基于PHAST軟件分析粉煤氣化裝置中的CO2排放對空分裝置的影響

羅 濤，呂俊博，石 樂

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司 北京 101111)

粉煤氣化裝置一般以CO2為載體，采用粉煤鎖斗來完成粉煤的加壓及連續(xù)輸送。即粉煤鎖斗卸料完成后，將CO2排放至粉煤貯罐過濾器，然后通過粉煤貯罐過濾器的CO2排放管進(jìn)行泄壓；粉煤鎖斗泄壓完成后重新與粉煤貯罐經(jīng)壓力平衡后連通，完成加料，如此往復(fù)。每個泄壓周期為45 min，其中持續(xù)泄壓時間為8 min，泄壓排放的氣體中含CO2和N2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為88.3%和11.7%。由于CO2比空氣重，在高空排放后會下沉擴(kuò)散，若擴(kuò)散至空分裝置入口使進(jìn)入空分系統(tǒng)的空氣中CO2含量持續(xù)升高，將引起CO2凍結(jié)堵塞管道，造成系統(tǒng)停車，嚴(yán)重時可能造成主冷凝蒸發(fā)器發(fā)生泄漏爆炸[1]?；赑HAST軟件，對某500 kt/a二甲醚項目粉煤氣化裝置中的CO2泄壓排放云團(tuán)進(jìn)行模擬研究，分析其可能對空分裝置造成的影響。

1 采用PHAST軟件對CO2擴(kuò)散過程的模擬

1.1 軟件介紹

PHAST軟件是由挪威船級社公司開發(fā)的一款用于事故后果定量分析的軟件，可用于泄漏擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸以及毒性4個模塊的事故后果分析。為模擬事故發(fā)生的真實情況，分析過程中需輸入周圍環(huán)境參數(shù)、設(shè)備屬性、事故類型、存貯狀態(tài)、物質(zhì)種類等參數(shù)，其中泄漏擴(kuò)散模型采用了UDM理論擴(kuò)散模塊。UDM理論擴(kuò)散模塊是所有擴(kuò)散理論中運用較為廣泛的擴(kuò)散模型，既適用于瞬時擴(kuò)散過程又適用于連續(xù)擴(kuò)散過程。運用PHAST泄漏擴(kuò)散模塊可計算物質(zhì)泄漏擴(kuò)散的濃度分布情況，用來描述擴(kuò)散云團(tuán)的分布影響范圍，為工程設(shè)計中裝置和設(shè)備布置間距提供了定量依據(jù)，也可為工程操作人員在事故距離范圍內(nèi)采取相應(yīng)的安全技術(shù)措施提供參考。

1.2 參數(shù)輸入

在PHAST軟件中選用“短管泄漏”模型對CO2的擴(kuò)散進(jìn)行模擬分析，并輸入以下參數(shù)：排放壓力0.02 MPa(表壓)，排放溫度80 ℃，排放量(最大流量)113 981 kg/h，排放管直徑894 mm，排放高度97 m。由裝置布置總圖可以得到空分裝置空氣吸入口至氣化裝置CO2排放口距離約為356 m，空分裝置空氣吸入口高度約為11 m。

PHAST軟件中有個“平均時間”的參數(shù)要求自定義，其表示物質(zhì)擴(kuò)散由原來的主動擴(kuò)散狀態(tài)達(dá)到被動擴(kuò)散狀態(tài)所需要的時間，在本模擬中假設(shè)30 min后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

天氣條件對擴(kuò)散作用的影響很大，越不利于擴(kuò)散的天氣條件，模擬計算得到的影響范圍越大。在PHAST軟件中，以風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度聯(lián)合表示天氣條件。大氣穩(wěn)定度通常采用Pasquill分類方法確定，分為A、B、C、D、E和F六大類[3]，其中A表示氣流活動頻繁、大氣穩(wěn)定程度低，級別越往后表示大氣氣流活動頻率越低，大氣穩(wěn)定度越高。該項目設(shè)計基礎(chǔ)天氣條件的平均風(fēng)速為3.3 m/s，在此分別取2/F和5/D 2種天氣條件進(jìn)行對比計算分析，其中2/F和5/D中的2和5表示風(fēng)速分別為2.0 m/s和5.0 m/s。

