试析聚丙烯装置尾气回收利用技术

于万鹏

（大庆石化公司化工三厂，黑龙江 大庆 163711）

通过对聚丙烯装置尾气回收利用情况的调研与分析，由于该装置处于长时间的运行状态，加上检修维护工作不及时，使设备部件长期存在化学腐蚀等现象，磨损问题愈加严重化，极大地降低了该装置的工作性能，同时也是导致尾气中丙烯回收率低，丙烯原料使用量增加的主要因素，某种程度上也面临着污染大气环境的风险。如何改造聚丙烯装置，提升设备性能，解决该装置目前运行过程中存在的问题，是各相关人员需要考虑的问题。

1 聚丙烯生产过程

聚丙烯是一种具有多功能性、需求量较大且应用领域广泛特点的重要化工品，由聚丙烯装置所产生的产品均以粒料的形式包装后销售，运用不同的方法对其进行二次或多次加工，可生产出管材、纤维等终端产品。其中气相法、溶液法、浆液法等其他组合工艺是现阶段较为常见的聚丙烯生产工艺；循环气压缩机、聚合反应器、循环气冷却器等是构成聚丙烯装置的核心设备，并由原料（丙烯、乙烯、氢气）、氮气供给、精制单元、聚合反应单元、尾气回收单元等多个单元共同组成聚丙烯整套生产工艺流程，可以根据市场需求生产具有不同性能特点的多种类型产品。虽然聚丙烯生产工艺种类繁多，但具体技术操作流程相差不多。

2 聚丙烯装置尾气回收利用技术分析

一般情况下，是通过与聚丙烯装置配套的尾气回收装置对未反应的丙烯气进行回收再利用，规避大气环境污染的同时，又能保证丙烯利用率。针对聚丙烯装置尾气回收处理，先对富含丙烯、氮气的脱仓气进行预处理，再采用压缩、冷凝工艺将大部分液相丙烯单体从气液分离器中获取，进而完成对尾气中丙烯的回收再利用。因脱仓气中也含有一定量的氮气，受到气液平衡条件制约，导致不凝气中仍有丙烯单体存在，若将其送入火炬系统，不仅会造成极大地资源浪费，也会伴随大气环境污染问题。基于此，需要选择合适的回收利用技术对这一部分丙烯单体进行回收，以提高丙烯利用率，减少聚丙烯装置运行过程中尾气排放对大气环境的污染，进而实现节能降耗目标。

2.1 分离技术基本原理

以压缩冷凝工艺对聚丙烯装置排放尾气中含有的丙烯进行回收，是现阶段较为常用的回收利用技术，丙烯回收率最高未超过50%，剩余部分的丙烯则是被送入火炬系统。丙烯等高价值烃类未得到完全的回收利用是该工艺明显的弊端，不仅会因聚丙烯装置尾气排入火炬系统燃烧而造成大气环境污染，也极大地浪费了资源，导致企业生产成本增加。

2.1.1 膜分离技术

在分离回收丙烯等其他烃类时，主要应用膜分离技术，则是利用该项技术溶解-扩散的原理，使分子向化学势降低的方向运动，并在膜的外表面层上停留和溶解，再沿着浓度梯度进行扩散和传递，在膜的另一侧完成解吸，由于混合气体中的组分不同，混合气体在膜通过时，即可利用不同的渗透速率实现气体相互分离。

因膜的材质不同，使气体分离过程中对其控制要求也有着一定的差异。例如，混合气体通过玻璃态聚合物膜进行分离时，要选择性控制扩散分子；混合气体通过橡胶态聚合物膜进行分离时，则是要选择性控制溶解分子，组分沸点升高时，气体在膜中的溶解度系数也会随之增加，大分子组分具有渗透速率快、膜内溶解度大的特点。利用VOC膜分离混合气体时，主要是利用该类膜材质优先处理渗透系数较高气体的特性，在压差推动作用下，使混合气体在通过膜时，让丙烯优先透过并进行富集回收处理，其中未透过的烃类则是选择性截留。

相较传统尾气回收利用技术，膜分离技术具有操作便捷、设备简单等优点，将其应用于聚丙烯装置中，当排放的尾气组成与处理量出现较大波动情况时，也能保证该项技术应用效果的稳定性；但由于膜分离气体分子的选择性特点，使分离处理的尾气中仍含有大量的丙烯，排入火炬系统燃烧，不仅会造成大气环境污染，也会使企业额外生产成本增加。

2.1.2 透平膨胀深冷分离技术

深冷分离技术实际应用过程中，将气体或气体混合物作为介质，在介质自身压力膨胀的作用下完成制冷，再借助换热器对低温冷量进行反流回收或使气体达到冷凝状态，该过程不会再有额外的冷量与动力产生。对聚丙烯装置尾气中各组分不同的沸点进行利用，同时经过低温液化分离处理，尾气在自身压力通过对外做功、墒膨胀等方法，实现尾气温度降低并使尾气中的烃类组分呈现液化状态，此时，即可利用高效气液分离器对液相烃类与氮气等进行分离。

技术操作流程简单、能量利用率较高等是该项技术明显的应用优势，但在实际操作过程中，由于对气量与组分的变化具有较高的敏感性，进而使氢气无法从氮气中有效脱除，若回收氮气，必然会增加一定的安全风险。

