試析聚丙烯裝置尾氣回收利用技術(shù)

于萬鵬

（大慶石化公司化工三廠，黑龍江 大慶 163711）

通過對聚丙烯裝置尾氣回收利用情況的調(diào)研與分析，由于該裝置處于長時間的運行狀態(tài)，加上檢修維護工作不及時，使設(shè)備部件長期存在化學(xué)腐蝕等現(xiàn)象，磨損問題愈加嚴(yán)重化，極大地降低了該裝置的工作性能，同時也是導(dǎo)致尾氣中丙烯回收率低，丙烯原料使用量增加的主要因素，某種程度上也面臨著污染大氣環(huán)境的風(fēng)險。如何改造聚丙烯裝置，提升設(shè)備性能，解決該裝置目前運行過程中存在的問題，是各相關(guān)人員需要考慮的問題。

1 聚丙烯生產(chǎn)過程

聚丙烯是一種具有多功能性、需求量較大且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛特點的重要化工品，由聚丙烯裝置所產(chǎn)生的產(chǎn)品均以粒料的形式包裝后銷售，運用不同的方法對其進行二次或多次加工，可生產(chǎn)出管材、纖維等終端產(chǎn)品。其中氣相法、溶液法、漿液法等其他組合工藝是現(xiàn)階段較為常見的聚丙烯生產(chǎn)工藝；循環(huán)氣壓縮機、聚合反應(yīng)器、循環(huán)氣冷卻器等是構(gòu)成聚丙烯裝置的核心設(shè)備，并由原料（丙烯、乙烯、氫氣）、氮氣供給、精制單元、聚合反應(yīng)單元、尾氣回收單元等多個單元共同組成聚丙烯整套生產(chǎn)工藝流程，可以根據(jù)市場需求生產(chǎn)具有不同性能特點的多種類型產(chǎn)品。雖然聚丙烯生產(chǎn)工藝種類繁多，但具體技術(shù)操作流程相差不多。

2 聚丙烯裝置尾氣回收利用技術(shù)分析

一般情況下，是通過與聚丙烯裝置配套的尾氣回收裝置對未反應(yīng)的丙烯氣進行回收再利用，規(guī)避大氣環(huán)境污染的同時，又能保證丙烯利用率。針對聚丙烯裝置尾氣回收處理，先對富含丙烯、氮氣的脫倉氣進行預(yù)處理，再采用壓縮、冷凝工藝將大部分液相丙烯單體從氣液分離器中獲取，進而完成對尾氣中丙烯的回收再利用。因脫倉氣中也含有一定量的氮氣，受到氣液平衡條件制約，導(dǎo)致不凝氣中仍有丙烯單體存在，若將其送入火炬系統(tǒng)，不僅會造成極大地資源浪費，也會伴隨大氣環(huán)境污染問題?；诖?，需要選擇合適的回收利用技術(shù)對這一部分丙烯單體進行回收，以提高丙烯利用率，減少聚丙烯裝置運行過程中尾氣排放對大氣環(huán)境的污染，進而實現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。

2.1 分離技術(shù)基本原理

以壓縮冷凝工藝對聚丙烯裝置排放尾氣中含有的丙烯進行回收，是現(xiàn)階段較為常用的回收利用技術(shù)，丙烯回收率最高未超過50%，剩余部分的丙烯則是被送入火炬系統(tǒng)。丙烯等高價值烴類未得到完全的回收利用是該工藝明顯的弊端，不僅會因聚丙烯裝置尾氣排入火炬系統(tǒng)燃燒而造成大氣環(huán)境污染，也極大地浪費了資源，導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)成本增加。

2.1.1 膜分離技術(shù)

在分離回收丙烯等其他烴類時，主要應(yīng)用膜分離技術(shù)，則是利用該項技術(shù)溶解-擴散的原理，使分子向化學(xué)勢降低的方向運動，并在膜的外表面層上停留和溶解，再沿著濃度梯度進行擴散和傳遞，在膜的另一側(cè)完成解吸，由于混合氣體中的組分不同，混合氣體在膜通過時，即可利用不同的滲透速率實現(xiàn)氣體相互分離。

因膜的材質(zhì)不同，使氣體分離過程中對其控制要求也有著一定的差異。例如，混合氣體通過玻璃態(tài)聚合物膜進行分離時，要選擇性控制擴散分子；混合氣體通過橡膠態(tài)聚合物膜進行分離時，則是要選擇性控制溶解分子，組分沸點升高時，氣體在膜中的溶解度系數(shù)也會隨之增加，大分子組分具有滲透速率快、膜內(nèi)溶解度大的特點。利用VOC膜分離混合氣體時，主要是利用該類膜材質(zhì)優(yōu)先處理滲透系數(shù)較高氣體的特性，在壓差推動作用下，使混合氣體在通過膜時，讓丙烯優(yōu)先透過并進行富集回收處理，其中未透過的烴類則是選擇性截留。

