聚丙烯裝置清潔化生產的研究及改進措施

馮 偉

中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司 北京 100000

1 引言

中國石化燕山石化公司地處北京市房山區,是我國建廠最早、規模最大的現代石油化工聯合企業之一。聚丙烯樹脂是公司主打產品,合成樹脂廠共有三套聚丙烯裝置,其中第一聚丙烯裝置與第三聚丙烯裝置采用INNOVENE工藝,第二聚丙烯裝置采用三井油化的HYPOL工藝。三套裝置最早建于1994年,距今已有27年的歷史,存在部分設計不符合當今環保規范的情況,對環境造成了一定的影響。在我國“碳中和碳達峰”環保背景下,如何實現聚丙烯清潔化生產已經迫在眉睫。本文對三套聚丙烯裝置的實際生產過程進行研究,對裝置可燃氣壓縮機組及火炬系統產生的廢氣、擠壓造粒系統產生的顆粒廢水、添加劑系統產生的廢粉以及生產過程中的廢包裝物進行分析,提出了相應的改進措施,為聚丙烯裝置的清潔化生產提供參考。

2 裝置廢氣治理

2.1 裝置可燃氣壓縮機組產生的廢氣治理

2.1.1 裝置可燃氣壓縮機組產生的廢氣

裝置中的往復式壓縮機是容積式壓縮機的一種[1],用于給丙烯、乙烯等工藝氣體增壓,主要由氣缸、曲柄連桿機構、活塞組件、密封填料、氣閥及機身組成。其中,密封填料的主要作用是密封氣缸內座與活塞桿之間的間隙,阻止氣體沿活塞桿徑向向外泄露。當壓縮機組長時間運轉后,由于活塞桿和密封填料之間存在相對運動,氣缸中具有一定壓力的氣體必然會從密封填料中泄露出去,引起密封填料密封效果變差或者活塞桿磨損等問題,部分工藝氣體會通過壓縮機組密封填料泄露引至高處向大氣排放,不僅會造成安全隱患,而且也造成了環境污染。

2.1.2 采取的主要措施

針對壓縮機組部分工藝氣體通過密封填料泄露的問題,通過技術改造將漏氣經由回收管引回至壓縮機入口緩沖罐。部分無法完全回收的泄露氣會通過填料2后繼續泄露,將該部分泄露氣通過管線引入火炬管網,通過兩步回收將泄露氣實現密閉排放,避免造成環境污染。

2.2 火炬系統中的非甲烷烴及氮氣的回收利用

2.2.1 火炬系統概況

火炬系統在石油化工行業中比較常見[2,3],石油化工裝置在正常生產和事故狀態下均不可避免的要排放一定量的易燃易爆氣體,為了防止火災及爆炸事故的發生,這些可燃氣需要經過管網匯集后送至界外的火炬處進行燃燒處理。目前企業使用的火炬管網共接有3套連續法聚丙烯裝置,2套苯酚丙酮裝置、1套己烷裝置。聚丙烯尾氣的主要組成是非甲烷烴和氮氣,以往有兩種處理方式,一部分經壓縮機增壓后送往鍋爐作燃料使用,另一部分則輸送至火炬進行焚燒。由于聚丙烯尾氣的成分主要是氮氣,輕烴組分濃度較低,作為燃料使用熱值也較低,這導致其放火炬焚燒時,燃燒不充分,燃燒后伴有黑色尾煙,造成空氣污染。

2.2.2 可燃氣回收措施

本裝置利用變壓吸附原理,將三套聚丙烯裝置產生的尾氣在常壓下經過吸附罐吸附分離,將丙烯氣和氮氣分離后回收利用,

變壓吸附分離是氣體分離的一種常用方法[4,5],其基本原理是利用吸附劑與氣體混合物中不同化合物之間存在分子間力的差異,將穿過吸附塔的混合氣體中吸附力較強的化合物吸附下來,吸附力較弱的化合物則不被吸附而透過吸附劑塔層。

原料火炬氣進入裝置后,分5路進入5座同時處于吸附狀態的吸附塔(如圖1所示),在穿過吸附塔過程中,進料氣中的有機物被吸附劑吸附下來。然后用螺桿泵對吸附塔進行抽真空,隨著抽真空壓力的降低,吸附在吸附劑上的丙烯、己烷等有機物逐漸開始被脫附下來,螺桿泵出口排出的丙烯氣等脫附氣經冷卻后進入壓縮機入口緩沖罐。經C410壓縮機升壓后送入裂解裝置進行回收利用。

圖1 尾氣回收系統工藝流程圖

不易被吸附的惰性氣體(氮氣和氫氣)則穿過吸附劑塔層,從吸附塔出口側排出。經過分析后,發現混合氣體中氮氣純度達到95%,考慮到聚丙烯裝置中汽蒸干燥單元對氮氣濃度要求較低,因此新增C210壓縮機對該部分氣體升壓重新引入聚丙烯裝置氣蒸干燥單元循環利用,在節能降耗的同時減少了廢氣等的產生。

3 擠壓造粒系統的廢水治理

3.1 擠壓造粒系統流程

樹脂粉料、添加劑經由擠壓機料斗進入至雙螺桿擠壓造粒機中,被混煉、熔融后進入齒輪泵進一步增壓。隨后,熔融態的樹脂經過濾網進入水下造粒機,被切刀切成聚丙烯粒料。聚丙烯粒料被顆粒水冷卻并和其一起進入塊料分離器和旋轉干燥器。在此過程中,顆粒水返回至顆粒水箱D502中,經過干燥的聚丙烯粒料則進入顆粒振動篩中進行篩選,合格產品被輸送至產品緩沖料斗中,而不合格產品則被輸送至地面料斗。顆粒水系統由顆粒水箱D502、顆粒水泵P502和顆粒水冷卻器E504組成。

