高壓聚乙烯裝置擠壓機(jī)尾氣回收利用

＊郭棟 荊舉祥 陸聰 卞帥

（山東三維化學(xué)集團(tuán)股份有限公司 山東 255434）

中國石化齊魯分公司塑料廠高壓聚乙烯裝置采用荷蘭國家能源礦產(chǎn)公司（DSM）的無脈沖高壓管式工藝，原設(shè)計產(chǎn)能14×104t/a，現(xiàn)裝置正常負(fù)荷22t/h。裝置由調(diào)聚劑儲存、乙烯壓縮、引發(fā)劑配制及加料、聚合反應(yīng)、聚合物分離及氣體循環(huán)、擠壓造粒和顆粒干燥、批量摻混等單元組成。

根據(jù)中石化系統(tǒng)節(jié)能減排、進(jìn)一步降低裝置能耗和挖潛增效等一系列要求，技術(shù)人員通過對裝置的工藝流程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)擠壓機(jī)后脫氣室脫除的乙烯尾氣直接放空，該部分氣體中乙烯的含量在95%以上，未進(jìn)行回收利用，不僅造成資源浪費，還增加環(huán)境污染[1]。通過增加尾氣回收設(shè)施，將擠壓機(jī)脫氣室脫除的尾氣回收，送至高壓聚乙烯裝置的乙烯管線，每小時可回收乙烯尾氣20～30kg，并且在尾氣回收工藝流程中設(shè)置了相應(yīng)的控制和聯(lián)鎖設(shè)施，確保新增的尾氣回收設(shè)施不影響擠壓機(jī)的正常運行。

1.尾氣回收工藝設(shè)計

(1)尾氣的性質(zhì)

來自擠壓機(jī)脫氣室脫除的乙烯尾氣中乙烯的含量≥95（體積）%，操作壓力為微正壓，操作溫度≤80℃。脫氣室脫除的乙烯尾氣性質(zhì)如表1所示。

表1 乙烯尾氣性質(zhì)

(2)設(shè)計思路

①為保證壓縮機(jī)運行穩(wěn)定，尾氣進(jìn)入壓縮機(jī)之前需設(shè)置緩沖罐。②根據(jù)擠壓機(jī)的運行參數(shù)，乙烯尾氣的溫度在40～80℃，因此為了保證進(jìn)入壓縮機(jī)的溫度≤40℃，減少對壓縮機(jī)膜片壽命的影響，需將該股尾氣進(jìn)行冷卻，冷卻介質(zhì)選用裝置內(nèi)已有的循環(huán)水。③冷卻尾氣的換熱器內(nèi)置于緩沖罐頂。既節(jié)約了尾氣設(shè)施占地，又方便換熱器檢修。④乙烯尾氣的氣量為20～30kg/h，所需壓縮機(jī)進(jìn)出口壓差為1.4MPa，壓縮機(jī)選用隔膜壓縮機(jī)。⑤設(shè)置必要的聯(lián)鎖設(shè)施，保證尾氣回收設(shè)施不影響擠壓機(jī)的正常運行。⑥為了檢測尾氣中氧含量，新增一套氧含量分析儀。

(3)主要工藝流程

來自擠壓機(jī)后脫氣室脫除的乙烯尾氣經(jīng)尾氣緩沖罐緩沖，循環(huán)水冷卻后至尾氣壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)升壓至1.4MPa(G)，升壓后的乙烯尾氣送至高壓聚乙烯裝置返回乙烯線上回收利用。

尾氣緩沖罐頂設(shè)置緊急放空，并與尾氣壓縮機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖，當(dāng)尾氣壓縮機(jī)停機(jī)或增壓機(jī)停機(jī)或壓機(jī)出口壓力高等情況時，聯(lián)鎖閥開啟，乙烯尾氣排至大氣。

