聚乙烯裝置尾氣回收方案的研究

王 瑾

（新疆寰球工程公司， 新疆 獨(dú)山子 833699）

聚乙烯裝置尾氣回收方案的研究

王 瑾

（新疆寰球工程公司， 新疆 獨(dú)山子 833699）

針對(duì)聚乙烯裝置含烴類尾氣排至火炬燃燒造成環(huán)境污染及經(jīng)濟(jì)損失問題，通過尾氣回收技術(shù)諸多方案的對(duì)比，確定采用雙膨脹自深冷分離工藝技術(shù)，對(duì)聚乙烯裝置尾氣進(jìn)行回收利用。結(jié)果表明：項(xiàng)目實(shí)施后，排火炬尾氣中99%以上的烴類得到回收利用，其中回收乙烯、異丁烷、異戊烷78%，回收氮?dú)?5%，聚乙烯裝置平均能耗下降了0.8 kg標(biāo)油/t PE。不僅減少了資源浪費(fèi)，并且降低了裝置能耗，保護(hù)了大氣環(huán)境。

聚乙烯；尾氣；回收

Abstract:Aimed at the problem of environmental pollution and economic loss caused by the torch combustion of hydrocarbon-containing exhaust from the polyethylene unit, many technical schemes for recycling the exhaust were compared, and the double expansion cryogenic separation process technology was determined to recycle the exhaust.The result showed that more than 99% hydrocarbons of the exhaust to torch was recycled after the project was implemented, which could recycle 78% ethylene, isobutene and isopentane and 85% nitrogen. The average energy consumption of polyethylene unit per year decreased by 0.8 kg standard oil/t PE.

Key words:Polythene unit ; Exhaust; Recycle

乙烯廠排放氣主要來源于原料加工過程中產(chǎn)生的氣體，這些排放氣富含大量的C2、C4烴類組分，持續(xù)的排往火炬燃燒，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，若能回收其中的C2、C4及C4以上烴類組分作為生產(chǎn)乙烯的原料，將會(huì)產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著石油資源的日益緊張和環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格，世界煉化工業(yè)正面臨著嚴(yán)重挑戰(zhàn)，因此，乙烯廠尾氣的合理利用受到高度重視，并逐漸成為煉化企業(yè)實(shí)現(xiàn)資源有效利用的重要手段。

1 項(xiàng)目概況

某乙烯廠兩套全密度聚乙烯生產(chǎn)裝置脫氣倉排放氣均采用壓縮冷凝的回收工藝；高密度聚乙烯裝置低壓閃蒸罐排放氣采用了壓縮冷卻+膜回收的回收工藝， 雖然這兩套裝置排放氣都采取了有效的回收措施，但是都還存在不同程度的含烴類尾氣的排放。目前，全密度聚乙烯裝置排放尾氣量約23 021 t/a；高密度聚乙烯裝置排放尾氣量約5 552 t/a，這些排放氣持續(xù)排往火炬造成2 386.2萬元/a的經(jīng)濟(jì)損失。不但造成了資源浪費(fèi)，同時(shí)產(chǎn)生大量的溫室氣體，對(duì)周邊環(huán)境造成較大污染。隨著國(guó)家環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，擬對(duì)乙烯廠兩套聚乙烯裝置的排放尾氣回收利用。主要回收尾氣中的 C4及 C4以上組分、C2（乙烯和乙烷）及氮?dú)?，將現(xiàn)有排火炬氣體中80%以上的烴類回收利用，大幅度降低裝置消耗，節(jié)約能源。

本項(xiàng)目由全密度聚乙烯裝置一線排放尾氣回收、二線排放尾氣回收、高密度聚乙烯裝置排放尾氣回收三個(gè)部分組成。擬回收的排火炬氣主要有五股，分別為全密一線高壓凝液罐排火炬氣、全密二線高壓凝液罐排火炬氣、高密度聚乙烯裝置膜回收單元二級(jí)膜后排火炬氣、高密度聚乙烯裝置中間體膜回收排火炬氣、高密度聚乙烯裝置異丁烷脫輕塔頂排火炬氣，其工藝尾氣數(shù)據(jù)見表1、表2。

