聚乙烯裝置尾氣回收方案的研究

王 瑾

（新疆寰球工程公司， 新疆 獨山子 833699）

聚乙烯裝置尾氣回收方案的研究

王 瑾

（新疆寰球工程公司， 新疆 獨山子 833699）

針對聚乙烯裝置含烴類尾氣排至火炬燃燒造成環境污染及經濟損失問題，通過尾氣回收技術諸多方案的對比，確定采用雙膨脹自深冷分離工藝技術，對聚乙烯裝置尾氣進行回收利用。結果表明：項目實施后，排火炬尾氣中99%以上的烴類得到回收利用，其中回收乙烯、異丁烷、異戊烷78%，回收氮氣85%，聚乙烯裝置平均能耗下降了0.8 kg標油/t PE。不僅減少了資源浪費，并且降低了裝置能耗，保護了大氣環境。

聚乙烯；尾氣；回收

Abstract:Aimed at the problem of environmental pollution and economic loss caused by the torch combustion of hydrocarbon-containing exhaust from the polyethylene unit, many technical schemes for recycling the exhaust were compared, and the double expansion cryogenic separation process technology was determined to recycle the exhaust.The result showed that more than 99% hydrocarbons of the exhaust to torch was recycled after the project was implemented, which could recycle 78% ethylene, isobutene and isopentane and 85% nitrogen. The average energy consumption of polyethylene unit per year decreased by 0.8 kg standard oil/t PE.

Key words:Polythene unit ; Exhaust; Recycle

乙烯廠排放氣主要來源于原料加工過程中產生的氣體，這些排放氣富含大量的C2、C4烴類組分，持續的排往火炬燃燒，造成了嚴重的資源浪費，若能回收其中的C2、C4及C4以上烴類組分作為生產乙烯的原料，將會產生顯著的經濟效益和社會效益。隨著石油資源的日益緊張和環保法規的日趨嚴格，世界煉化工業正面臨著嚴重挑戰，因此，乙烯廠尾氣的合理利用受到高度重視，并逐漸成為煉化企業實現資源有效利用的重要手段。

1 項目概況

某乙烯廠兩套全密度聚乙烯生產裝置脫氣倉排放氣均采用壓縮冷凝的回收工藝；高密度聚乙烯裝置低壓閃蒸罐排放氣采用了壓縮冷卻+膜回收的回收工藝， 雖然這兩套裝置排放氣都采取了有效的回收措施，但是都還存在不同程度的含烴類尾氣的排放。目前，全密度聚乙烯裝置排放尾氣量約23 021 t/a；高密度聚乙烯裝置排放尾氣量約5 552 t/a，這些排放氣持續排往火炬造成2 386.2萬元/a的經濟損失。不但造成了資源浪費，同時產生大量的溫室氣體，對周邊環境造成較大污染。隨著國家環保要求的日益嚴格，擬對乙烯廠兩套聚乙烯裝置的排放尾氣回收利用。主要回收尾氣中的 C4及 C4以上組分、C2（乙烯和乙烷）及氮氣，將現有排火炬氣體中80%以上的烴類回收利用，大幅度降低裝置消耗，節約能源。

本項目由全密度聚乙烯裝置一線排放尾氣回收、二線排放尾氣回收、高密度聚乙烯裝置排放尾氣回收三個部分組成。擬回收的排火炬氣主要有五股，分別為全密一線高壓凝液罐排火炬氣、全密二線高壓凝液罐排火炬氣、高密度聚乙烯裝置膜回收單元二級膜后排火炬氣、高密度聚乙烯裝置中間體膜回收排火炬氣、高密度聚乙烯裝置異丁烷脫輕塔頂排火炬氣，其工藝尾氣數據見表1、表2。

