聚乙烯装置尾气回收方案的研究

王 瑾

（新疆寰球工程公司， 新疆 独山子 833699）

聚乙烯装置尾气回收方案的研究

王 瑾

（新疆寰球工程公司， 新疆 独山子 833699）

针对聚乙烯装置含烃类尾气排至火炬燃烧造成环境污染及经济损失问题，通过尾气回收技术诸多方案的对比，确定采用双膨胀自深冷分离工艺技术，对聚乙烯装置尾气进行回收利用。结果表明：项目实施后，排火炬尾气中99%以上的烃类得到回收利用，其中回收乙烯、异丁烷、异戊烷78%，回收氮气85%，聚乙烯装置平均能耗下降了0.8 kg标油/t PE。不仅减少了资源浪费，并且降低了装置能耗，保护了大气环境。

聚乙烯；尾气；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

乙烯厂排放气主要来源于原料加工过程中产生的气体，这些排放气富含大量的C2、C4烃类组分，持续的排往火炬燃烧，造成了严重的资源浪费，若能回收其中的C2、C4及C4以上烃类组分作为生产乙烯的原料，将会产生显著的经济效益和社会效益。随着石油资源的日益紧张和环保法规的日趋严格，世界炼化工业正面临着严重挑战，因此，乙烯厂尾气的合理利用受到高度重视，并逐渐成为炼化企业实现资源有效利用的重要手段。

1 项目概况

某乙烯厂两套全密度聚乙烯生产装置脱气仓排放气均采用压缩冷凝的回收工艺；高密度聚乙烯装置低压闪蒸罐排放气采用了压缩冷却+膜回收的回收工艺， 虽然这两套装置排放气都采取了有效的回收措施，但是都还存在不同程度的含烃类尾气的排放。目前，全密度聚乙烯装置排放尾气量约23 021 t/a；高密度聚乙烯装置排放尾气量约5 552 t/a，这些排放气持续排往火炬造成2 386.2万元/a的经济损失。不但造成了资源浪费，同时产生大量的温室气体，对周边环境造成较大污染。随着国家环保要求的日益严格，拟对乙烯厂两套聚乙烯装置的排放尾气回收利用。主要回收尾气中的 C4及 C4以上组分、C2（乙烯和乙烷）及氮气，将现有排火炬气体中80%以上的烃类回收利用，大幅度降低装置消耗，节约能源。

本项目由全密度聚乙烯装置一线排放尾气回收、二线排放尾气回收、高密度聚乙烯装置排放尾气回收三个部分组成。拟回收的排火炬气主要有五股，分别为全密一线高压凝液罐排火炬气、全密二线高压凝液罐排火炬气、高密度聚乙烯装置膜回收单元二级膜后排火炬气、高密度聚乙烯装置中间体膜回收排火炬气、高密度聚乙烯装置异丁烷脱轻塔顶排火炬气，其工艺尾气数据见表1、表2。

2 尾气回收技术

近年来，在气体回收技术方面比较成熟的有压缩冷凝技术、膜分离技术、变压吸附技术、油回收、精馏技术和双膨胀自深冷分离技术。

表1 全密度聚乙烯装置尾气来源一览表Table 1 Exhaust source of full-density polyethylene unit

表2 高密度聚乙烯装置尾气来源一览表Table 2 Exhaust source of high-density polyethylene unit

2.1 压缩冷凝技术

压缩冷凝技术[1]特点：是利用压缩机单元将尾气升压后，烃类组分的分压升高，在高分压的情况下烃类组分的冷凝温度升高，将升压后的尾气冷却到合适的温度，则尾气中的烃类组分液化与不凝气分离，从而将尾气中的烃类组分回收。该技术缺点是：（1）由于乙烯等轻组分在尾气中的浓度相对较小，常温或中温区饱和蒸汽压较高，如果将乙烯等轻组分有效回收，则需要将尾气增压至很高的压力，或者冷却至很低的温度（-120 ℃），所以设备投资和能耗高；（2）回收乙烯等轻组分的经济性较差。优点是：（1）适合C4以上组分的回收；（2）流程简单、工艺技术可靠。

2.2 膜分离技术

气体渗透膜的原理是气体分子与膜接触，接着在膜表面溶解，在膜两侧表面产生浓度梯度，使气体分子在膜内向膜另一侧扩散，最后从膜另一侧表面解析。

膜分离技术[2]中回收烃类组分采用的是VOC烃膜，技术特点是：利用VOC膜对烃类组分的选择性透过原理，不同组分在一定压差下在膜中的通透率不一样，烃类组分优先透过膜，在膜渗透侧富集，从而达到初步分离的目的。单次透过膜的分离效率较低，不能实现烃类组分与氮气等轻组分的完全分离，渗透气需要在系统中循环，多次透过膜，不断富集才能实现烃类组分的分离。由于渗透气压力较低，再次通过膜前需要将渗透气增压，渗透气要经过多次的增压后减压的过程，因此该技术缺点是：（1）分离过程的能耗较高；（2）对乙烯等轻烃类的回收比较困难。优点是：（1）烃膜对C4、C6相对C2、N2的透过率较高，可实现C4、C6的有效回收；（2）流程较简单、工艺技术可靠。