主要的工藝流程示意圖如圖1所示：

圖1 尾氣回收設(shè)施工藝流程示意圖

(4)主要設(shè)備及儀表選型

尾氣回收設(shè)施的主要工藝設(shè)備為一臺尾氣緩沖罐、一臺尾氣壓縮機(jī)及一臺阻火器。

①尾氣緩沖罐選型

緩沖罐分為立式和臥式兩種型式，介質(zhì)組成主要為氣體的緩沖罐一般采用立式，介質(zhì)組成主要為液體的緩沖罐一般采用臥式，也可以采用立式。本次尾氣緩沖罐選用立式結(jié)構(gòu)，根據(jù)工藝需要將換熱器內(nèi)置于緩沖罐頂部。

尾氣緩沖罐頂部換熱器結(jié)構(gòu)采用固定管板式換熱器，殼體采用Q345R，管束采用20鋼管，換熱器直徑為500mm、換熱管長度為1000mm，換熱管選用φ19×2.5mm；下部為塔式，設(shè)備主體材質(zhì)：Q345R，分液罐直徑為1000mm，切線長度3000mm。

②尾氣壓縮機(jī)選型

壓縮機(jī)常用于石油化工、油田天然氣和煤氣廠的煤氣增壓輸送等，以及需要增加氣體壓力的其他場合。壓縮機(jī)一般分為容積式壓縮機(jī)和動力式壓縮機(jī)。其中容積式壓縮機(jī)分為軸驅(qū)動的往復(fù)式壓縮機(jī)（主要分為活塞式和隔膜式壓縮機(jī)[2]）和回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)（主要分為滑片式、滾動活塞式、螺桿式和渦旋式壓縮機(jī)）；動力式壓縮機(jī)分為透平壓縮機(jī)和引射器，透平壓縮機(jī)又可細(xì)分為軸流透平壓縮機(jī)和徑流透平壓縮機(jī)（又稱離心式壓縮機(jī)）。一般按需要壓縮氣體流量、壓力以及工況特點，具體根據(jù)制造廠提供的不同類型樣本，比照常用出口壓力和流量范圍以及壓縮機(jī)自身的特點來選型。壓縮機(jī)的選型原則如下：

A.容積式的活塞式壓縮機(jī)多適用于高壓場合；B.透平式（離心式和軸流式）壓縮機(jī)多適用于大流量場合；C.回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)兼有活塞式和透平式壓縮機(jī)的特點，但因其壓力和排氣量有限，多適用于中、小流量的場合；D.在氣量調(diào)節(jié)方面，離心式壓縮機(jī)比活塞式壓縮機(jī)有著較寬的調(diào)節(jié)裕度，軸流式壓縮機(jī)則介于兩者之間；E.噴射式壓縮機(jī)由于效率較低，工業(yè)上很少用作壓縮機(jī)，多用于抽真空場合。

根據(jù)尾氣壓縮機(jī)的小流量、低揚程以及乙烯尾氣易燃易爆的特點，本次壓縮機(jī)選用隔膜壓縮機(jī)，壓縮機(jī)主要參數(shù)見表2。

表2 尾氣壓縮機(jī)主要設(shè)計參數(shù)

按照GB50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》，尾氣壓縮機(jī)附近為爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域2區(qū)，電氣設(shè)備防爆等級為ExdⅡBT4，防護(hù)等級為IP55。

為了保證隔膜壓縮機(jī)機(jī)組運行穩(wěn)定，隔膜壓縮機(jī)設(shè)置如下報警及聯(lián)鎖措施[3]：

A.缸體部件膜片破裂保護(hù)，當(dāng)膜片破裂時，控制系統(tǒng)報警并停機(jī)。B.吸氣壓力保護(hù)，當(dāng)吸氣壓力過高或過低時，控制系統(tǒng)報警并停機(jī)。C.排氣溫度高保護(hù)，當(dāng)排氣溫度高于設(shè)定值時，控制系統(tǒng)報警并聯(lián)鎖。D.排氣壓力高保護(hù)，當(dāng)排氣壓力高于設(shè)定值時，控制系統(tǒng)報警。E.裝置的擠壓機(jī)停機(jī)時，聯(lián)鎖停隔膜壓縮機(jī)。