2 尾氣回收技術

近年來，在氣體回收技術方面比較成熟的有壓縮冷凝技術、膜分離技術、變壓吸附技術、油回收、精餾技術和雙膨脹自深冷分離技術。

表1 全密度聚乙烯裝置尾氣來源一覽表Table 1 Exhaust source of full-density polyethylene unit

表2 高密度聚乙烯裝置尾氣來源一覽表Table 2 Exhaust source of high-density polyethylene unit

2.1 壓縮冷凝技術

壓縮冷凝技術[1]特點：是利用壓縮機單元將尾氣升壓后，烴類組分的分壓升高，在高分壓的情況下烴類組分的冷凝溫度升高，將升壓后的尾氣冷卻到合適的溫度，則尾氣中的烴類組分液化與不凝氣分離，從而將尾氣中的烴類組分回收。該技術缺點是：（1）由于乙烯等輕組分在尾氣中的濃度相對較小，常溫或中溫區飽和蒸汽壓較高，如果將乙烯等輕組分有效回收，則需要將尾氣增壓至很高的壓力，或者冷卻至很低的溫度（-120 ℃），所以設備投資和能耗高；（2）回收乙烯等輕組分的經濟性較差。優點是：（1）適合C4以上組分的回收；（2）流程簡單、工藝技術可靠。

2.2 膜分離技術

氣體滲透膜的原理是氣體分子與膜接觸，接著在膜表面溶解，在膜兩側表面產生濃度梯度，使氣體分子在膜內向膜另一側擴散，最后從膜另一側表面解析。

膜分離技術[2]中回收烴類組分采用的是VOC烴膜，技術特點是：利用VOC膜對烴類組分的選擇性透過原理，不同組分在一定壓差下在膜中的通透率不一樣，烴類組分優先透過膜，在膜滲透側富集，從而達到初步分離的目的。單次透過膜的分離效率較低，不能實現烴類組分與氮氣等輕組分的完全分離，滲透氣需要在系統中循環，多次透過膜，不斷富集才能實現烴類組分的分離。由于滲透氣壓力較低，再次通過膜前需要將滲透氣增壓，滲透氣要經過多次的增壓后減壓的過程，因此該技術缺點是：（1）分離過程的能耗較高；（2）對乙烯等輕烴類的回收比較困難。優點是：（1）烴膜對C4、C6相對C2、N2的透過率較高，可實現C4、C6的有效回收；（2）流程較簡單、工藝技術可靠。

2.3 變壓吸附技術

變壓吸附技術[3](Pressure Swing Absorption)簡稱PSA，是近30多年來發展起來的一項新型氣體分離與凈化技術。這項技術被廣泛應用于石油化工、冶金、輕工及環保等領域。

變壓吸附技術特點：是利用吸附劑對不同組分的吸附能力不同以達到混合氣體分離、解吸的目的，而且一般不適合尾氣中含有重組分（低聚物）的狀況。裝置中PSA的吸附過程主要為物理吸附，吸附過程快，并且吸附可逆。該技術缺點是：（1）變壓吸附設備轉動部件多，設備維護工作量大；（2）設備投資大。優點是：（1）運行費用低；（2）產品純度高；（3）原料氣源適應范圍寬；（4）處理量較大。

2.4 油吸收、精餾技術

油吸收、精餾技術[4]特點：油吸收技術一般與精餾結合使用，可以利用吸收劑將尾氣中的乙烯吸收至溶劑中，然后利用不同組分的揮發度不同經過精餾塔將吸收劑及乙烯等被吸收組分分離。該技術缺點是：（1）工藝流程復雜；（2）能耗相對較高；（3）投資大。優點是：（1）能夠實現烴類組分的高效回收；（2）能得到純度較高的產品。

2.5 雙膨脹自深冷分離技術

雙膨脹自深冷分離技術[5]特點是：利用排放氣體原有排火炬氣的壓力能，將尾氣經過膨脹機膨脹制冷，利用膨脹產生的冷量與物料自身換熱，可以將原料尾氣溫度降至-100～-120 ℃，此溫度及壓力條件下，乙烯等烴類組分全部液化，與氮氣等不凝氣分離，從而實現乙烯等的回收。該技術缺點是：（1）深冷分離技術分離級較小，回收產品純度不高。優點是：（1）深冷回收技術能量利用效率高，回收溫度低（-100～-120 ℃），特別適合輕組分（乙烯、乙烷）的回收；（2）流程較簡單；（3）工藝技術可靠。