相較傳統(tǒng)尾氣回收利用技術(shù)，膜分離技術(shù)具有操作便捷、設(shè)備簡單等優(yōu)點，將其應(yīng)用于聚丙烯裝置中，當(dāng)排放的尾氣組成與處理量出現(xiàn)較大波動情況時，也能保證該項技術(shù)應(yīng)用效果的穩(wěn)定性；但由于膜分離氣體分子的選擇性特點，使分離處理的尾氣中仍含有大量的丙烯，排入火炬系統(tǒng)燃燒，不僅會造成大氣環(huán)境污染，也會使企業(yè)額外生產(chǎn)成本增加。

2.1.2 透平膨脹深冷分離技術(shù)

深冷分離技術(shù)實際應(yīng)用過程中，將氣體或氣體混合物作為介質(zhì)，在介質(zhì)自身壓力膨脹的作用下完成制冷，再借助換熱器對低溫冷量進行反流回收或使氣體達到冷凝狀態(tài)，該過程不會再有額外的冷量與動力產(chǎn)生。對聚丙烯裝置尾氣中各組分不同的沸點進行利用，同時經(jīng)過低溫液化分離處理，尾氣在自身壓力通過對外做功、墑膨脹等方法，實現(xiàn)尾氣溫度降低并使尾氣中的烴類組分呈現(xiàn)液化狀態(tài)，此時，即可利用高效氣液分離器對液相烴類與氮氣等進行分離。

技術(shù)操作流程簡單、能量利用率較高等是該項技術(shù)明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，但在實際操作過程中，由于對氣量與組分的變化具有較高的敏感性，進而使氫氣無法從氮氣中有效脫除，若回收氮氣，必然會增加一定的安全風(fēng)險。

3 基于上述技術(shù)應(yīng)用的聚丙烯裝置改造思路

以某化工廠聚丙烯裝置為例，該裝置液環(huán)壓縮機的設(shè)計能力為350kg/h，入口與出口壓力分別為0.02MPa、0.38MPa；正式投入使用后，在生產(chǎn)某類產(chǎn)品時，發(fā)現(xiàn)汽蒸罐的壓力控制閥有10%左右的開度，導(dǎo)致低壓排放系統(tǒng)進入部分尾氣，使尾氣中含有丙烯未得到充分回收，造成嚴(yán)重資源浪費。雖然針對該裝置的檢修與維護工作一直未間斷，但并未起到提升其性能的作用。從該裝置運行數(shù)據(jù)來看，近年來，設(shè)備性能逐漸降低，壓力控制閥的開度達到30%左右，DCS流量計顯示，尾氣回收僅有300kg/h左右，其中50kg/h的尾氣被送入火炬系統(tǒng)中，50kg/h的尾氣中丙烯含量高達90%，導(dǎo)致丙烯材料被嚴(yán)重浪費，同時也是造成該廠生產(chǎn)時帶來大氣環(huán)境污染的主要因素。

3.1 聚丙烯裝置改造方案實施流程

在聚丙烯裝置原有尾氣回收系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新建兩個回收單元，分別是膜分離回收單元與透平膨脹深冷分離單元。首先，聚丙烯裝置運行過程中所排放的尾氣進入膜分離回收單元后，利用過濾器將尾氣中夾帶的固體顆粒進行脫除處理，再送入VOC膜分離器。此時，尾氣通過VOC膜時，將被分成2股物流，一部分物流是富集烴類，會返回原裝置的排放氣緩沖罐中，另一部物流則是被送入氫氣膜分離器。氫氣膜也會將通過的氣體分成2股物流，其中低壓火炬接收富含氫氣的物流，透平膨脹深冷分離回收單元則是接收貧氫物流。其次，同時，在近期裝置停車檢修過程中，則是利用該裝置“窗口檢修”這一契機，對該裝置運行過程中出現(xiàn)故障的原因、設(shè)計不足及缺陷等進行綜合分析，在掌握該裝置實際情況情況的前提下，提出針對性優(yōu)化該設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)的方案，目的是進一步提升設(shè)備性能，并滿足該裝置現(xiàn)行生產(chǎn)需求，使其工作能力得到整體性提升。在檢修過程中，發(fā)現(xiàn)壓縮機入口堵塞了大量的聚丙烯粉，鐘罩內(nèi)外防腐層也存在明顯的脫落以及泄漏點等情況，增加安全隱患發(fā)生概率的同時，也會導(dǎo)致丙烯原料損失不斷增多。

