張葉，于品華，孔凡敏，趙運(yùn)生，吳小蓮

(中石化南京化工研究院有限公司，江蘇南京 210048)

低密度聚乙烯催化劑制備過程中，在硅膠預(yù)處理、母液配制、還原、催化劑脫活、溶劑精餾等工序涉及到四氫呋喃、戊烷、異戊烷、甲苯等揮發(fā)性有機(jī)物的使用，同時產(chǎn)生了以氮?dú)鉃橹?、含多種有機(jī)組分的排放尾氣，這些尾氣具有組分多、氣量小、濃度高的特點(diǎn)。由于四氫呋喃、異戊烷等溶劑揮發(fā)性強(qiáng)，爆炸下限低，毒性大，給操作人員帶來嚴(yán)重的安全威脅。

上海某催化劑公司在聚乙烯催化劑制備過程中產(chǎn)生了以四氫呋喃、異戊烷為主的有機(jī)廢氣，采用水冷至3~4 ℃，再采用冰機(jī)制冷至-10 ℃進(jìn)行溶劑回收，溶劑回收后的尾氣流量約500 m3/h，有機(jī)物質(zhì)量濃度高達(dá)600 g/m3，這部分廢氣直接排入焚燒爐焚燒回收熱量。盡管焚燒法可以使尾氣達(dá)到上海市排放標(biāo)準(zhǔn)[1]，然而仍有大量昂貴的溶劑無法回收，因此有必要開發(fā)新的溶劑回收及溶劑回收工藝。

常見的溶劑回收方法主要有壓縮冷凝法[2]、膜分離法[3]、吸附法[4-5]、吸收法[6]等，冷凝法適用于高濃度有機(jī)溶劑回收，膜分離法適用于從高濃度到低濃度的中濃度有機(jī)廢氣的富集與濃縮，而吸附法則適用于低濃度有機(jī)尾氣的處理。針對聚乙烯催化劑尾氣排放的特點(diǎn)，可綜合利用幾種處理方法的優(yōu)勢，采用壓縮冷凝-膜分離-吸附脫附的集成工藝進(jìn)行處理，該組合工藝已經(jīng)得到了工業(yè)應(yīng)用[7-9]。

針對該催化劑公司提供的廢氣排口的特點(diǎn)，采用壓縮冷凝-膜分離-吸附或焚燒組合回收法進(jìn)行了溶劑回收工藝方案的編制，并繪制了溶劑回收工藝流程圖，對尾氣中的有機(jī)溶劑進(jìn)行回收。對該工藝方案進(jìn)行了投資估算和運(yùn)行費(fèi)用估算，并根據(jù)幾種溶劑的市場價格進(jìn)行了投資回收期、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值估算，考察了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，為后續(xù)車間改造提供了經(jīng)濟(jì)性論證參考。

1 經(jīng)濟(jì)性評價數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 催化劑制備裝置“廢氣”排放數(shù)據(jù)

該催化劑生產(chǎn)裝置主要生產(chǎn)低密度聚乙烯用催化劑，各設(shè)備“廢氣”排放情況如下：母液配制罐產(chǎn)生四氫呋喃；催化劑制備罐和溶劑回收罐產(chǎn)生四氫呋喃、異戊烷、乙烷等氣體；回收異戊烷罐產(chǎn)生含異戊烷氣體；污油罐產(chǎn)生四氫呋喃和異戊烷氣體；催化劑脫活罐產(chǎn)生含乙烷、四氫呋喃、異戊烷及少量水分的混合氣體。這些溶劑排口壓力、溫度、組成各不相同，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 催化劑制備裝置排出口氣體組成特點(diǎn)

1.2 原尾氣處理方案產(chǎn)生效益分析

該催化劑生產(chǎn)裝置各處排口含有機(jī)溶劑的混合氣體組成復(fù)雜，現(xiàn)有處理方法是混合后直接送入焚燒爐，焚燒后回收熱量。1~6號設(shè)備尾氣混合后，得到最終尾氣的氣體組成如表2所示。所得尾氣流量為1 057.88 m3/h，溫度40.99 ℃，壓力 0.1 MPa。

表2 混合后尾氣氣源情況

通過查閱有關(guān)資料[10]，整理得到乙烷、異戊烷、四氫呋喃的燃燒熱值如下：乙烷1 558.3 kJ/mol，異戊烷3 504.1 kJ/mol，四氫呋喃2 515.2 kJ/mol。

根據(jù)各組分流量及摩爾燃燒熱可得焚燒爐焚燒回收總熱量為：

通過查表得知[11]，品位為0.5 MPa、152 ℃的低壓飽和蒸汽的焓值2 748.75 kJ/kg，而常溫下液態(tài)水的焓值為104.77 kJ/kg，故有機(jī)組分完全燃燒可產(chǎn)生的蒸汽量為：

0.5 MPa的飽和低壓蒸汽的工廠單價為180元/t，熱效率取0.9，故熱量回收效益為3.78×180×0.9=612.36元/h。

1.3 溶劑回收工藝

由于各排口廢氣的壓力、流量、組成、溫度各不相同，需要針對每一個排放氣源先行單獨(dú)處理。氣體中的VOCs有乙烷、異戊烷、四氫呋喃，工藝總體方案是先將各股含VOCs的廢氣通過預(yù)處理進(jìn)入膜分離器進(jìn)行濃縮，然后將壓縮后的氣體采用壓縮機(jī)增壓，通過冷卻冷凝后回收主要含異戊烷和四氫呋喃的冷凝液，不凝氣返回膜分離系統(tǒng)。通過膜分離器分離出大部分VOCs后的膜分離尾氣通過減壓后匯聚到1根管線，經(jīng)換熱后直接送焚燒爐。得到的液體混合產(chǎn)品進(jìn)入精餾塔加壓精餾，通過控制合適的工藝條件，塔頂?shù)玫疆愇焱楫a(chǎn)品，塔底得到四氫呋喃產(chǎn)品，帶壓產(chǎn)品經(jīng)減壓后送入產(chǎn)品罐。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 投資估算