③阻火器選型

阻火器是一種用來阻止易燃?xì)怏w和易燃液體蒸汽的火焰蔓延的安全設(shè)施。一般安裝在輸送可燃?xì)怏w的管道中，或者通風(fēng)的槽罐上，阻止火焰（爆燃或爆轟）通過。阻火器也可以使用在有明火設(shè)備的管線上，以防止回火事故。阻火器按阻火性能可劃分為爆燃型、穩(wěn)定爆轟型及非穩(wěn)定爆轟型；按用途分為儲罐阻火器、加油站阻火器、加熱爐阻火器、火炬阻火器、放空管阻火器、煤氣輸送管阻火器等；按安裝位置分為管端阻火器、管道阻火器；按阻止火焰速度分為防爆燃阻火器（能阻止以亞音速傳播的爆炸火焰通過）、防爆轟阻火器（能阻止以沖擊波為特征、以超音速傳播的爆炸火焰通過）；按氣體分級分為適用于I級氣體的阻火器、適用于IIA級氣體的阻火器、適用于IIB級氣體的阻火器、適用于IIC級氣體的阻火器。

阻火器主要由殼體和濾芯兩部分組成。殼體應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以承受爆炸產(chǎn)生的沖擊壓力。濾芯是阻止火焰?zhèn)鞑サ闹饕獦?gòu)件，常用的有金屬網(wǎng)濾芯和波紋型濾芯兩種。金屬網(wǎng)型濾芯用直徑0.23～0.315mm的不銹鋼或銅網(wǎng)，多層重疊組成。目前國內(nèi)的阻火器通常采用16～22目金屬網(wǎng)，為4～12層。波紋型濾芯用不銹鋼、銅鎳合金、鋁或鋁合金支撐。波紋型阻火器能阻止爆燃的猛烈火焰，并能承受相應(yīng)的機(jī)械和熱力作用，流動阻力小，易于清洗和更換。

在本系統(tǒng)中，阻火器安裝在管道頂端，選用管道型阻火器。

④主要儀表選型

A.現(xiàn)場溫度測量儀表選用雙金屬溫度計，遠(yuǎn)傳溫度測量儀表選用鎧裝熱電阻。B.現(xiàn)場壓力測量儀表選用不銹鋼壓力表，遠(yuǎn)傳壓力測量儀表選用智能型壓力變送器，變送器為二線制4～20mADC（疊加HART通訊信號）輸出。C.流量測量儀表選用質(zhì)量流量計。D.現(xiàn)場液位測量儀表選用玻璃板液位計，遠(yuǎn)傳液位測量儀表選用智能型雙法蘭液位變送器，變送器為二線制4～20mADC（疊加HART通訊信號）輸出。E.切斷閥選用氣動O型球閥，允許泄漏量符合ANSI CLASS V級，配套閥位回訊開關(guān)，配彈簧返回式單作用氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。兩位三通電磁閥采用防爆低功耗≤4W電磁閥（不銹鋼材質(zhì)316），電源：24VDC。F.安全柵選用隔離式安全柵。G.為了檢測尾氣中氧含量，新增一套氧含量分析儀，氧含量測量選用激光分析儀。氧含量分析儀精度為PPM級。H.電纜選用阻燃型聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套銅絲編織分屏、總屏儀表信號軟電纜，截面積不宜小于1.5mm2。信號電纜穿線管選用鍍鋅鋼管。I.爆炸危險區(qū)安裝的電子式儀表，必須符合該區(qū)的防爆要求，優(yōu)先選用本安型儀表。本安儀表防爆等級不低于ExiaⅡBT4，隔爆儀表防爆等級不低于ExdⅡBT4。就地儀表的防護(hù)等級不低于IP55，遠(yuǎn)傳儀表的防護(hù)等級不低于IP65。

