降低氣相流化床聚乙烯裝置原料單耗的措施

張靜宇，霍金蘭，高芙蓉

（陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，陜西 靖邊 718500）

陜西延長中煤榆林能源化工有限公司線型低密度聚乙烯（LLDPE）裝置采用美國Univation公司的Unipol氣相流化床聚乙烯生產(chǎn)工藝，裝置年生產(chǎn)能力為300 kt，年操作時數(shù)為8 000 h，可生產(chǎn)密度為0.915～0.965 g/cm3的聚乙烯。裝置于2014年7月15日開車，目前主要生產(chǎn)線型低密度聚乙烯DFDA-7042、高密度聚乙烯DGDA-6094。本工作主要針對裝置原料單耗較高的問題，分析影響單耗的因素，并提出相應的降耗措施。

1 工藝簡介

Unipol氣相流化床聚乙烯生產(chǎn)工藝LLDPE裝置主要原料為乙烯、共聚單體（1-丁烯與1-己烯）、異戊烷、氫氣、氮氣。主要催化劑包括UCAT-J型、SLC-S型、SEGI型等淤漿催化劑，助催化劑三乙基鋁（T2），還原劑三正己基鋁（T3）和一氯二乙基鋁（DC）。工藝流程主要包括原料精制單元、催化劑加料單元、聚合反應單元、脫氣單元、排放氣回收單元、粉料輸送單元及造粒單元等。原料經(jīng)過精制系統(tǒng)脫除氧氣、一氧化碳、二氧化碳、醇類等雜質后進入反應器。反應器中加入催化劑在一定溫度、壓力條件下進行聚合，得到的粉料合格后進入脫氣單元，脫除粉料中夾雜的烴類物質，同時將殘余的催化劑等失活。經(jīng)過脫氣后的粉料通過粉料輸送單元進入擠壓造粒單元熔融，切粒，成型，最后包裝。

2 影響原料單耗的原因

2.1 開停車次數(shù)頻繁

開停車是影響單耗的一個重要因素，統(tǒng)計2014年開車以來停車原因，主要包括反應器靜電停車、設備突停停車、晃電停車等。裝置開停車一次的損失計算如下。

乙烯直接排放量：反應器體積為867 m3，循環(huán)氣管線直徑為1.4 m，長度約為80 m，體積123 m3，總壓為2 150 kPa，溫度為85 ℃，下同。乙烯摩爾分數(shù)為31.5%。由PV=nRT（P為壓力，Pa；V為體積，m3；n為物質的量，mol；R為理想氣體常數(shù)；T為熱力學溫度，K），得到乙烯排放量約為6.31 t。

1-丁烯直接排放量：1-丁烯摩爾分數(shù)為12.1%。由PV=nRT得到1-丁烯排放量約為4.85 t。

則總排放量為6.31+4.85=11.16 t。

2.2 原料再生床層頻率不合理

精制系統(tǒng)是脫除雜質的保障，床層脫除雜質的原理為物理吸附和化學反應。床層再生有固定時間，一般按裝置設計負荷（37.5 t/h）進行再生。但由于裝置長期處于低負荷（24.0 t/h）運行，經(jīng)過床層的物料量未達到設計所需物料量，床層未達到飽和狀態(tài)，此情況下進行再生，會造成物料浪費。

2.3 排放氣回收參數(shù)控制不合理

排放氣回收系統(tǒng)是指由反應器抽出的循環(huán)氣（包括乙烯、1-丁烯、異戊烷等）經(jīng)過脫氣倉到排放氣回收系統(tǒng)進行回收?；厥赵頌榧訅骸⒔禍?。將氣相原料壓縮為液相原料輸送回反應器重新利用。脫氣倉控制壓力高導致脫氣倉頂部排放量增大，以及排放氣回收壓縮機二段出口壓力控制低，使回收物料量減少，均會造成物料浪費。

2.4 進退冷凝操作不合理

反應器進退冷凝期間，存在反應器頂部大量排放物料以保證反應器壓力穩(wěn)定、排放氣回收系統(tǒng)排放物料以保證反應器內(nèi)異戊烷組分控制要求、控制進退冷凝操作時間以及反應器事故停車等特殊情況，如不進行合理調(diào)整，均會造成大量物料排放，單耗增加。