以上技術的回收率均能達到90%以上，雙膨脹自深冷分離技術 C2組分回收率平均可達到 84%以上，C4以上組分回收率可達到99%以上，對C4以上組分回收得更徹底，對C2組分也能達到較高的回收率；隨著市場競爭進一步加劇，各企業對如何降低聚乙烯裝置的單耗日益重視，而無動力深冷分離技術正好適應這一需求，裝置單耗平均可降低7.5 kg標油/tPE；該技術相對于變壓吸附和膜分離技術具有回收率更高，設備占地和投資小的特點，且沒有能量消耗，運行費用較低，投資回收期8～9個月，經濟效益十分可觀。故本項目擬采用雙膨脹自深冷分離技術，又稱無動力深冷分離工藝技術。

3 尾氣回收方案比選

本項目的排放尾氣有三種回收路線，方案A是將各裝置所有尾氣合并設置一套深冷分離系統；方案B是為各聚乙烯裝置設置單獨深冷分離系統；方案C是將全密度聚乙烯裝置一線、二線排放尾氣合并設置一套深冷分離系統，高密度聚乙烯裝置單獨設置一套深冷分離系統。

3.1 排放尾氣回收方案A

圖1 回收尾氣工藝流程簡圖Fig.1 Recycling exhaust process flow diagram

流程見示意圖 1，全密一線高壓凝液罐排火炬氣、全密二線高壓凝液罐排火炬氣及高密度聚乙烯裝置膜回收單元二級膜后排火炬氣合并進入尾氣緩沖罐，尾氣緩沖罐頂部出來的氣體進入深冷分離系統；高密度聚乙烯裝置異丁烷脫輕塔頂排火炬氣與高密度聚乙烯中間體膜回收單元排火炬氣體由于其中氮氣含量很少，可直接減壓后送裂解裝置。方案A優點：（1）投資最省；（2）運行費用最低；（3）節約占地。缺點：（1）如果某個裝置停車會造成尾氣量的大幅波動，有可能造成深冷分離系統不在最佳操作點，影響回收效果；（2）操作靈活性不高，回收的烴產品只能回裂解進行分離，異丁烷、異戊烷、乙烯等價值不能充分體現；（3）管線跨度較長，操作不便；（4）經濟效益較方案 B、C低；（5）不能單獨回收氮氣。

3.2 排放尾氣回收方案B

全密度聚乙烯裝置一線排放尾氣回收流程見示意圖 2，從高壓凝液罐頂部出來的不凝氣進入深冷分離系統，深冷分離回收系統出來的重烴產品返回壓縮機入口緩沖罐進行回收，C2烴加熱后送上游乙烯裂解裝置回收，尾氣排火炬。

圖2 全密一線回收尾氣工藝流程簡圖Fig.2 Full-density polyethylene first-line recycling exhaust process flow diagram

全密度聚乙烯裝置二線排放尾氣回收流程見示意圖3，從高壓凝液罐頂部出來的不凝氣進入深冷分離系統，深冷分離回收系統出來的重烴產品返回壓縮機入口緩沖罐進行回收，C2烴加熱后送上游乙烯裂解裝置回收，回收的氮氣可循環回脫氣倉使用。

圖3 全密二線回收尾氣工藝流程簡圖Fig.3 Full-density polyethylene secondary recycling exhaust process flow diagram

高密度聚乙烯裝置尾氣回收流程見示意圖 4，高密度聚乙烯裝置火炬氣主要有三股來源，分別為：膜回收單元二級膜后排火炬氣、異丁烷脫輕塔頂排火炬氣及中間體膜回收單元排火炬氣。中間體膜回收單元排火炬氣僅在生產雙峰聚乙烯時有流量，生產單峰產品時沒有流量。來自異丁烷脫輕塔頂的氣體（77 ℃），經過一個水冷器后進行氣液分離，液相送至壓縮機冷凝液分離罐出口，氣相與其余兩股排火炬氣匯合作為深冷分離系統原料進氣（中間體膜回收單元排火炬氣體中異丁烷含量較高，為了更多的回收其中的異丁烷，新增一組膜將其中的部分異丁烷從滲透側分離出來返回壓縮機一段分離罐），三股尾氣一起進入深冷分離系統，分別冷卻至不同的溫度進行氣液分離，分離后從深冷分離系統分別送出 C2烴返回裂解裝置回收、C4烴返回壓縮機入口回收，尾氣排火炬。

圖4 高密回收尾氣工藝流程簡圖Fig.4 High-density polyethylene recycling exhaust process flow diagram