(5)尾氣回收單元設(shè)計要點

①在乙烯尾氣緩沖罐頂部設(shè)置冷卻器，防止擠壓機(jī)脫氣室尾氣的溫度過高，對壓縮機(jī)產(chǎn)生影響。②尾氣緩沖罐設(shè)置安全閥，防止大量尾氣排放時，造成緩沖罐超壓。③由于尾氣的氣量小，壓縮機(jī)選用隔膜壓縮機(jī)，隔膜式壓縮機(jī)具有密封性能高、氣缸不需要潤滑、壓縮比高、散熱性能良好、占地小等優(yōu)點[4]。④當(dāng)壓縮機(jī)入口壓力低或壓縮機(jī)出口壓力高時，聯(lián)鎖停機(jī)，同時打開尾氣放空聯(lián)鎖開關(guān)閥，避免對擠壓機(jī)的正常運行造成影響。⑤尾氣放空出口管線設(shè)置氮氣吹掃管線，正常生產(chǎn)時，小流量的氮氣對管線進(jìn)行持續(xù)吹掃，保證管線內(nèi)壓力為微正壓，防止空氣進(jìn)入放空管線。⑥緊急放空管線頂端設(shè)置阻火器，保證聯(lián)鎖放空時工藝本質(zhì)安全。⑦尾氣回收單元靠近擠壓機(jī)布置，減少壓縮機(jī)入口管線長度。⑧尾氣回收設(shè)施占地17m2，其中尾氣壓縮機(jī)頂部設(shè)置頂棚。

(6)公用工程消耗

尾氣回收設(shè)施的公用工程消耗量及使用要求見表3。從表3可以看出，主要的公用工程消耗為電耗，消耗量為15kW；其次為氮氣，消耗量為5Nm3/h。

表3 尾氣回收設(shè)施公用工程消耗量

2.尾氣回收單元實施效果

尾氣回收設(shè)施利用高壓聚乙烯裝置檢修期間進(jìn)行施工，項目工期為5個月，項目投用后，尾氣回收設(shè)施與擠壓機(jī)同步運行，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，正常運行期間，乙烯尾氣全部進(jìn)行回收，且對擠壓機(jī)的正常運行無影響，實現(xiàn)了對乙烯尾氣的回收利用，減少了大氣污染。

3.效益計算

尾氣回收設(shè)施年操作時間按8400h計，公用工程消耗量計算結(jié)果如表4所示。

表4 尾氣回收設(shè)施消耗量計算

本項目實施后，主要的消耗的公用工程為電耗和氮氣消耗；項目實施后，每年增加的能耗為3.64t標(biāo)油，每年公用工程消耗的費用約為12.23萬元。每小時可以回收乙烯尾氣氣體20～30kg（根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品牌號不同，尾氣流量不同），每年可回收乙烯尾氣168～250t，每噸乙烯尾氣按6500元計，每年可增加年收益約109～162萬元。尾氣回收設(shè)施改造費用按140萬元計，投資費用回收期約一年，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

4.結(jié)論

（1）通過增設(shè)尾氣回收設(shè)施，將高壓聚乙烯裝置擠壓機(jī)后脫氣室脫除的乙烯尾氣進(jìn)行回收利用，減少了大氣污染。（2）根據(jù)尾氣排放量和回收壓力的要求，壓縮機(jī)選用隔膜壓縮機(jī)，隔膜式壓縮機(jī)具有密封性能高、氣缸不需要潤滑、壓縮比高、占地小等優(yōu)點。（3）為了保證尾氣回收系統(tǒng)穩(wěn)定，隔膜壓縮機(jī)設(shè)置必要的聯(lián)鎖設(shè)施。（4）阻火器選用阻爆轟型，安裝在管道頂端，防止排空時發(fā)生火災(zāi)。（5）該尾氣回收設(shè)施投用后，運行穩(wěn)定，每小時可以回收乙烯的量為20～30kg，每年可增加年收益約109～162萬元，一年可以收回投資，既滿足了環(huán)保要求，又增加了企業(yè)效益。