根據(jù)工藝流程所采用的各種設(shè)備，需要配置的各種測量、控制儀表，對項(xiàng)目的投資費(fèi)用進(jìn)行初步估算，投資費(fèi)用估價如表3所示。

表3 投資估算一覽表

續(xù)表3

由表3可見：在各種設(shè)備的估價中，關(guān)鍵動設(shè)備壓縮機(jī)及真空泵分別達(dá)到35萬元和22萬元，項(xiàng)目總投資達(dá)313.04萬元。

2.2 運(yùn)行費(fèi)用估算

裝置在運(yùn)行過程中消耗的主要化學(xué)品和輔助原料有脫除氯化氫用的固體堿吸收劑、堿石灰干燥劑、椰殼活性炭吸附劑、膜分離器用分離膜材料。公用工程消耗有循環(huán)水、生活用水、電、低壓蒸汽、氮?dú)?、儀表風(fēng)等。

該項(xiàng)目所消耗的各種化學(xué)品、輔助材料及公用工程消耗見表4。

由表4可見：在裝置運(yùn)行過程中公用工程消耗達(dá)102.31元/h，物料損耗平均達(dá)29.26元/h，運(yùn)行總費(fèi)用預(yù)計(jì)達(dá)131.57元/h。

表4 公用工程消耗估算

2.3 產(chǎn)值估算

經(jīng)市場調(diào)研，異戊烷產(chǎn)品純度99%以上產(chǎn)品價格平均為6 000元/t，四氫呋喃純度在99.5%以上價格為8 000元/t。

根據(jù)流程設(shè)計(jì)，經(jīng)PRO/II、Aspen Plus軟件模擬計(jì)算，異戊烷和四氫呋喃產(chǎn)品每小時產(chǎn)量及產(chǎn)出效益如表5所示。

表5 異戊烷和四氫呋喃產(chǎn)品產(chǎn)出效益估算表

由表5可見：進(jìn)行溶劑回收后，得到的異戊烷和四氫呋喃產(chǎn)品純度均在99%以上，產(chǎn)品收入可達(dá) 1 470.50元 /h。

2.4 項(xiàng)目投資后效益估算

項(xiàng)目投資后的毛利收入為：

按每年投產(chǎn)時間4 000 h計(jì)算，靜態(tài)投資回收期為：

按每年投產(chǎn)時間8 000 h計(jì)算，靜態(tài)投資回收期為：

取折現(xiàn)系數(shù)8%，年投產(chǎn)時間4 000 h，建設(shè)期1年，膜壽命5年，計(jì)算凈現(xiàn)金流量見表6。

由表6可見：項(xiàng)目凈現(xiàn)金流量在投產(chǎn)后第2年即可由負(fù)轉(zhuǎn)正。計(jì)算動態(tài)投資回收期可得到該值為1.6年，即考慮建設(shè)期1年在內(nèi)，第2年即可收回全部投資。

表6 溶劑回收項(xiàng)目5年內(nèi)的凈現(xiàn)金流量表

2.5 項(xiàng)目投資前后的有無對比分析

考慮到項(xiàng)目投資前，廢熱產(chǎn)生的蒸汽仍有可觀的收益，將有無溶劑回收項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表7。

由表7可見：按照有無溶劑回收項(xiàng)目對比方法得到的凈效益增量算得的凈現(xiàn)值為367.39萬元，結(jié)論是應(yīng)當(dāng)上項(xiàng)目。

表7 有無溶劑回收項(xiàng)目效益對比 單位：萬元

3 結(jié)論與展望

針對某聚乙烯催化劑制備裝置生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多組分有機(jī)尾氣，采用組合工藝進(jìn)行溶劑回收，制定了溶劑回收方案，結(jié)合軟件模擬開展了投資估算和運(yùn)行費(fèi)用估算。對原處理方案產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和溶劑回收方案產(chǎn)生的效益分別進(jìn)行了計(jì)算，最后采用財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值和對比分析法對溶劑回收項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。

1)無溶劑回收項(xiàng)目時，原焚燒處理方法每小時可產(chǎn)生3.78 t蒸汽，產(chǎn)值612.36元/h。

2)溶劑回收項(xiàng)目的投資估算為313.04萬元，運(yùn)行費(fèi)用估算為131.57元/h，異戊烷和四氫呋喃產(chǎn)品收益可達(dá)1 470.5元/h。

3)考慮建設(shè)期費(fèi)用，項(xiàng)目的投資回收期為1.6年，對比發(fā)現(xiàn)5年財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值可達(dá)367.39萬元，為正值，經(jīng)濟(jì)性分析表明該項(xiàng)目可行。

近年來，隨著國家對排放尾氣中污染物的控制日趨嚴(yán)格，以揮發(fā)性有機(jī)物為代表的有機(jī)污染物的排放限制越來越嚴(yán)格。針對高濃度含有機(jī)溶劑尾氣，常規(guī)溶劑回收方法如壓縮冷凝法、膜分離法、吸附法等技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行工業(yè)有機(jī)物回收，可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)價值，有效地提升了企業(yè)的盈利水平，減少了溶劑消耗。未來溶劑回收集成技術(shù)的應(yīng)用在高附加值有機(jī)物回收領(lǐng)域的前景看好。