2 尾氣回收技術(shù)

近年來，在氣體回收技術(shù)方面比較成熟的有壓縮冷凝技術(shù)、膜分離技術(shù)、變壓吸附技術(shù)、油回收、精餾技術(shù)和雙膨脹自深冷分離技術(shù)。

表1 全密度聚乙烯裝置尾氣來源一覽表Table 1 Exhaust source of full-density polyethylene unit

表2 高密度聚乙烯裝置尾氣來源一覽表Table 2 Exhaust source of high-density polyethylene unit

2.1 壓縮冷凝技術(shù)

壓縮冷凝技術(shù)[1]特點(diǎn)：是利用壓縮機(jī)單元將尾氣升壓后，烴類組分的分壓升高，在高分壓的情況下烴類組分的冷凝溫度升高，將升壓后的尾氣冷卻到合適的溫度，則尾氣中的烴類組分液化與不凝氣分離，從而將尾氣中的烴類組分回收。該技術(shù)缺點(diǎn)是：（1）由于乙烯等輕組分在尾氣中的濃度相對(duì)較小，常溫或中溫區(qū)飽和蒸汽壓較高，如果將乙烯等輕組分有效回收，則需要將尾氣增壓至很高的壓力，或者冷卻至很低的溫度（-120 ℃），所以設(shè)備投資和能耗高；（2）回收乙烯等輕組分的經(jīng)濟(jì)性較差。優(yōu)點(diǎn)是：（1）適合C4以上組分的回收；（2）流程簡(jiǎn)單、工藝技術(shù)可靠。

2.2 膜分離技術(shù)

氣體滲透膜的原理是氣體分子與膜接觸，接著在膜表面溶解，在膜兩側(cè)表面產(chǎn)生濃度梯度，使氣體分子在膜內(nèi)向膜另一側(cè)擴(kuò)散，最后從膜另一側(cè)表面解析。

膜分離技術(shù)[2]中回收烴類組分采用的是VOC烴膜，技術(shù)特點(diǎn)是：利用VOC膜對(duì)烴類組分的選擇性透過原理，不同組分在一定壓差下在膜中的通透率不一樣，烴類組分優(yōu)先透過膜，在膜滲透?jìng)?cè)富集，從而達(dá)到初步分離的目的。單次透過膜的分離效率較低，不能實(shí)現(xiàn)烴類組分與氮?dú)獾容p組分的完全分離，滲透氣需要在系統(tǒng)中循環(huán)，多次透過膜，不斷富集才能實(shí)現(xiàn)烴類組分的分離。由于滲透氣壓力較低，再次通過膜前需要將滲透氣增壓，滲透氣要經(jīng)過多次的增壓后減壓的過程，因此該技術(shù)缺點(diǎn)是：（1）分離過程的能耗較高；（2）對(duì)乙烯等輕烴類的回收比較困難。優(yōu)點(diǎn)是：（1）烴膜對(duì)C4、C6相對(duì)C2、N2的透過率較高，可實(shí)現(xiàn)C4、C6的有效回收；（2）流程較簡(jiǎn)單、工藝技術(shù)可靠。

2.3 變壓吸附技術(shù)

變壓吸附技術(shù)[3](Pressure Swing Absorption)簡(jiǎn)稱PSA，是近30多年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新型氣體分離與凈化技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、輕工及環(huán)保等領(lǐng)域。

變壓吸附技術(shù)特點(diǎn)：是利用吸附劑對(duì)不同組分的吸附能力不同以達(dá)到混合氣體分離、解吸的目的，而且一般不適合尾氣中含有重組分（低聚物）的狀況。裝置中PSA的吸附過程主要為物理吸附，吸附過程快，并且吸附可逆。該技術(shù)缺點(diǎn)是：（1）變壓吸附設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)部件多，設(shè)備維護(hù)工作量大；（2）設(shè)備投資大。優(yōu)點(diǎn)是：（1）運(yùn)行費(fèi)用低；（2）產(chǎn)品純度高；（3）原料氣源適應(yīng)范圍寬；（4）處理量較大。

