聚乙烯催化劑溶劑回收可行性研究

張葉，于品華，孔凡敏，趙運生，吳小蓮

(中石化南京化工研究院有限公司，江蘇南京 210048)

低密度聚乙烯催化劑制備過程中，在硅膠預處理、母液配制、還原、催化劑脫活、溶劑精餾等工序涉及到四氫呋喃、戊烷、異戊烷、甲苯等揮發(fā)性有機物的使用，同時產(chǎn)生了以氮氣為主、含多種有機組分的排放尾氣，這些尾氣具有組分多、氣量小、濃度高的特點。由于四氫呋喃、異戊烷等溶劑揮發(fā)性強，爆炸下限低，毒性大，給操作人員帶來嚴重的安全威脅。

上海某催化劑公司在聚乙烯催化劑制備過程中產(chǎn)生了以四氫呋喃、異戊烷為主的有機廢氣，采用水冷至3~4 ℃，再采用冰機制冷至-10 ℃進行溶劑回收，溶劑回收后的尾氣流量約500 m3/h，有機物質(zhì)量濃度高達600 g/m3，這部分廢氣直接排入焚燒爐焚燒回收熱量。盡管焚燒法可以使尾氣達到上海市排放標準[1]，然而仍有大量昂貴的溶劑無法回收，因此有必要開發(fā)新的溶劑回收及溶劑回收工藝。

常見的溶劑回收方法主要有壓縮冷凝法[2]、膜分離法[3]、吸附法[4-5]、吸收法[6]等，冷凝法適用于高濃度有機溶劑回收，膜分離法適用于從高濃度到低濃度的中濃度有機廢氣的富集與濃縮，而吸附法則適用于低濃度有機尾氣的處理。針對聚乙烯催化劑尾氣排放的特點，可綜合利用幾種處理方法的優(yōu)勢，采用壓縮冷凝-膜分離-吸附脫附的集成工藝進行處理，該組合工藝已經(jīng)得到了工業(yè)應用[7-9]。

針對該催化劑公司提供的廢氣排口的特點，采用壓縮冷凝-膜分離-吸附或焚燒組合回收法進行了溶劑回收工藝方案的編制，并繪制了溶劑回收工藝流程圖，對尾氣中的有機溶劑進行回收。對該工藝方案進行了投資估算和運行費用估算，并根據(jù)幾種溶劑的市場價格進行了投資回收期、財務凈現(xiàn)值估算，考察了項目的經(jīng)濟性，為后續(xù)車間改造提供了經(jīng)濟性論證參考。

1 經(jīng)濟性評價數(shù)據(jù)準備

1.1 催化劑制備裝置“廢氣”排放數(shù)據(jù)

該催化劑生產(chǎn)裝置主要生產(chǎn)低密度聚乙烯用催化劑，各設(shè)備“廢氣”排放情況如下：母液配制罐產(chǎn)生四氫呋喃；催化劑制備罐和溶劑回收罐產(chǎn)生四氫呋喃、異戊烷、乙烷等氣體；回收異戊烷罐產(chǎn)生含異戊烷氣體；污油罐產(chǎn)生四氫呋喃和異戊烷氣體；催化劑脫活罐產(chǎn)生含乙烷、四氫呋喃、異戊烷及少量水分的混合氣體。這些溶劑排口壓力、溫度、組成各不相同，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 催化劑制備裝置排出口氣體組成特點

1.2 原尾氣處理方案產(chǎn)生效益分析

該催化劑生產(chǎn)裝置各處排口含有機溶劑的混合氣體組成復雜，現(xiàn)有處理方法是混合后直接送入焚燒爐，焚燒后回收熱量。1~6號設(shè)備尾氣混合后，得到最終尾氣的氣體組成如表2所示。所得尾氣流量為1 057.88 m3/h，溫度40.99 ℃，壓力 0.1 MPa。

表2 混合后尾氣氣源情況

通過查閱有關(guān)資料[10]，整理得到乙烷、異戊烷、四氫呋喃的燃燒熱值如下：乙烷1 558.3 kJ/mol，異戊烷3 504.1 kJ/mol，四氫呋喃2 515.2 kJ/mol。

根據(jù)各組分流量及摩爾燃燒熱可得焚燒爐焚燒回收總熱量為：

通過查表得知[11]，品位為0.5 MPa、152 ℃的低壓飽和蒸汽的焓值2 748.75 kJ/kg，而常溫下液態(tài)水的焓值為104.77 kJ/kg，故有機組分完全燃燒可產(chǎn)生的蒸汽量為：

0.5 MPa的飽和低壓蒸汽的工廠單價為180元/t，熱效率取0.9，故熱量回收效益為3.78×180×0.9=612.36元/h。

1.3 溶劑回收工藝

由于各排口廢氣的壓力、流量、組成、溫度各不相同，需要針對每一個排放氣源先行單獨處理。氣體中的VOCs有乙烷、異戊烷、四氫呋喃，工藝總體方案是先將各股含VOCs的廢氣通過預處理進入膜分離器進行濃縮，然后將壓縮后的氣體采用壓縮機增壓，通過冷卻冷凝后回收主要含異戊烷和四氫呋喃的冷凝液，不凝氣返回膜分離系統(tǒng)。通過膜分離器分離出大部分VOCs后的膜分離尾氣通過減壓后匯聚到1根管線，經(jīng)換熱后直接送焚燒爐。得到的液體混合產(chǎn)品進入精餾塔加壓精餾，通過控制合適的工藝條件，塔頂?shù)玫疆愇焱楫a(chǎn)品，塔底得到四氫呋喃產(chǎn)品，帶壓產(chǎn)品經(jīng)減壓后送入產(chǎn)品罐。

