聚丙烯尾氣膜分離過程生命周期評價(jià)及過程優(yōu)化

潘艷秋, 唐 皓, 李鵬飛, 俞 路

(大連理工大學(xué) 化工學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

1 前 言

聚丙烯尾氣中含有大量可回收利用的輕烴，回收利用具有較高經(jīng)濟(jì)效益且可減小環(huán)境污染，處理方法主要有壓縮冷凝法、吸附法、深冷法、膜回收法[1]等，膜分離是在近年來迅速發(fā)展起來的一種分離技術(shù)，因低能耗、操作簡單等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于聚丙烯尾氣回收工藝，當(dāng)前膜分離研究熱點(diǎn)主要集中在膜材料制備、技術(shù)應(yīng)用及過程評價(jià)[2-7]等方面，其中膜分離過程的評價(jià)多以經(jīng)濟(jì)評價(jià)、能源消耗的單一角度評價(jià)為主，在當(dāng)前節(jié)能減排政策的大背景下，為了反映聚丙烯尾氣膜分離過程在運(yùn)營生命周期產(chǎn)生的環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)效益、能源消耗，采用生命周期評價(jià)方法對其進(jìn)行多角度整體評價(jià)十分必要。

生命周期評價(jià)是評價(jià)某一生產(chǎn)過程從原料開采到運(yùn)輸、產(chǎn)品生產(chǎn)到運(yùn)輸、產(chǎn)品維護(hù)到處理、能源消耗及環(huán)境影響的工具[8]，在能源、化工、食品[9-11]等領(lǐng)域都有應(yīng)用。Collet 等[12]對5 種甲烷生產(chǎn)過程進(jìn)行環(huán)境及經(jīng)濟(jì)評價(jià)，發(fā)現(xiàn)沼氣升級-二氧化碳生產(chǎn)甲烷耦合技術(shù)的生產(chǎn)成本較低，但相比其他技術(shù)，該技術(shù)溫室氣體排放量顯著增加；李恒沖[8]采用生命周期評價(jià)方法對煤制天然氣工藝進(jìn)行了環(huán)境及成本的評價(jià)，發(fā)現(xiàn)該過程污染物排放要低于煤發(fā)電過程，但其生命周期成本與直接使用傳統(tǒng)燃料相比則沒有明顯優(yōu)勢。在膜分離領(lǐng)域，Tangsubkul 等[13]對二級處理水微濾過程進(jìn)行生命周期評價(jià)，并對膜的不同化學(xué)清洗過程進(jìn)行靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)低通量和高跨膜壓力環(huán)境影響最小、而清洗頻率會顯著影響過程的環(huán)境表現(xiàn)；Zhang等[14]采用過程模擬與生命周期評價(jià)相結(jié)合的方法，計(jì)算得出不同二氧化碳捕獲過程的環(huán)境影響，發(fā)現(xiàn)膜-低溫冷凝耦合過程的能耗及環(huán)境影響最??；Gomez 等[15]對電化學(xué)合成氨生產(chǎn)過程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)，并對經(jīng)濟(jì)評價(jià)的指標(biāo)進(jìn)行靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)電價(jià)、轉(zhuǎn)化率的改變對成本影響較大。

綜上，在膜分離工業(yè)過程的生命周期評價(jià)文獻(xiàn)中，從環(huán)境、能源等單一角度進(jìn)行評價(jià)較多，從多角度同時(shí)對過程進(jìn)行分析并對裝置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化較少，且未見有聚丙烯尾氣回收過程生命周期評價(jià)的相關(guān)報(bào)道。因此本文以工業(yè)聚丙烯尾氣膜分離過程為背景，結(jié)合過程模擬和生命周期評價(jià)，在滿足分離要求的前提下，通過分析評價(jià)指標(biāo)隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律，來實(shí)現(xiàn)對環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及能源指標(biāo)的綜合優(yōu)化。

2 聚丙烯尾氣膜分離過程模擬

對生產(chǎn)過程進(jìn)行生命周期評價(jià)需要大量的數(shù)據(jù)，在缺少相關(guān)數(shù)據(jù)情況下可借助流程模擬手段進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充。本文評價(jià)對象為聚丙烯尾氣的回收丙烯及工業(yè)氮?dú)夤I(yè)分離裝置(設(shè)計(jì)流程圖見圖1)，其進(jìn)料溫度51 ℃、壓力113 kPa(a)、質(zhì)量流量1 590 kg?h-1，進(jìn)料氣摩爾分?jǐn)?shù)為丙烯23.67%、丙烷3.77%、氮?dú)?1.12%、水1.44%，目前裝置的運(yùn)行參數(shù)基本按照設(shè)計(jì)值進(jìn)行操作。