2.4 油吸收、精餾技術(shù)

油吸收、精餾技術(shù)[4]特點(diǎn)：油吸收技術(shù)一般與精餾結(jié)合使用，可以利用吸收劑將尾氣中的乙烯吸收至溶劑中，然后利用不同組分的揮發(fā)度不同經(jīng)過精餾塔將吸收劑及乙烯等被吸收組分分離。該技術(shù)缺點(diǎn)是：（1）工藝流程復(fù)雜；（2）能耗相對(duì)較高；（3）投資大。優(yōu)點(diǎn)是：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)烴類組分的高效回收；（2）能得到純度較高的產(chǎn)品。

2.5 雙膨脹自深冷分離技術(shù)

雙膨脹自深冷分離技術(shù)[5]特點(diǎn)是：利用排放氣體原有排火炬氣的壓力能，將尾氣經(jīng)過膨脹機(jī)膨脹制冷，利用膨脹產(chǎn)生的冷量與物料自身換熱，可以將原料尾氣溫度降至-100～-120 ℃，此溫度及壓力條件下，乙烯等烴類組分全部液化，與氮?dú)獾炔荒龤夥蛛x，從而實(shí)現(xiàn)乙烯等的回收。該技術(shù)缺點(diǎn)是：（1）深冷分離技術(shù)分離級(jí)較小，回收產(chǎn)品純度不高。優(yōu)點(diǎn)是：（1）深冷回收技術(shù)能量利用效率高，回收溫度低（-100～-120 ℃），特別適合輕組分（乙烯、乙烷）的回收；（2）流程較簡(jiǎn)單；（3）工藝技術(shù)可靠。

以上技術(shù)的回收率均能達(dá)到90%以上，雙膨脹自深冷分離技術(shù) C2組分回收率平均可達(dá)到 84%以上，C4以上組分回收率可達(dá)到99%以上，對(duì)C4以上組分回收得更徹底，對(duì)C2組分也能達(dá)到較高的回收率；隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇，各企業(yè)對(duì)如何降低聚乙烯裝置的單耗日益重視，而無動(dòng)力深冷分離技術(shù)正好適應(yīng)這一需求，裝置單耗平均可降低7.5 kg標(biāo)油/tPE；該技術(shù)相對(duì)于變壓吸附和膜分離技術(shù)具有回收率更高，設(shè)備占地和投資小的特點(diǎn)，且沒有能量消耗，運(yùn)行費(fèi)用較低，投資回收期8～9個(gè)月，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。故本項(xiàng)目擬采用雙膨脹自深冷分離技術(shù)，又稱無動(dòng)力深冷分離工藝技術(shù)。

3 尾氣回收方案比選

本項(xiàng)目的排放尾氣有三種回收路線，方案A是將各裝置所有尾氣合并設(shè)置一套深冷分離系統(tǒng)；方案B是為各聚乙烯裝置設(shè)置單獨(dú)深冷分離系統(tǒng)；方案C是將全密度聚乙烯裝置一線、二線排放尾氣合并設(shè)置一套深冷分離系統(tǒng)，高密度聚乙烯裝置單獨(dú)設(shè)置一套深冷分離系統(tǒng)。

3.1 排放尾氣回收方案A

圖1 回收尾氣工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Recycling exhaust process flow diagram