2.3 变压吸附技术

变压吸附技术[3](Pressure Swing Absorption)简称PSA，是近30多年来发展起来的一项新型气体分离与净化技术。这项技术被广泛应用于石油化工、冶金、轻工及环保等领域。

变压吸附技术特点：是利用吸附剂对不同组分的吸附能力不同以达到混合气体分离、解吸的目的，而且一般不适合尾气中含有重组分（低聚物）的状况。装置中PSA的吸附过程主要为物理吸附，吸附过程快，并且吸附可逆。该技术缺点是：（1）变压吸附设备转动部件多，设备维护工作量大；（2）设备投资大。优点是：（1）运行费用低；（2）产品纯度高；（3）原料气源适应范围宽；（4）处理量较大。

2.4 油吸收、精馏技术

油吸收、精馏技术[4]特点：油吸收技术一般与精馏结合使用，可以利用吸收剂将尾气中的乙烯吸收至溶剂中，然后利用不同组分的挥发度不同经过精馏塔将吸收剂及乙烯等被吸收组分分离。该技术缺点是：（1）工艺流程复杂；（2）能耗相对较高；（3）投资大。优点是：（1）能够实现烃类组分的高效回收；（2）能得到纯度较高的产品。

2.5 双膨胀自深冷分离技术

双膨胀自深冷分离技术[5]特点是：利用排放气体原有排火炬气的压力能，将尾气经过膨胀机膨胀制冷，利用膨胀产生的冷量与物料自身换热，可以将原料尾气温度降至-100～-120 ℃，此温度及压力条件下，乙烯等烃类组分全部液化，与氮气等不凝气分离，从而实现乙烯等的回收。该技术缺点是：（1）深冷分离技术分离级较小，回收产品纯度不高。优点是：（1）深冷回收技术能量利用效率高，回收温度低（-100～-120 ℃），特别适合轻组分（乙烯、乙烷）的回收；（2）流程较简单；（3）工艺技术可靠。

以上技术的回收率均能达到90%以上，双膨胀自深冷分离技术 C2组分回收率平均可达到 84%以上，C4以上组分回收率可达到99%以上，对C4以上组分回收得更彻底，对C2组分也能达到较高的回收率；随着市场竞争进一步加剧，各企业对如何降低聚乙烯装置的单耗日益重视，而无动力深冷分离技术正好适应这一需求，装置单耗平均可降低7.5 kg标油/tPE；该技术相对于变压吸附和膜分离技术具有回收率更高，设备占地和投资小的特点，且没有能量消耗，运行费用较低，投资回收期8～9个月，经济效益十分可观。故本项目拟采用双膨胀自深冷分离技术，又称无动力深冷分离工艺技术。

3 尾气回收方案比选

本项目的排放尾气有三种回收路线，方案A是将各装置所有尾气合并设置一套深冷分离系统；方案B是为各聚乙烯装置设置单独深冷分离系统；方案C是将全密度聚乙烯装置一线、二线排放尾气合并设置一套深冷分离系统，高密度聚乙烯装置单独设置一套深冷分离系统。

3.1 排放尾气回收方案A

图1 回收尾气工艺流程简图Fig.1 Recycling exhaust process flow diagram

流程见示意图 1，全密一线高压凝液罐排火炬气、全密二线高压凝液罐排火炬气及高密度聚乙烯装置膜回收单元二级膜后排火炬气合并进入尾气缓冲罐，尾气缓冲罐顶部出来的气体进入深冷分离系统；高密度聚乙烯装置异丁烷脱轻塔顶排火炬气与高密度聚乙烯中间体膜回收单元排火炬气体由于其中氮气含量很少，可直接减压后送裂解装置。方案A优点：（1）投资最省；（2）运行费用最低；（3）节约占地。缺点：（1）如果某个装置停车会造成尾气量的大幅波动，有可能造成深冷分离系统不在最佳操作点，影响回收效果；（2）操作灵活性不高，回收的烃产品只能回裂解进行分离，异丁烷、异戊烷、乙烯等价值不能充分体现；（3）管线跨度较长，操作不便；（4）经济效益较方案 B、C低；（5）不能单独回收氮气。

3.2 排放尾气回收方案B

全密度聚乙烯装置一线排放尾气回收流程见示意图 2，从高压凝液罐顶部出来的不凝气进入深冷分离系统，深冷分离回收系统出来的重烃产品返回压缩机入口缓冲罐进行回收，C2烃加热后送上游乙烯裂解装置回收，尾气排火炬。