圖1 聚丙烯尾氣分離設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Design flowchart of polypropylene off-gas separation

原料氣進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮后經(jīng)冷卻器冷卻進(jìn)入干燥塔，脫除水分后進(jìn)入冷箱冷卻到約-13 ℃，再進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行分離。分離器底部凝液為產(chǎn)品丙烯，頂部氣相經(jīng)冷箱換熱后進(jìn)入膜分離單元。膜分離單元由3 段膜組件串聯(lián)構(gòu)成(膜面積分別為120、120、40 m2，丙烯/氮?dú)膺x擇性系數(shù)為7.5)，在第1、3 段膜組件中，輕烴優(yōu)先透過有機(jī)膜，成為第1、2 段滲透氣返回壓縮機(jī)，與原料氣混合后再經(jīng)壓縮、冷凝、分液，最終丙烯回收率達(dá)到90% 以上。第1、2 段膜組件內(nèi)的氮?dú)獗唤亓粼谠蟼?cè)，成為第2 段截留氣(但純度達(dá)不到要求)，需進(jìn)入第3 段膜組件進(jìn)一步提純達(dá)到99% 以上。

根據(jù)聚丙烯尾氣膜分離過程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用常用流程模擬軟件對該過程進(jìn)行模擬，結(jié)果見表 1。表中xB為摩爾分?jǐn)?shù)，從表中可發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與原設(shè)計(jì)結(jié)果相近，其中氮?dú)猱a(chǎn)品中的氮?dú)饧氨┊a(chǎn)品中的丙烯組成相對誤差最大為0.65%。 另外，模擬結(jié)果顯示，氮?dú)猱a(chǎn)品和丙烯產(chǎn)品的質(zhì)量流量相對誤差分別為2.55%和0.26%。證明模擬結(jié)果可靠，模擬結(jié)果可代替實(shí)際操作數(shù)據(jù)來進(jìn)行生命周期評價(jià)。(表1 中，氮?dú)猱a(chǎn)品中的丙烷及丙烯產(chǎn)品中的氮?dú)庀鄬φ`差較大，主要原因在于二者在各自產(chǎn)品中組分摩爾分?jǐn)?shù)較小)。

3 生命周期評價(jià)模型

本文生命周期的評價(jià)范圍為整個膜分離裝置的運(yùn)營期(20 a，年運(yùn)行8 000 h)，主要包括環(huán)境、能源、經(jīng)濟(jì)3 方面，涉及的5 個評價(jià)指標(biāo)及模型見表2。其中能源、環(huán)境評價(jià)采用特征化模型[16-18]，經(jīng)濟(jì)評價(jià)采用生命周期成本模型。特征化模型實(shí)質(zhì)上是將特征化因子(污染物或初級能源轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)參照物的影響值，如全球變暖潛勢以 CO2當(dāng)量表示)與污染物排放量(或初級能源消耗量)相乘來得到對應(yīng)的特征化指標(biāo)，其目的是將污染物或能源消耗統(tǒng)一基準(zhǔn)進(jìn)行比較，因此能較為客觀地反映裝置在整個生命運(yùn)營期內(nèi)的環(huán)境影響或能源消耗情況。

表1 流程模擬結(jié)果與原設(shè)計(jì)結(jié)果對比Table 1 Comparison of process simulation results with original design results

表2 生命周期評價(jià)指標(biāo)模型[16-19]Table 2 Life cycle assessment index model[16-19]

1) 環(huán)境特征化指標(biāo)。用全球變暖潛勢(global warming potential，GWP)和對流層臭氧前驅(qū)體潛勢(tropospheric ozone precursor potential，TOPP)表示。其中，GWP 反映的是氣體的當(dāng)量CO2排放量；TOPP反映的是當(dāng)量 (non-methane volatile organic compounds，NMVOC)的排放量。碳排放是當(dāng)今社會非常關(guān)注的環(huán)境污染問題，而聚丙烯尾氣回收過程的主要污染物排放即為NMVOC。

2) 能源特征化指標(biāo)。用中國化石能源消耗潛勢(Chinese fossil fuel depletion potential，CADPff)表示。以煤為基準(zhǔn)物質(zhì)，得到各能源的特征化因子，用于表示中國范圍各能源的稀缺程度。