另一個輸入?yún)?shù)為“關(guān)注濃度”，PHAST軟件依據(jù)此濃度給出擴(kuò)散影響范圍曲線。根據(jù)空分設(shè)備工藝要求，在常溫分子篩吸附器出口設(shè)置CO2分析儀，控制該處CO2體積分?jǐn)?shù)在1×10-6以下，即在此種情況下，水分、氧化亞氮等有害雜質(zhì)都能被清除干凈，空分設(shè)備的運行是安全的。若空分裝置吸入口中CO2含量過高會加重分子篩的吸附負(fù)荷，縮短分子篩吸附壽命。所選項目空分裝置設(shè)計基礎(chǔ)要求CO2體積分?jǐn)?shù)≤700×10-6，故選取CO2體積分?jǐn)?shù)700×10-6為“關(guān)注濃度”。另外，PHAST軟件中的短管泄漏模型還得輸入泄漏角度，分別取水平排放和水平向下30°排放進(jìn)行模擬分析。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 水平排放擴(kuò)散云團(tuán)的模擬

CO2水平排放的云團(tuán)擴(kuò)散側(cè)視圖見圖1。

圖1 CO2水平排放的云團(tuán)擴(kuò)散側(cè)視圖

由圖1可知：在大氣穩(wěn)定程度較高的2/F天氣條件下，云團(tuán)擴(kuò)散得較遠(yuǎn)，所關(guān)注的CO2濃度在356 m處的云團(tuán)高度為53 m，即對處于11 m高處的空分裝置吸入口沒有形成影響；在利于擴(kuò)散的5/D天氣條件下，最遠(yuǎn)的擴(kuò)散距離為350 m，云團(tuán)最低高度為70 m，對空分裝置無影響。

2.2 水平向下排放擴(kuò)散云團(tuán)的模擬

當(dāng)CO2排放管道豎直向上并設(shè)置防雨帽時，其排放角度假設(shè)為水平向下30°，模擬得到的云團(tuán)擴(kuò)散側(cè)視圖如圖2所示。

圖2 CO2水平向下30°排放的云團(tuán)擴(kuò)散側(cè)視圖

從圖2可看出：在2/F天氣條件下，云團(tuán)擴(kuò)散的范圍較水平擴(kuò)散時小，所關(guān)注的CO2濃度在356 m處的云團(tuán)高度下降至42 m，但對處于11 m高處的空分裝置吸入口仍未形成影響；向下排放角度越大，CO2擴(kuò)散云團(tuán)觸地越早，從而對地面造成影響。

2.3 多套氣化裝置同時排放擴(kuò)散云團(tuán)的模擬

該項目配置2臺氣化爐、3套粉煤加壓輸送系統(tǒng)，當(dāng)2臺粉煤貯罐同時泄壓時，可將工況簡化為一個排放系統(tǒng)的排放量增加至2倍，設(shè)定的排放角度仍為水平向下30°，對此工況模擬的結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 2套氣化裝置同時水平向下30°排放CO2的云團(tuán)擴(kuò)散側(cè)視圖

圖4 2套氣化裝置同時水平向下30°排放CO2的云團(tuán)在11m高處擴(kuò)散俯視圖

由圖3可見，所關(guān)注的CO2濃度在356 m處的云團(tuán)高度已降至12 m，即將到達(dá)空分裝置吸入口。由圖4可看出，在11 m高處最先出現(xiàn)所關(guān)注的CO2濃度約在順風(fēng)向距離370 m處，與空分裝置吸入口356 m相距不遠(yuǎn)，會對空分裝置產(chǎn)生一定的影響。

3 結(jié)語

在項目設(shè)計中考慮空分裝置與氣化裝置的間距時，可以應(yīng)用PHAST軟件對總圖布置進(jìn)行模擬，以驗證空分裝置與氣化裝置區(qū)域布置間距的合理性。

(1)天氣條件對CO2擴(kuò)散云團(tuán)擴(kuò)散范圍的影響很大，大氣穩(wěn)定性越高，CO2擴(kuò)散的范圍越大，地面的CO2濃度越高。一般晚間的大氣穩(wěn)定度較高，應(yīng)考慮高穩(wěn)定天氣條件下的CO2擴(kuò)散范圍。

(2)CO2排放的角度對云團(tuán)擴(kuò)散范圍的影響較大，CO2水平向下的排放角度越大，影響的范圍越小，CO2云團(tuán)越早下沉至地面，地面的CO2濃度越高。在實際設(shè)計中，可要求CO2盡量接近水平排放或向上排放，以減輕CO2擴(kuò)散云團(tuán)對地面空分裝置的影響。

(3)CO2排放量對云團(tuán)擴(kuò)散范圍影響很大，當(dāng)2套粉煤貯罐同時排放CO2時，CO2擴(kuò)散影響的范圍大大增加，云團(tuán)會更早觸地，將使空分裝置吸入空氣中的CO2含量升高。隨著氣化裝置規(guī)模的擴(kuò)大，同時排放的CO2量越多，形成的CO2云團(tuán)影響范圍越大，對空分裝置入口空氣中的CO2濃度影響越嚴(yán)重，此時應(yīng)增大空分裝置與氣化裝置的布置間距，并采用PHAST軟件進(jìn)行相應(yīng)的校核。