最后，以提升設(shè)備性能、擴大尾氣緩沖空間為切入點，對該裝置實施針對性改造，同時優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)與原有設(shè)計參數(shù)，目的是使尾氣可以不通過氣柜直接送入壓縮機進行回收再利用。在原有設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上增設(shè)一個尾氣緩沖罐，并調(diào)整壓縮機進口壓力，以保證進口壓力穩(wěn)定性，使尾氣中聚丙烯粉末的沉降空間得到有效增大，解決壓縮機入口堵塞大量聚丙烯粉末的問題。改造實施流程如下。

（1）將壓力變送器增設(shè)于壓縮機入口緩沖罐處，使用電動閥組開關(guān)與緩沖罐壓力聯(lián)鎖替代氣柜入口電動閥組開關(guān)與氣柜高度的聯(lián)鎖保護。（2）將定壓調(diào)節(jié)閥合理設(shè)置在壓縮機入口緩沖罐前部位，目的是將壓縮機出口部分尾氣能夠以循環(huán)的方式進入壓縮機入口緩沖罐。（3）將壓縮機入口壓力設(shè)置為高低限聯(lián)鎖，緩沖罐運行壓力設(shè)置為0.004～0.007MPa，打開排氣柜閥、關(guān)閉火炬閥、循環(huán)調(diào)節(jié)閥。

3.2 聚丙烯裝置改造后的運行效果

首先，要遵循以下幾項運行及操作原則，目的是避免改造后的聚丙烯裝置尾氣回收系統(tǒng)出現(xiàn)運行不穩(wěn)定等情況，原則如下。

（1）尾氣壓縮機設(shè)置為單機運行狀態(tài)，維持壓縮機1開1備的狀態(tài)。將罐區(qū)尾氣壓縮機入口壓力設(shè)置為穩(wěn)壓。實施改造后，會使壓縮機入口工況產(chǎn)生一定變化，進而要在壓縮機入口設(shè)置高、低壓聯(lián)鎖保護開關(guān)，確保尾氣壓縮機設(shè)備運行安全性。（2）控制聚丙烯裝置尾氣排放。因尾氣壓縮機入口壓力受到尾氣排放影響后，可能會出現(xiàn)入口壓力不穩(wěn)定的情況，致使壓縮機聯(lián)鎖停機問題發(fā)生，不僅會造成相關(guān)部件發(fā)生損壞，也會提升對火炬的控制難度；加強該裝置尾氣排放控制尤為關(guān)鍵。（3）聚丙烯裝置實施改造后，相較于改造前，無論是壓縮機切換操作還是尾氣壓縮機聯(lián)鎖后的恢復(fù)操作等，均得到明顯改善，同時結(jié)合該裝置現(xiàn)場實際運行情況和記錄各項運行參數(shù)，進一步優(yōu)化聚丙烯裝置的設(shè)計參數(shù)，以保證尾氣壓縮機入口壓力、各級出口壓力等均能夠被控制在規(guī)定指標(biāo)范圍內(nèi)，實現(xiàn)更加平穩(wěn)地運行。

從現(xiàn)場回裝處理后啟動情況來看，聚丙烯裝置運行無異常狀態(tài)。電流160A（額定電流為180A），流量480kg/h，出口壓力達到0.38～0.4MPa。在改造設(shè)計過程中，提出通過開回流線達到降低壓縮機做功的目的，使電流降至130A，流量390kg/h，PV-501閥關(guān)閉，以此將尾氣全部回收。經(jīng)過統(tǒng)計后，聚丙烯裝置中液環(huán)壓縮機實施改造后，使尾氣排放量有效減少了90kg/h。聚丙烯裝置改造后效益統(tǒng)計參考表1。

表1 聚丙烯裝置改造后效益統(tǒng)計

結(jié)合表1統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，聚丙烯裝置改造實施后，不僅使聚丙烯裝置尾氣中丙烯的回收再利用率得到進一步提高，丙烯原料費用支出也大幅度減少，幫助企業(yè)有效節(jié)約生產(chǎn)成本的同時，也解決了因裝置尾氣排入火炬系統(tǒng)燃燒時所造成的大氣環(huán)境污染問題。

4 結(jié)語

為解決聚丙烯裝置運行過程中出現(xiàn)尾氣進入低壓排放系統(tǒng)、丙烯原料消耗量大等問題，本文提出在原有聚丙烯裝置尾氣回收利用技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對該裝置實施針對性改造，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)，以提升設(shè)備性能，提高聚丙烯裝置尾氣中丙烯的回收再利用率，極大地節(jié)約了原料成本，同時，也降低了因裝置尾氣排入火炬系統(tǒng)燃燒所造成的大氣環(huán)境污染。