3) 經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)。包括內(nèi)部成本和外部成本指標(biāo)。其中，外部成本(LCCex)[19]由各種排放物質(zhì)對生態(tài)環(huán)境、人類健康的影響貨幣化后計(jì)算得到；內(nèi)部成本(LCCin)包括固定成本(裝置成本及配套投資成本)和操作成本(公用工程成本、裝置維護(hù)成本、人工費(fèi)用等)。

上述評價(jià)模型已在煤制天然氣[8]、CO2捕集[14]、合成氨[20]，垃圾熱解[21]等化工過程中得到了合理應(yīng)用，因此其對于化工過程中的膜分離過程也有適用性。為方便對比，本文以1 kg 進(jìn)料氣為基準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。

4 評價(jià)結(jié)果與討論

4.1 生命周期能源評價(jià)

表3 為裝置的能源評價(jià)結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，裝置運(yùn)營期能源特征化指標(biāo)CADPff組成中，電力消耗占比最大(約為90%)，設(shè)備制造占比則很小(幾乎可忽略不計(jì))。對于本文的膜分離過程，為了減小占比很大的電力消耗，可通過減小膜面積及壓縮機(jī)出口壓力來實(shí)現(xiàn)，由此降低整個運(yùn)營生命周期的能源消耗。

表3 裝置運(yùn)營期CADPff 組成Table 3 Distribution of CADPff during device operation period 10-4 kg?kg-1

4.2 生命周期經(jīng)濟(jì)評價(jià)

生命周期經(jīng)濟(jì)評價(jià)內(nèi)容包括內(nèi)部成本和外部成本，包括公用工程消耗、裝置、膜組件和其他費(fèi)用共4 個部分。對內(nèi)部成本而言，公用工程消耗成本包括裝置運(yùn)營期消耗的水、電、氮?dú)猱a(chǎn)生的費(fèi)用，裝置成本是指除膜組件外其他設(shè)備的成本及配套投資，其他費(fèi)用包括裝置維修及人工費(fèi)用；而外部成本是指各部分產(chǎn)生的污染物排放量折合成的貨幣成本(其中第4 部分為過程尾氣排放)。

圖2 為生命周期經(jīng)濟(jì)評價(jià)結(jié)果。從圖2(a)可以看出，整個分離過程所需內(nèi)部成本約為0.603 CNY?kg-1進(jìn)料氣，其中公用工程消耗占內(nèi)部成本的48%，主要來源于電能及氮?dú)獾南?。從圖2(b)可以看出，外部成本主要源于回收過程的尾氣排放(約占整個分離過程的 42.6%)，而 NMVOC 則是造成外部成本的主要污染物。

圖2 裝置運(yùn)營期生命周期成本Fig.2 Life cycle cost during device operation period

在聚丙烯尾氣膜分離回收過程中，膜面積和滲透側(cè)壓力是影響生命周期內(nèi)部成本的關(guān)鍵參數(shù)，因此本文重點(diǎn)對比這2 種參數(shù)對生命周期內(nèi)部成本的影響，二者均處于合理取值范圍，結(jié)果見圖3?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著第1、2 段膜組件滲透側(cè)壓力的增大，壓縮機(jī)回流量減小，而壓縮機(jī)功率減小，因此生命期內(nèi)部成本降低；第3 段膜組件滲透側(cè)氣體不回流至壓縮機(jī)，因此滲透側(cè)壓力的改變對生命周期內(nèi)部成本影響不明顯；1、2 段膜面積的增大使得壓縮機(jī)回流量增大、壓縮機(jī)功率增大，導(dǎo)致內(nèi)部成本顯著增大；第3段滲透氣用于吹掃并再生分子篩，吹掃氣流量越大所需補(bǔ)充氮?dú)饬髁吭叫?，因此膜面積對生命周期成本的影響與1、2 段膜面積相反。

從圖3 還可以發(fā)現(xiàn)，在滿足氮?dú)饧氨┓蛛x要求的前提下，第2 段膜面積A 為100 m2、滲透側(cè)壓力為180 kPa 時(shí)內(nèi)部成本最小，故當(dāng)?shù)?、3 段膜面積A 和滲透側(cè)壓力(第1 段120 m2、370 kPa，第3 段40 m2、395 kPa)不變時(shí)，內(nèi)部成本相比原設(shè)計(jì)最小(降低約4.3%)。

