試析聚丙烯裝置尾氣回收利用技術

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研與分析，由于該裝置處于長時間的運行狀態，加上檢修維護工作不及時，使設備部件長期存在化學腐蝕等現象，磨損問題愈加嚴重化，極大地降低了該裝置的工作性能，同時也是導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境的風險。如何改造聚丙烯裝置，提升設備性能，解決該裝置目前運行過程中存在的問題，是各相關人員需要考慮的問題。

1 聚丙烯生產過程

聚丙烯是一種具有多功能性、需求量較大且應用領域廣泛特點的重要化工品，由聚丙烯裝置所產生的產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，可生產出管材、纖維等終端產品。其中氣相法、溶液法、漿液法等其他組合工藝是現階段較為常見的聚丙烯生產工藝；循環氣壓縮機、聚合反應器、循環氣冷卻器等是構成聚丙烯裝置的核心設備，并由原料（丙烯、乙烯、氫氣）、氮氣供給、精制單元、聚合反應單元、尾氣回收單元等多個單元共同組成聚丙烯整套生產工藝流程，可以根據市場需求生產具有不同性能特點的多種類型產品。雖然聚丙烯生產工藝種類繁多，但具體技術操作流程相差不多。

2 聚丙烯裝置尾氣回收利用技術分析

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的丙烯氣進行回收再利用，規避大氣環境污染的同時，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，導致不凝氣中仍有丙烯單體存在，若將其送入火炬系統，不僅會造成極大地資源浪費，也會伴隨大氣環境污染問題。基于此，需要選擇合適的回收利用技術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境的污染，進而實現節能降耗目標。

2.1 分離技術基本原理

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，是現階段較為常用的回收利用技術，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。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燃燒而造成大氣環境污染，也極大地浪費了資源，導致企業生產成本增加。

2.1.1 膜分離技術

在分離回收丙烯等其他烴類時，主要應用膜分離技術，則是利用該項技術溶解-擴散的原理，使分子向化學勢降低的方向運動，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氣體相互分離。

因膜的材質不同，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也會隨之增加，大分子組分具有滲透速率快、膜內溶解度大的特點。利用VOC膜分離混合氣體時，主要是利用該類膜材質優先處理滲透系數較高氣體的特性，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。

相較傳統尾氣回收利用技術，膜分離技術具有操作便捷、設備簡單等優點，將其應用于聚丙烯裝置中，當排放的尾氣組成與處理量出現較大波動情況時，也能保證該項技術應用效果的穩定性；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，排入火炬系統燃燒，不僅會造成大氣環境污染，也會使企業額外生產成本增加。

2.1.2 透平膨脹深冷分離技術

深冷分離技術實際應用過程中，將氣體或氣體混合物作為介質，在介質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，該過程不會再有額外的冷量與動力產生。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，實現尾氣溫度降低并使尾氣中的烴類組分呈現液化狀態，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。

技術操作流程簡單、能量利用率較高等是該項技術明顯的應用優勢，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險。

3 基于上述技術應用的聚丙烯裝置改造思路

以某化工廠聚丙烯裝置為例，該裝置液環壓縮機的設計能力為350kg/h，入口與出口壓力分別為0.02MPa、0.38MPa；正式投入使用后，在生產某類產品時，發現汽蒸罐的壓力控制閥有10%左右的開度，導致低壓排放系統進入部分尾氣，使尾氣中含有丙烯未得到充分回收，造成嚴重資源浪費。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。從該裝置運行數據來看，近年來，設備性能逐漸降低，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中，50kg/h的尾氣中丙烯含量高達90%，導致丙烯材料被嚴重浪費，同時也是造成該廠生產時帶來大氣環境污染的主要因素。

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的基礎上，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故障的原因、設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，提出針對性優化該設備結構和設計參數的方案，目的是進一步提升設備性能，并滿足該裝置現行生產需求，使其工作能力得到整體性提升。在檢修過程中，發現壓縮機入口堵塞了大量的聚丙烯粉，鐘罩內外防腐層也存在明顯的脫落以及泄漏點等情況，增加安全隱患發生概率的同時，也會導致丙烯原料損失不斷增多。

最后，以提升設備性能、擴大尾氣緩沖空間為切入點，對該裝置實施針對性改造，同時優化設備結構與原有設計參數，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。在原有設備結構設計的基礎上增設一個尾氣緩沖罐，并調整壓縮機進口壓力，以保證進口壓力穩定性，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）將壓力變送器增設于壓縮機入口緩沖罐處，使用電動閥組開關與緩沖罐壓力聯鎖替代氣柜入口電動閥組開關與氣柜高度的聯鎖保護。（2）將定壓調節閥合理設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的方式進入壓縮機入口緩沖罐。（3）將壓縮機入口壓力設置為高低限聯鎖，緩沖罐運行壓力設置為0.004～0.007MPa，打開排氣柜閥、關閉火炬閥、循環調節閥。

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出現運行不穩定等情況，原則如下。

（1）尾氣壓縮機設置為單機運行狀態，維持壓縮機1開1備的狀態。將罐區尾氣壓縮機入口壓力設置為穩壓。實施改造后，會使壓縮機入口工況產生一定變化，進而要在壓縮機入口設置高、低壓聯鎖保護開關，確保尾氣壓縮機設備運行安全性。（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，可能會出現入口壓力不穩定的情況，致使壓縮機聯鎖停機問題發生，不僅會造成相關部件發生損壞，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鎖后的恢復操作等，均得到明顯改善，同時結合該裝置現場實際運行情況和記錄各項運行參數，進一步優化聚丙烯裝置的設計參數，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定指標范圍內，實現更加平穩地運行。

從現場回裝處理后啟動情況來看，聚丙烯裝置運行無異常狀態。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閥關閉，以此將尾氣全部回收。經過統計后，聚丙烯裝置中液環壓縮機實施改造后，使尾氣排放量有效減少了90kg/h。聚丙烯裝置改造后效益統計參考表1。

表1 聚丙烯裝置改造后效益統計

結合表1統計的數據，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，幫助企業有效節約生產成本的同時，也解決了因裝置尾氣排入火炬系統燃燒時所造成的大氣環境污染問題。

4 結語

為解決聚丙烯裝置運行過程中出現尾氣進入低壓排放系統、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應用的基礎上，對該裝置實施針對性改造，優化設備結構及設計參數，以提升設備性能，提高聚丙烯裝置尾氣中丙烯的回收再利用率，極大地節約了原料成本，同時，也降低了因裝置尾氣排入火炬系統燃燒所造成的大氣環境污染。