.752）＝2.52m／s

φ3200除鈣塔收口至φ800時的排放速度4.446／（3.14×0.42）＝8.85m／s

φ3200除鈣塔收口至φ700時的排放速度＝4.446／（3.14×0.352）＝11.56m／s

通過計算，φ3200除鈣塔排放收口至φ800較為適宜。

計算收口的阻力損失：

φ3200除鈣塔收口至φ800，可以采用兩級漸變，即從φ3200先經過1 500mm高度收口變為φ1000，再經800mm高度收口變為φ800，直段高度1 000mm。總高度3 300mm。

縮徑阻力系數約為0.49，局部阻力損失：

（0.5×0.49×1.248×8.852）／9.81＝24.4Pa

碳化尾氣的進氣壓力為0.054MPa，增加的24.4Pa阻力損失在許可范圍內。

3 改造后實際運行效果對比

根據上述計算，2008年青島堿業擴產80萬t的純堿系統技改項目，對1＃和2＃除鈣塔進行了擴徑和排放口的收口等設計計算，并在2008年底投入使用；另外3臺除鈣塔也于2010年底進行了設備改造，除鈣后尾氣全部改為收口后排放，排放高度僅增加3.3m。經過4年多的運行，證明除鈣尾氣達到了安全排放，無論在什么氣象條件下，除鈣尾氣中的CO濃度均控制在容許范圍內，除鈣廠房頂層解除禁入限制，樓頂的擴散風機也早已拆除，再未發生一例因除鈣塔尾氣排放而引起的CO中毒事故。

［1］ 李長君.治理除鈣尾氣改善勞動環境［J］.純堿工業，1991（6）54～55

［2］ 陳學勤.氨堿法純堿工藝［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1989

［3］ 王楚.純堿生產工藝與設備計算［M］.北京：化學工業出版社，1994

［4］ 中昊（大連）化工研究設計院有限公司.純堿工學［M］.北京：化學工業出版社，2014