流程見示意圖 1，全密一線高壓凝液罐排火炬氣、全密二線高壓凝液罐排火炬氣及高密度聚乙烯裝置膜回收單元二級(jí)膜后排火炬氣合并進(jìn)入尾氣緩沖罐，尾氣緩沖罐頂部出來的氣體進(jìn)入深冷分離系統(tǒng)；高密度聚乙烯裝置異丁烷脫輕塔頂排火炬氣與高密度聚乙烯中間體膜回收單元排火炬氣體由于其中氮?dú)夂亢苌伲芍苯訙p壓后送裂解裝置。方案A優(yōu)點(diǎn)：（1）投資最省；（2）運(yùn)行費(fèi)用最低；（3）節(jié)約占地。缺點(diǎn)：（1）如果某個(gè)裝置停車會(huì)造成尾氣量的大幅波動(dòng)，有可能造成深冷分離系統(tǒng)不在最佳操作點(diǎn)，影響回收效果；（2）操作靈活性不高，回收的烴產(chǎn)品只能回裂解進(jìn)行分離，異丁烷、異戊烷、乙烯等價(jià)值不能充分體現(xiàn)；（3）管線跨度較長(zhǎng)，操作不便；（4）經(jīng)濟(jì)效益較方案 B、C低；（5）不能單獨(dú)回收氮?dú)狻?/p>

3.2 排放尾氣回收方案B

全密度聚乙烯裝置一線排放尾氣回收流程見示意圖 2，從高壓凝液罐頂部出來的不凝氣進(jìn)入深冷分離系統(tǒng)，深冷分離回收系統(tǒng)出來的重?zé)N產(chǎn)品返回壓縮機(jī)入口緩沖罐進(jìn)行回收，C2烴加熱后送上游乙烯裂解裝置回收，尾氣排火炬。

圖2 全密一線回收尾氣工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.2 Full-density polyethylene first-line recycling exhaust process flow diagram

全密度聚乙烯裝置二線排放尾氣回收流程見示意圖3，從高壓凝液罐頂部出來的不凝氣進(jìn)入深冷分離系統(tǒng)，深冷分離回收系統(tǒng)出來的重?zé)N產(chǎn)品返回壓縮機(jī)入口緩沖罐進(jìn)行回收，C2烴加熱后送上游乙烯裂解裝置回收，回收的氮?dú)饪裳h(huán)回脫氣倉使用。

圖3 全密二線回收尾氣工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.3 Full-density polyethylene secondary recycling exhaust process flow diagram

高密度聚乙烯裝置尾氣回收流程見示意圖 4，高密度聚乙烯裝置火炬氣主要有三股來源，分別為：膜回收單元二級(jí)膜后排火炬氣、異丁烷脫輕塔頂排火炬氣及中間體膜回收單元排火炬氣。中間體膜回收單元排火炬氣僅在生產(chǎn)雙峰聚乙烯時(shí)有流量，生產(chǎn)單峰產(chǎn)品時(shí)沒有流量。來自異丁烷脫輕塔頂?shù)臍怏w（77 ℃），經(jīng)過一個(gè)水冷器后進(jìn)行氣液分離，液相送至壓縮機(jī)冷凝液分離罐出口，氣相與其余兩股排火炬氣匯合作為深冷分離系統(tǒng)原料進(jìn)氣（中間體膜回收單元排火炬氣體中異丁烷含量較高，為了更多的回收其中的異丁烷，新增一組膜將其中的部分異丁烷從滲透?jìng)?cè)分離出來返回壓縮機(jī)一段分離罐），三股尾氣一起進(jìn)入深冷分離系統(tǒng)，分別冷卻至不同的溫度進(jìn)行氣液分離，分離后從深冷分離系統(tǒng)分別送出 C2烴返回裂解裝置回收、C4烴返回壓縮機(jī)入口回收，尾氣排火炬。

圖4 高密回收尾氣工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.4 High-density polyethylene recycling exhaust process flow diagram

各聚乙烯裝置設(shè)置單獨(dú)深冷分離系統(tǒng)，即全密度聚乙烯裝置一、二線排放尾氣和高密度聚乙烯裝置排放尾氣分別設(shè)置深冷分離系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：（1）操作靈活，回收的異丁烷、戊烷、乙烯等可以直接回裝置回收再利用；（2）新增設(shè)備在各自裝置內(nèi)便于操作維護(hù)，管道閥門就近布置，操作方便；（3）經(jīng)濟(jì)效益好；（4）全密二線能單獨(dú)回收氮?dú)?。缺點(diǎn)：（1）投資較大；（2）運(yùn)行費(fèi)用較高；（3）公用工程消耗偏高。