各聚乙烯裝置設置單獨深冷分離系統，即全密度聚乙烯裝置一、二線排放尾氣和高密度聚乙烯裝置排放尾氣分別設置深冷分離系統。優點：（1）操作靈活，回收的異丁烷、戊烷、乙烯等可以直接回裝置回收再利用；（2）新增設備在各自裝置內便于操作維護，管道閥門就近布置，操作方便；（3）經濟效益好；（4）全密二線能單獨回收氮氣。缺點：（1）投資較大；（2）運行費用較高；（3）公用工程消耗偏高。

3.3 排放尾氣回收方案C

方案C全密一線、二線尾氣回收流程示意圖見圖5。

圖5 全密一、二線合并回收尾氣工藝流程簡圖Fig.5 Full-density polyethylene first- line and second-line merger recycling exhaust process flow diagram

全密一、二線高壓凝液罐排火炬氣合并后進入尾氣緩沖罐，尾氣緩沖罐頂部出來的氣體進入深冷分離系統，深冷回收后的烴類產品送至乙烯裂解裝置，剩余含少量烴類尾氣排放至火炬。高密度聚乙烯裝置尾氣回收流程示意圖與圖4同。優點：（1）投資較方案B省；（2）運行費用較低；（3）節約占地；（4）管理操作較方便。缺點：（1）將全密度兩個裝置尾氣合并在一起回收，雖然兩套裝置生產工藝相同，但由于生產牌號不同造成尾氣組成也不同，氫氣含量不一致，合并在一起回收，物料混在一起，回收的異戊烷不能回本裝置利用，需要與乙烯一起送至裂解裝置進一步分離，會增加乙烯裝置能耗；（2）經濟效益較方案B低；（3）不能單獨回收氮氣。

3.4 方案的公用工程耗量、投資、產品數量對比

3.4.1 公用工程耗量對比

三個方案的公用工程耗量對比見表3。

表3 公用工程消耗對比表Table 3 Utilities consumption comparison table

3.4.2 投資對比

三個方案的幾類專項投資對比見表4。

表4 專項投資對比表Table 4 Special investment comparison table

3.4.3 產品數量對比

三個方案的產品數量對比見表5。

表5 產品數量對比表Table 5 Product quantity comparison table

由上面三個表可見，方案B具有操作靈活的特點，回收的異丁烷、異戊烷等可以直接回裝置再利用。方案B新增設備在各自裝置內便于操作維護，管道閥門就近布置，操作方便，雖然投資、運行費用較高，但是經濟效益更好，故推薦方案B。

4 結 論

本項目為節能減排項目，通過采用各聚乙烯裝置設置單獨深冷分離系統回收尾氣路線，采用雙膨脹自深冷分離工藝技術，對聚乙烯裝置尾氣進行回收利用。實現了聚乙烯裝置排火炬氣體中80%以上的烴類回收利用，大幅度降低資源浪費，減少了CO2排放，保護了大氣環境。具有可觀的經濟效益、社會效益和環境效益。

［1］尹偉令，姚惠云.火炬氣壓縮冷凝回收裝置的設計［J］.齊魯石油化工，1999,27（1）∶13-16.

［2］于海江，蘇志遠.氣體膜分離技術的應用［J］．油氣田環境保護，2005，15（1）：34-37．

［3］辛聞，陳玉龍.變壓吸附技術在聚乙烯裝置尾氣回收項目上的應用［J］.石化技術與應用，2012，30（4）：332-335．

［4］張敬什.淺冷油吸收工藝回收煉油廠飽和干氣的模擬［J］.石油化工，2014,43（9）∶1069-1075.

［5］張東華，湯穎，郭亞冰，范崢．輕烴回收不同制冷工藝的技術分析［J］．石油化工應用，2014,33（5）：80-85．

Study on Recycling Scheme of Exhaust From Polyethylene Unit

WANG Jin

（HQC(Xinjiang) Company, Xinjiang Dushanzi 833699, China）

TQ 325

A

1671-0460（2017）09-1919-04

2017-06-15

王瑾（1967-），女，甘肅武威人，工程師，1990年畢業于河北工學院石油加工專業，研究方向：從事石油及化工設計工作。E-mail：xjwangjin@hqcec.com。