在熔融狀態的聚丙烯樹脂被水下切粒機切成顆粒的過程中,由于模板磨損、切刀與模板配合等一系列原因,會有大量的聚丙烯粉末產生。這些粉末與顆粒水一起進入到顆粒水箱進行物理沉降,聚丙烯細粉通過顆粒水溢流槽與溢流而出的顆粒水進入到廢水池。

3.2 改進方案

建議在溢流管出口增加過濾板,過濾后的細粉定期收集,過濾后的顆粒水進入下面的收集槽。此外,從顆粒水泵P502鋪設一條返回顆粒水箱D502的管線,在該管線處安裝射流泵,利用射流泵產生的低壓將收集槽中的顆粒水重新輸送至D502水箱(如圖2所示)。該方案的實施可以實現顆粒水的循環再利用,從而有效降低擠壓造粒系統產生的廢水排放。

圖2 擠壓造粒系統改造示意圖

4 裝置固體廢棄物治理

4.1 添加劑系統廢粉的回收

4.1.1 添加劑系統流程

在聚丙烯生產過程中,需要用到抗氧化劑以及除酸劑等添加劑[6,7],一般會根據實際需要以一定添加比例從助劑配制罐加入,隨后進入攪拌罐TK502與所需要的聚丙烯粉料按照一定比例進行攪拌混合,攪拌均勻的粉末通過失重稱Z504進入擠壓機料斗。

人工向助劑配制罐Z509加添加劑時,添加劑粉末會被氮氣挾帶,使得整個加劑操作間彌漫大量粉塵,不僅會危害操作人員的身體健康,同時也容易造成粉塵爆炸。此外,在添加劑向擠壓機料斗加料和聚丙烯粉料向擠壓機料斗加注的過程中,部分超細粉會被氮氣挾帶進入M508粉塵收集罐,該部分超細粉作為危廢進行處理,氮氣則經過M508過濾后排放至大氣,以保證聚丙烯粉料和助劑下料過程中的壓力平衡,防止粉料架橋。

4.1.2 解決措施

針對在Z509配劑過程中產生的粉塵,可以在Z509頂部增加抽塵風機,同時在抽塵風機入口安裝過濾器,這樣保證能完全除去配制間的粉塵,同時過濾器除去的添加劑粉塵可以繼續加入到Z509配制罐循環利用,減少了危廢的產生。

針對部分被氮氣挾帶進入M508的超細粉,由于M508為碳鋼材料,可能會污染該部分粉料,使得粉料無法回收利用。因此,將M508制作材料升級為不銹鋼,并在M508底部新增螺旋輸送器J534,從而將超細粉重新輸送至擠壓機料斗以達到循環利用的目的,氮氣則可以通過M508袋濾器后排放至大氣。

4.2 廢包裝物的回收利用

4.2.1 廢包裝物現狀

聚丙烯生產過程中需要配置三種催化劑,其中主催化劑是以氯化鎂為載體的鈦系固體催化劑[8],以粉末狀形態存在,通過內襯桶送入裝置,該催化劑桶為一次性使用。助催化劑是三乙基鋁,遇空氣會進行燃燒,遇火則會發生爆炸[9],采用特質的鋼瓶送入裝置。第三組份是硅烷[10],主要作用是改善催化劑體系的定向能力,提高產品的等歸度,以液態形式存在,通過硅烷桶送入裝置,由于硅烷為難揮發液體,在硅烷桶內壁不可避免形成殘留物,最終只能以危廢品的形式交給有資質的廠家進一步處理。

4.2.2 建議改進方案

硅烷為液態物質,參考烷基鋁加入形式,更換硅烷桶為帶內插管與加壓口的鋼瓶。在使用過程中,利用氮氣對硅烷加壓,使其通過內插管加入配制罐D105。鋼制硅烷瓶具有灌裝方便、不易損壞、容積大等優點,可以由生產廠家運回重復利用,減少了危廢的產生。

5 結論

(1)針對裝置可燃氣壓縮機組產生的廢氣,采用兩步法進行回收利用,減少了可燃氣向現場的直接排放,杜絕了環境污染。利用變壓吸附原理,將三套聚丙烯裝置產生的尾氣在常壓下經過吸附罐吸附分離,將丙烯氣和氮氣分離后回收利用。

(2)針對擠壓造粒系統產生的顆粒水,通過改進聚丙烯粉末的收集方式以及顆粒水的回收途徑,實現顆粒水的循環再利用,最大程度回收該系統所產生的廢水。

(3)針對添加劑系統產生的粉塵,通過安裝抽塵風機及過濾器等手段,減少添加劑配制間的粉塵。此外,通過改進粉塵的回收途徑,使得下料過程中挾帶的超細粉重新進入擠壓機回收利用。

(4)針對生產過程中產生的廢棄硅烷包裝物,通過更改硅烷包裝材質及結構,使得硅烷包裝物能夠反復回收利用,減少了裝置危廢的產生。

通過實施一系列的改進措施,降低了聚丙烯裝置的污染排放,為裝置的安全平穩環保運行奠定了堅實的基礎。同時,該系列措施可以提高企業的盈利水平,每年通過尾氣回收系統可為企業創造效益約4000萬元,很好的實現了環保與經濟效益的結合。