2.5 產(chǎn)品出料系統(tǒng)（PDS）下料與精制系統(tǒng)脫雜控制不合理

PDS下料頻率、下料時間以及兩套PDS系統(tǒng)相互平衡狀態(tài)直接影響反應器向后續(xù)系統(tǒng)排放的物料量。1-丁烯脫氣塔的作用是脫除系統(tǒng)內(nèi)雜質，頂部需長期排放雜質及物料，如不進行優(yōu)化控制，將長期存在物料排放浪費情況。

2.6 振動篩排除廢料較多

振動篩作用是篩出反應器生成的片料、塊料，以減少后續(xù)系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象。反應器內(nèi)產(chǎn)生片料、塊料較多會增加振動篩廢料產(chǎn)生。振動篩下料時間不合理會造成振動篩堵塞，從而導致合格粉料浪費。

2.7 造粒系統(tǒng)控制未優(yōu)化至最佳狀態(tài)

造粒系統(tǒng)由于設備或人為操作等原因造成非計劃停車次數(shù)頻繁，同時，具體的操作參數(shù)控制未達到最優(yōu)狀態(tài)，直接造成成品料浪費。

3 降低原料單耗的措施

3.1 降低開停車次數(shù)

裝置開停車物料排放量大是裝置單耗高的重要原因。生產(chǎn)期間應分別從內(nèi)操控制、外操巡檢、工藝工況、設備運行狀況、人為操作等多方面進行排查、控制，減少開停車次數(shù)，并根據(jù)裝置停車經(jīng)驗制定有效的停車預案，將損失降至最低。

3.2 在保證精制系統(tǒng)雜質符合要求的情況下，優(yōu)化床層再生頻率

在保證精制系統(tǒng)雜質符合要求的情況下，根據(jù)床層實際精制量，降低再生頻率達到降耗的目的。降低精制器再生頻率，低負荷下1-丁烯干燥床再生由30天1次延長至70天1次，乙烯干燥床再生由30天1次延長至55天1次，減少原料的排放。優(yōu)化再生操作，精制床充液由滿罐并床改為液位為85%并床，減少原料排放。

3.3 減少脫氣倉排放量，調(diào)控排放氣回收系統(tǒng)二段出口壓力，增加回收液量

由脫氣倉到排放氣回收系統(tǒng)中間過程減少循環(huán)氣體排放可增加回收系統(tǒng)的回收量。調(diào)整脫氣倉氮氣吹掃量，避免脫氣倉頂部火炬排放。從圖1可以看出：氮氣吹掃量由1 400 kg/h降至1 000 kg/h，脫氣倉實際壓力降至設計壓力以下，排放量明顯減少，脫氣倉氣體不外排，全部回收至排放氣回收系統(tǒng)。

圖1 脫氣倉氮氣調(diào)節(jié)Fig.1 Nitrogen regulation in degassing chamber

從圖2可以看出：增加排放氣回收壓縮機二段出口壓力，排放氣回收量增加。根據(jù)排放氣回收壓縮機一段入口溫度，逐步對壓縮機相關參數(shù)進行調(diào)節(jié)，保證壓縮機正常運行情況下，提高二段出口壓力，從而增加排放氣回收量。

圖2 排放氣回收壓縮機壓力對回收量的影響Fig.2 Impact of vent recovery compressor pressure on recovery volume

3.4 制定詳細的進退冷凝操作步驟，減少排放

通過裝置多次進行進退冷凝操作，總結經(jīng)驗，確定操作過程中的具體步驟，減少物料的排放。

（1）進冷凝前關閉反應器高壓氮氣進料閥，逐漸降低反應器總壓控制值，由2 150 kPa降至2 050 kPa。

（2）進冷凝時，提前將反應器內(nèi)異戊烷摩爾分數(shù)由2.2%升至2.5%，快速進冷凝，減少因異戊烷濃度提高引起反應器總壓升高導致的原料排放。

（3）退冷凝時，提前降低需要排放的排放氣回收系統(tǒng)的回收罐液位，由50%降至20%，減少新鮮異戊烷和1-丁烯的進料量，可使因需要快速降低異戊烷濃度所引起的反應器原料排放量下降。