3 基于上述技术应用的聚丙烯装置改造思路

以某化工厂聚丙烯装置为例，该装置液环压缩机的设计能力为350kg/h，入口与出口压力分别为0.02MPa、0.38MPa；正式投入使用后，在生产某类产品时，发现汽蒸罐的压力控制阀有10%左右的开度，导致低压排放系统进入部分尾气，使尾气中含有丙烯未得到充分回收，造成严重资源浪费。虽然针对该装置的检修与维护工作一直未间断，但并未起到提升其性能的作用。从该装置运行数据来看，近年来，设备性能逐渐降低，压力控制阀的开度达到30%左右，DCS流量计显示，尾气回收仅有300kg/h左右，其中50kg/h的尾气被送入火炬系统中，50kg/h的尾气中丙烯含量高达90%，导致丙烯材料被严重浪费，同时也是造成该厂生产时带来大气环境污染的主要因素。

3.1 聚丙烯装置改造方案实施流程

在聚丙烯装置原有尾气回收系统的基础上，新建两个回收单元，分别是膜分离回收单元与透平膨胀深冷分离单元。首先，聚丙烯装置运行过程中所排放的尾气进入膜分离回收单元后，利用过滤器将尾气中夹带的固体颗粒进行脱除处理，再送入VOC膜分离器。此时，尾气通过VOC膜时，将被分成2股物流，一部分物流是富集烃类，会返回原装置的排放气缓冲罐中，另一部物流则是被送入氢气膜分离器。氢气膜也会将通过的气体分成2股物流，其中低压火炬接收富含氢气的物流，透平膨胀深冷分离回收单元则是接收贫氢物流。其次，同时，在近期装置停车检修过程中，则是利用该装置“窗口检修”这一契机，对该装置运行过程中出现故障的原因、设计不足及缺陷等进行综合分析，在掌握该装置实际情况情况的前提下，提出针对性优化该设备结构和设计参数的方案，目的是进一步提升设备性能，并满足该装置现行生产需求，使其工作能力得到整体性提升。在检修过程中，发现压缩机入口堵塞了大量的聚丙烯粉，钟罩内外防腐层也存在明显的脱落以及泄漏点等情况，增加安全隐患发生概率的同时，也会导致丙烯原料损失不断增多。

最后，以提升设备性能、扩大尾气缓冲空间为切入点，对该装置实施针对性改造，同时优化设备结构与原有设计参数，目的是使尾气可以不通过气柜直接送入压缩机进行回收再利用。在原有设备结构设计的基础上增设一个尾气缓冲罐，并调整压缩机进口压力，以保证进口压力稳定性，使尾气中聚丙烯粉末的沉降空间得到有效增大，解决压缩机入口堵塞大量聚丙烯粉末的问题。改造实施流程如下。

（1）将压力变送器增设于压缩机入口缓冲罐处，使用电动阀组开关与缓冲罐压力联锁替代气柜入口电动阀组开关与气柜高度的联锁保护。（2）将定压调节阀合理设置在压缩机入口缓冲罐前部位，目的是将压缩机出口部分尾气能够以循环的方式进入压缩机入口缓冲罐。（3）将压缩机入口压力设置为高低限联锁，缓冲罐运行压力设置为0.004～0.007MPa，打开排气柜阀、关闭火炬阀、循环调节阀。

3.2 聚丙烯装置改造后的运行效果

首先，要遵循以下几项运行及操作原则，目的是避免改造后的聚丙烯装置尾气回收系统出现运行不稳定等情况，原则如下。

（1）尾气压缩机设置为单机运行状态，维持压缩机1开1备的状态。将罐区尾气压缩机入口压力设置为稳压。实施改造后，会使压缩机入口工况产生一定变化，进而要在压缩机入口设置高、低压联锁保护开关，确保尾气压缩机设备运行安全性。（2）控制聚丙烯装置尾气排放。因尾气压缩机入口压力受到尾气排放影响后，可能会出现入口压力不稳定的情况，致使压缩机联锁停机问题发生，不仅会造成相关部件发生损坏，也会提升对火炬的控制难度；加强该装置尾气排放控制尤为关键。（3）聚丙烯装置实施改造后，相较于改造前，无论是压缩机切换操作还是尾气压缩机联锁后的恢复操作等，均得到明显改善，同时结合该装置现场实际运行情况和记录各项运行参数，进一步优化聚丙烯装置的设计参数，以保证尾气压缩机入口压力、各级出口压力等均能够被控制在规定指标范围内，实现更加平稳地运行。

从现场回装处理后启动情况来看，聚丙烯装置运行无异常状态。电流160A（额定电流为180A），流量480kg/h，出口压力达到0.38～0.4MPa。在改造设计过程中，提出通过开回流线达到降低压缩机做功的目的，使电流降至130A，流量390kg/h，PV-501阀关闭，以此将尾气全部回收。经过统计后，聚丙烯装置中液环压缩机实施改造后，使尾气排放量有效减少了90kg/h。聚丙烯装置改造后效益统计参考表1。

表1 聚丙烯装置改造后效益统计

结合表1统计的数据，聚丙烯装置改造实施后，不仅使聚丙烯装置尾气中丙烯的回收再利用率得到进一步提高，丙烯原料费用支出也大幅度减少，帮助企业有效节约生产成本的同时，也解决了因装置尾气排入火炬系统燃烧时所造成的大气环境污染问题。

4 结语

为解决聚丙烯装置运行过程中出现尾气进入低压排放系统、丙烯原料消耗量大等问题，本文提出在原有聚丙烯装置尾气回收利用技术应用的基础上，对该装置实施针对性改造，优化设备结构及设计参数，以提升设备性能，提高聚丙烯装置尾气中丙烯的回收再利用率，极大地节约了原料成本，同时，也降低了因装置尾气排入火炬系统燃烧所造成的大气环境污染。