圖3 膜面積及滲透側(cè)壓力對生命周期內(nèi)部成本的影響Fig.3 Effect of membrane area and permeate pressure on life cycle internal costs

圖4 裝置運(yùn)營期環(huán)境影響評價(jià)Fig.4 Environmental impact assessment during device operation period

4.3 生命周期環(huán)境評價(jià)

圖4 為環(huán)境評價(jià)結(jié)果?？梢钥闯龉霉こ滔募拔矚馀欧欧謩e是環(huán)境指標(biāo)GWP 和TOPP 的主要貢獻(xiàn)因素。圖5 在保證總的膜面積不變(與原設(shè)計(jì)相同，280 m2)的情況下，分別改變第 2、3段或第 1、3 段(另一段膜面積不變)膜面積之比，計(jì)算GWP 和TOPP，可以發(fā)現(xiàn)：

當(dāng)?shù)?、3 段及第1、2 段膜面積之比增大時(shí)，會導(dǎo)致回流到壓縮機(jī)的氣體流量增大，從而增加了能耗(GWP 增大)，同時(shí)減少了尾氣中的輕烴排放(TOPP 減小)。

從圖5 中還可以看出，在滿足氮?dú)饧氨┓蛛x要求的前提下：以GWP 最小為目標(biāo)優(yōu)化得到GWP 值為0.278 kg?kg-1進(jìn)料氣，優(yōu)化得到的3 段膜面積均與原設(shè)計(jì)相同(此時(shí)第1、3 段膜面積之比為3)，這也從GWP 的角度驗(yàn)證了原設(shè)計(jì)參數(shù)的先進(jìn)性；以TOPP 最小為目標(biāo)優(yōu)化得到TOPP 值為0.001 7 kg?kg-1進(jìn)料氣(此時(shí)第2、3 段膜面積之比為31)，優(yōu)化得到的3 段膜面積分別為120、155、5 m2，相比于原設(shè)計(jì)，優(yōu)化后TOPP 降低約71%。

圖5 膜面積之比對環(huán)境指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of membrane area ratio on environmental index

5 結(jié) 論

以聚丙烯尾氣膜分離過程為研究對象，結(jié)合過程模擬數(shù)據(jù)，利用生命周期評價(jià)模型對整套裝置運(yùn)營期進(jìn)行環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及能源的生命周期評價(jià)，得到結(jié)論如下：

(1) 提出了以生命周期的 5 個評價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合流程模擬、生命周期評價(jià)、參數(shù)優(yōu)化為一體、多種計(jì)算模塊相結(jié)合的膜分離過程生命周期綜合優(yōu)化方法，可用于工程實(shí)際問題的多角度評價(jià)。

(2) 對涵蓋環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及能源的膜分離過程生命周期評價(jià)模型進(jìn)行合理簡化，通過計(jì)算明確了生命周期5 個評價(jià)指標(biāo)的主要貢獻(xiàn)因素。其中能源指標(biāo)CADPff、環(huán)境指標(biāo)GWP 以及內(nèi)、外部成本均主要受分離過程公用工程消耗量影響，而過程中的污染物排放則是環(huán)境指標(biāo)TOPP、外部成本的主要貢獻(xiàn)因素。

(3) 以環(huán)境評價(jià)指標(biāo)GWP 為目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化膜面積，發(fā)現(xiàn)得到的3 段膜面積與原設(shè)計(jì)相同，分別為120、120、40 m2；以環(huán)境評價(jià)指標(biāo)TOPP 為目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化膜面積，優(yōu)化后的TOPP 相比原設(shè)計(jì)降低約71%；以經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)生命周期內(nèi)部成本為目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化膜面積及膜滲透測壓力，優(yōu)化后的內(nèi)部成本相比原設(shè)計(jì)降低約4.3%。

符號說明：

A — 膜面積，m2

C — 成本，CNY?kg-1

CADPff— 中國化石能源消耗潛勢，kg?kg-1

CF — 特征化因子，kg?kg-1

E — 污染物單位外部成本，CNY?kg-1

GWP — 全球變暖潛勢，kg?kg-1

LCC — 生命周期成本，CNY?kg-1

m — 質(zhì)量，kg

TOPP — 對流層臭氧前驅(qū)體潛勢，kg?kg-1

下標(biāo)

ex — 外部

fi — 固定

ff —化石能源

i — 污染物或初級能源

in — 內(nèi)部

op — 操作