图2 全密一线回收尾气工艺流程简图Fig.2 Full-density polyethylene first-line recycling exhaust process flow diagram

全密度聚乙烯装置二线排放尾气回收流程见示意图3，从高压凝液罐顶部出来的不凝气进入深冷分离系统，深冷分离回收系统出来的重烃产品返回压缩机入口缓冲罐进行回收，C2烃加热后送上游乙烯裂解装置回收，回收的氮气可循环回脱气仓使用。

图3 全密二线回收尾气工艺流程简图Fig.3 Full-density polyethylene secondary recycling exhaust process flow diagram

高密度聚乙烯装置尾气回收流程见示意图 4，高密度聚乙烯装置火炬气主要有三股来源，分别为：膜回收单元二级膜后排火炬气、异丁烷脱轻塔顶排火炬气及中间体膜回收单元排火炬气。中间体膜回收单元排火炬气仅在生产双峰聚乙烯时有流量，生产单峰产品时没有流量。来自异丁烷脱轻塔顶的气体（77 ℃），经过一个水冷器后进行气液分离，液相送至压缩机冷凝液分离罐出口，气相与其余两股排火炬气汇合作为深冷分离系统原料进气（中间体膜回收单元排火炬气体中异丁烷含量较高，为了更多的回收其中的异丁烷，新增一组膜将其中的部分异丁烷从渗透侧分离出来返回压缩机一段分离罐），三股尾气一起进入深冷分离系统，分别冷却至不同的温度进行气液分离，分离后从深冷分离系统分别送出 C2烃返回裂解装置回收、C4烃返回压缩机入口回收，尾气排火炬。

图4 高密回收尾气工艺流程简图Fig.4 High-density polyethylene recycling exhaust process flow diagram

各聚乙烯装置设置单独深冷分离系统，即全密度聚乙烯装置一、二线排放尾气和高密度聚乙烯装置排放尾气分别设置深冷分离系统。优点：（1）操作灵活，回收的异丁烷、戊烷、乙烯等可以直接回装置回收再利用；（2）新增设备在各自装置内便于操作维护，管道阀门就近布置，操作方便；（3）经济效益好；（4）全密二线能单独回收氮气。缺点：（1）投资较大；（2）运行费用较高；（3）公用工程消耗偏高。

3.3 排放尾气回收方案C

方案C全密一线、二线尾气回收流程示意图见图5。

图5 全密一、二线合并回收尾气工艺流程简图Fig.5 Full-density polyethylene first- line and second-line merger recycling exhaust process flow diagram

全密一、二线高压凝液罐排火炬气合并后进入尾气缓冲罐，尾气缓冲罐顶部出来的气体进入深冷分离系统，深冷回收后的烃类产品送至乙烯裂解装置，剩余含少量烃类尾气排放至火炬。高密度聚乙烯装置尾气回收流程示意图与图4同。优点：（1）投资较方案B省；（2）运行费用较低；（3）节约占地；（4）管理操作较方便。缺点：（1）将全密度两个装置尾气合并在一起回收，虽然两套装置生产工艺相同，但由于生产牌号不同造成尾气组成也不同，氢气含量不一致，合并在一起回收，物料混在一起，回收的异戊烷不能回本装置利用，需要与乙烯一起送至裂解装置进一步分离，会增加乙烯装置能耗；（2）经济效益较方案B低；（3）不能单独回收氮气。

3.4 方案的公用工程耗量、投资、产品数量对比

3.4.1 公用工程耗量对比

三个方案的公用工程耗量对比见表3。

表3 公用工程消耗对比表Table 3 Utilities consumption comparison table

3.4.2 投资对比

三个方案的几类专项投资对比见表4。

表4 专项投资对比表Table 4 Special investment comparison table

3.4.3 产品数量对比

三个方案的产品数量对比见表5。

表5 产品数量对比表Table 5 Product quantity comparison table

由上面三个表可见，方案B具有操作灵活的特点，回收的异丁烷、异戊烷等可以直接回装置再利用。方案B新增设备在各自装置内便于操作维护，管道阀门就近布置，操作方便，虽然投资、运行费用较高，但是经济效益更好，故推荐方案B。

4 结 论

本项目为节能减排项目，通过采用各聚乙烯装置设置单独深冷分离系统回收尾气路线，采用双膨胀自深冷分离工艺技术，对聚乙烯装置尾气进行回收利用。实现了聚乙烯装置排火炬气体中80%以上的烃类回收利用，大幅度降低资源浪费，减少了CO2排放，保护了大气环境。具有可观的经济效益、社会效益和环境效益。

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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，甘肃武威人，工程师，1990年毕业于河北工学院石油加工专业，研究方向：从事石油及化工设计工作。E-mail：xjwangjin@hqcec.com。