（4）退冷凝前，提前將反應器內(nèi)異戊烷摩爾分數(shù)由7.2%降至6.5%，縮短原料排放時間。

（5）控制異戊烷加入速度，降低靜電波動，避免非計劃停車。

3.5 減少PDS循環(huán)氣的排放及精制系統(tǒng)原料的排放

（1）出料時間優(yōu)化調(diào)整［1］，增加填充率，減少乙烯排放。通過對PDS下料時間進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，每小時可減少出料一次，帶出乙烯并排放，以5.85 kg/次計算，則少排放乙烯5.85×8 000=46.8 t/a。

（2）降低反應器內(nèi)乙烯濃度，減少乙烯排放。由于反應器內(nèi)循環(huán)氣被帶出反應器進入脫氣倉后，再次進入到排放氣回收系統(tǒng)，排放氣回收系統(tǒng)只能對1-丁烯和異戊烷進行增壓、降溫回收，乙烯無法進行回收，因此，減少反應器內(nèi)乙烯含量，則可相應減少乙烯的排放量。在催化劑活性不受影響的情況下逐步使反應器內(nèi)乙烯摩爾分數(shù)由最初的32%降至28%，不影響聚合和催化劑活性，且降低了PDS出料時攜帶乙烯的排放量。

（3）降低1-丁烯脫氣塔頂部排放設定值，減少1-丁烯排放。脫氣塔頂部排放量由12.3 kg/h降至8.0 kg/h，如再繼續(xù)降低排放量，脫氣塔頂部溫度將波動，無法保持正常平穩(wěn)態(tài)。在調(diào)節(jié)期間，定期對1-丁烯雜質含量進行檢測，雜質含量均在正常要求范圍內(nèi)。

3.6 調(diào)控反應器參數(shù)，減少振動篩不合格粉料的產(chǎn)生量

（1）對影響催化劑活性原因進行攻關，得出控制催化劑活性的措施，減少片料、塊料生成。

（2）降低反應器中1-丁烯濃度［2］，既降低反應器內(nèi)1-丁烯與乙烯摩爾比，減少黏料的產(chǎn)生，密度越小，粉料越黏。

（3）調(diào)節(jié)振動篩下料時間設定值，降低振動篩堵塞情況。

從圖3可以看出：振動篩廢料排放量由5月份的24袋降至10月份的5袋，很大程度減少了廢料量的產(chǎn)生。

圖3 2017年4—11月振動篩廢料排放量Fig.3 Waste emissions of vibration sieve from April to November in 2017

3.7 調(diào)節(jié)造粒系統(tǒng)的控制參數(shù)，減少成品料的損失

（1）增加摻混料倉換向閥保溫，減少因閥門無法轉動而停車的次數(shù)。因冬天溫度較低，摻混料倉換向閥經(jīng)常因油溫較低、流動性差而無法正常旋轉，因此，造成切倉失敗，造粒停車。為解決此問題，給換向閥加保溫，使其可以正常旋轉，解決造粒因此問題經(jīng)常停車事件，減少開車時不合格料的產(chǎn)生。

（2）調(diào)節(jié)切粒機轉速，減少碎屑料的產(chǎn)生。切粒機轉速由195 r/h逐漸降至190 r/h，碎屑料產(chǎn)生量逐漸降低，每月可減排碎屑料3 t。

4 優(yōu)化前后原料單耗的對比

2017年4—7月原料單耗為未優(yōu)化單耗。10—12月單耗為優(yōu)化后單耗。從圖4看出：單耗由1.039 t/t降至1.008 t/t甚至更低，專利商提供設計單耗為1.017 t/t，單耗已降至設計值之下，效果較好。

圖4 改進前后原料單耗的變化趨勢Fig.4 Change trend of raw material unit consumption before and after improvement

5 結論

a）原料單耗高的原因主要包括開停車次數(shù)頻繁、原料再生床層頻率不合理、排放氣回收參數(shù)控制不合理、進退冷凝操作不合理、PDS下料與精制系統(tǒng)脫雜控制不合理、振動篩排除廢料較多、造粒系統(tǒng)控制未優(yōu)化至最佳狀態(tài)。

b）降低單耗的措施主要包括降低開停車頻次、優(yōu)化床層再生頻率、增加回收液量、優(yōu)化進退冷凝操作步驟、減少PDS循環(huán)氣的排放及精制系統(tǒng)原料的排放、減少不合格粉料的產(chǎn)生量、調(diào)節(jié)造粒系統(tǒng)的控制參數(shù)、減少成品料的損失。

c）通過精心控制與不斷優(yōu)化操作，單耗明顯降低，達到降低原料單耗的目的。