3.3 排放尾氣回收方案C

方案C全密一線、二線尾氣回收流程示意圖見圖5。

圖5 全密一、二線合并回收尾氣工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.5 Full-density polyethylene first- line and second-line merger recycling exhaust process flow diagram

全密一、二線高壓凝液罐排火炬氣合并后進(jìn)入尾氣緩沖罐，尾氣緩沖罐頂部出來的氣體進(jìn)入深冷分離系統(tǒng)，深冷回收后的烴類產(chǎn)品送至乙烯裂解裝置，剩余含少量烴類尾氣排放至火炬。高密度聚乙烯裝置尾氣回收流程示意圖與圖4同。優(yōu)點(diǎn)：（1）投資較方案B??；（2）運(yùn)行費(fèi)用較低；（3）節(jié)約占地；（4）管理操作較方便。缺點(diǎn)：（1）將全密度兩個(gè)裝置尾氣合并在一起回收，雖然兩套裝置生產(chǎn)工藝相同，但由于生產(chǎn)牌號(hào)不同造成尾氣組成也不同，氫氣含量不一致，合并在一起回收，物料混在一起，回收的異戊烷不能回本裝置利用，需要與乙烯一起送至裂解裝置進(jìn)一步分離，會(huì)增加乙烯裝置能耗；（2）經(jīng)濟(jì)效益較方案B低；（3）不能單獨(dú)回收氮?dú)狻?/p>

3.4 方案的公用工程耗量、投資、產(chǎn)品數(shù)量對(duì)比

3.4.1 公用工程耗量對(duì)比

三個(gè)方案的公用工程耗量對(duì)比見表3。

表3 公用工程消耗對(duì)比表Table 3 Utilities consumption comparison table

3.4.2 投資對(duì)比

三個(gè)方案的幾類專項(xiàng)投資對(duì)比見表4。

表4 專項(xiàng)投資對(duì)比表Table 4 Special investment comparison table

3.4.3 產(chǎn)品數(shù)量對(duì)比

三個(gè)方案的產(chǎn)品數(shù)量對(duì)比見表5。

表5 產(chǎn)品數(shù)量對(duì)比表Table 5 Product quantity comparison table

由上面三個(gè)表可見，方案B具有操作靈活的特點(diǎn)，回收的異丁烷、異戊烷等可以直接回裝置再利用。方案B新增設(shè)備在各自裝置內(nèi)便于操作維護(hù)，管道閥門就近布置，操作方便，雖然投資、運(yùn)行費(fèi)用較高，但是經(jīng)濟(jì)效益更好，故推薦方案B。

4 結(jié) 論

本項(xiàng)目為節(jié)能減排項(xiàng)目，通過采用各聚乙烯裝置設(shè)置單獨(dú)深冷分離系統(tǒng)回收尾氣路線，采用雙膨脹自深冷分離工藝技術(shù)，對(duì)聚乙烯裝置尾氣進(jìn)行回收利用。實(shí)現(xiàn)了聚乙烯裝置排火炬氣體中80%以上的烴類回收利用，大幅度降低資源浪費(fèi)，減少了CO2排放，保護(hù)了大氣環(huán)境。具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

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Study on Recycling Scheme of Exhaust From Polyethylene Unit

WANG Jin

（HQC(Xinjiang) Company, Xinjiang Dushanzi 833699, China）

TQ 325

A

1671-0460（2017）09-1919-04

2017-06-15

王瑾（1967-），女，甘肅武威人，工程師，1990年畢業(yè)于河北工學(xué)院石油加工專業(yè)，研究方向：從事石油及化工設(shè)計(jì)工作。E-mail：xjwangjin@hqcec.com。