2 經(jīng)濟性分析

2.1 投資估算

根據(jù)工藝流程所采用的各種設(shè)備，需要配置的各種測量、控制儀表，對項目的投資費用進行初步估算，投資費用估價如表3所示。

表3 投資估算一覽表

續(xù)表3

由表3可見：在各種設(shè)備的估價中，關(guān)鍵動設(shè)備壓縮機及真空泵分別達到35萬元和22萬元，項目總投資達313.04萬元。

2.2 運行費用估算

裝置在運行過程中消耗的主要化學品和輔助原料有脫除氯化氫用的固體堿吸收劑、堿石灰干燥劑、椰殼活性炭吸附劑、膜分離器用分離膜材料。公用工程消耗有循環(huán)水、生活用水、電、低壓蒸汽、氮氣、儀表風等。

該項目所消耗的各種化學品、輔助材料及公用工程消耗見表4。

由表4可見：在裝置運行過程中公用工程消耗達102.31元/h，物料損耗平均達29.26元/h，運行總費用預計達131.57元/h。

表4 公用工程消耗估算

2.3 產(chǎn)值估算

經(jīng)市場調(diào)研，異戊烷產(chǎn)品純度99%以上產(chǎn)品價格平均為6 000元/t，四氫呋喃純度在99.5%以上價格為8 000元/t。

根據(jù)流程設(shè)計，經(jīng)PRO/II、Aspen Plus軟件模擬計算，異戊烷和四氫呋喃產(chǎn)品每小時產(chǎn)量及產(chǎn)出效益如表5所示。

表5 異戊烷和四氫呋喃產(chǎn)品產(chǎn)出效益估算表

由表5可見：進行溶劑回收后，得到的異戊烷和四氫呋喃產(chǎn)品純度均在99%以上，產(chǎn)品收入可達 1 470.50元 /h。

2.4 項目投資后效益估算

項目投資后的毛利收入為：

按每年投產(chǎn)時間4 000 h計算，靜態(tài)投資回收期為：

按每年投產(chǎn)時間8 000 h計算，靜態(tài)投資回收期為：

取折現(xiàn)系數(shù)8%，年投產(chǎn)時間4 000 h，建設(shè)期1年，膜壽命5年，計算凈現(xiàn)金流量見表6。

由表6可見：項目凈現(xiàn)金流量在投產(chǎn)后第2年即可由負轉(zhuǎn)正。計算動態(tài)投資回收期可得到該值為1.6年，即考慮建設(shè)期1年在內(nèi)，第2年即可收回全部投資。

表6 溶劑回收項目5年內(nèi)的凈現(xiàn)金流量表

2.5 項目投資前后的有無對比分析

考慮到項目投資前，廢熱產(chǎn)生的蒸汽仍有可觀的收益，將有無溶劑回收項目的相關(guān)數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見表7。

由表7可見：按照有無溶劑回收項目對比方法得到的凈效益增量算得的凈現(xiàn)值為367.39萬元，結(jié)論是應當上項目。

表7 有無溶劑回收項目效益對比 單位：萬元

3 結(jié)論與展望

針對某聚乙烯催化劑制備裝置生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多組分有機尾氣，采用組合工藝進行溶劑回收，制定了溶劑回收方案，結(jié)合軟件模擬開展了投資估算和運行費用估算。對原處理方案產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和溶劑回收方案產(chǎn)生的效益分別進行了計算，最后采用財務凈現(xiàn)值和對比分析法對溶劑回收項目的經(jīng)濟性進行分析，得到如下結(jié)論。

1)無溶劑回收項目時，原焚燒處理方法每小時可產(chǎn)生3.78 t蒸汽，產(chǎn)值612.36元/h。

2)溶劑回收項目的投資估算為313.04萬元，運行費用估算為131.57元/h，異戊烷和四氫呋喃產(chǎn)品收益可達1 470.5元/h。

3)考慮建設(shè)期費用，項目的投資回收期為1.6年，對比發(fā)現(xiàn)5年財務凈現(xiàn)值可達367.39萬元，為正值，經(jīng)濟性分析表明該項目可行。

近年來，隨著國家對排放尾氣中污染物的控制日趨嚴格，以揮發(fā)性有機物為代表的有機污染物的排放限制越來越嚴格。針對高濃度含有機溶劑尾氣，常規(guī)溶劑回收方法如壓縮冷凝法、膜分離法、吸附法等技術(shù)相結(jié)合進行工業(yè)有機物回收，可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟價值，有效地提升了企業(yè)的盈利水平，減少了溶劑消耗。未來溶劑回收集成技術(shù)的應用在高附加值有機物回收領(lǐng)域的前景看好。