上海石油化工股份有限公司塑料事業(yè)部 郭文

前言

上海石油化工股份有限公司塑料事業(yè)部一號高壓聚乙烯裝置（簡稱1PE）建成投產于1976年9月，是目前國內同類裝置中生產規(guī)模最小、運行時間最長的裝置，裝置的綜合能耗曾經一直處于較高的狀態(tài)。近幾年來，通過學習和借鑒行業(yè)最新技術和先進裝置的經驗，不斷優(yōu)化工藝條件，同時開展和實施多項能源優(yōu)化項目和措施，從而使該裝置的能源消耗逐年下降。2008年度該裝置榮獲中石化集團公司技術經濟指標“最快進步獎”，2010年度獲中石化集團公司同類裝置競賽第二名，被業(yè)界稱為化工裝置的“常青樹”。

1 裝置概述

1PE裝置是上海石化一期建設工程引進裝置之一，采用的是日本三菱油化—聯邦德國BASF超高壓管式“E”法工藝技術，設計能力為年產高壓聚乙烯樹脂6萬t（兩條生產系列各3萬t）。1985年和1987年裝置經過二次增量改造，使高壓聚乙烯年生產能力從設計值6萬t增加到7.8萬t，提高30%。目前在無大檢修的年份，年產量可達到9萬t左右。

1.1 裝置工藝流程簡述

1PE裝置生產采用超高壓管式“E”法工藝——通過兩點進料后的聚合級乙烯，經多級壓縮，在330～3350C、265～275 MPa高溫高壓及高流速下，用空氣為引發(fā)劑引發(fā)兩次聚合反應，產出本色顆粒狀高壓聚乙烯樹脂。整個生產流程的主要單元有：壓縮、聚合反應、氣體循環(huán)、造粒處理及風送5個單元，見圖1。

1.2 裝置綜合能耗狀況

1PE裝置生產主要消耗的能源品種有電、中壓蒸汽、低壓蒸汽、氮氣、工業(yè)水、純水等。電主要用于整個工藝流程中的電機設備，如壓縮機、擠出機、風送系風機等；蒸汽主要用于對高壓乙烯、熔融物料的加熱、拌熱，管線和儀表設備的保溫等，用汽設備主要有反應器、預熱器、熱水槽、高壓分離器排料管線、產品管線及低壓制品分離器等；氮氣用于吹掃，開停車時的置換、料倉氮封等；各種品質的水用于工藝系統的冷卻、沖洗和消防等。以2005年為例，1PE裝置綜合能耗見圖2。

2 裝置能源優(yōu)化方案的形成與確立

近幾年，國內新建高壓聚乙烯裝置不斷涌現，這些新建裝置工藝技術先進、規(guī)模產能大、單位產品能耗低、產品市場競爭力強。1992年4月，塑料事業(yè)部二號高壓聚乙烯裝置（簡稱2PE）也相繼建成投產，這對于生產規(guī)模小，工藝技術相對落后的1PE裝置來說無疑是個巨大的挑戰(zhàn)，生產技術矛盾日益突出，尤其在能源的綜合利用方面兩套裝置存在相當大的差異。

2PE裝置在能源綜合利用方面與1PE裝置比較具有以下特點：

1）2PE采用的是空氣和高、低溫兩種有機過氧化物作為復合引發(fā)劑，有機過氧化物三點注入，乙烯單程轉化率達27%[1]。將有機過氧化物作為引發(fā)劑，由于引發(fā)溫度低，因此反應器預熱用的蒸汽耗量也較低。

2）聚合反應所產生的大量副生蒸汽，基本能滿足該裝置不同熱用戶的需求，通過替代新鮮蒸汽，2PE裝置在連續(xù)正常運行中基本不使用新鮮低壓和中壓蒸汽。

3）2PE裝置的各類切粒水、冷卻水、冷凝水能夠得到綜合利用。

由此，為實現降低1PE裝置產品綜合能耗，提高產品成本競爭能力，借鑒2PE裝置能源高效利用的新模式，結合節(jié)能新技術的運用和推廣，以降低電耗、減少蒸汽用量和提高水資源綜合利用為切入點，1PE裝置節(jié)能減排優(yōu)化改造項目基本形成。

3 裝置能源優(yōu)化的主要措施

3.1 優(yōu)化用電方案，降低單位產品電耗

從圖2可以看出，1PE裝置綜合能耗組成中，電耗占到總能耗的79.46%，因此，降低電耗是能源優(yōu)化的重中之重。

1）優(yōu)化產品結構，減少二次擠出品產量

1PE裝置的主要用電設備有前段壓縮機，后段壓縮機,前處理擠出機，后處理擠出機,風送風機,儀表壓縮機等,這些主要設備占裝置用電量的95%以上。

1PE裝置的主要電氣設備大多是高壓、大功率，目前國內此領域節(jié)電技術不多，現行的條件對連續(xù)運行的電氣設備，大多只能通過提高運轉效率來降低單位電耗，節(jié)電的空間不大。

結合裝置產品在市場的銷售情況，事業(yè)部嘗試對間斷性運行的電氣設備，如后處理擠出機系統，通過逐步減少二次擠出品數量及開發(fā)新品種牌號等措施，達到減少或停止后處理二次擠出機系統運行，從而實現降低總電耗。

Q200(低密度聚乙烯輕包裝薄膜樹脂)當時是1PE裝置的主要產品，生產過程中需使用后處理擠出機系統，進行二次擠出，其電耗比其他牌號的產品高15%。同類裝置生產此類產品通過一次擠出就能達到同樣的質量技術指標要求，產品單位成本存在明顯差異。同時，隨著塑料樹脂后端加工市場的變化，Q字號產品市場的需求呈逐年下降趨勢。2006年起，事業(yè)部對高壓聚乙烯樹脂產品進行了果斷的結構調整，1PE裝置開始減少二次擠出產品Q200的產量，同時，逐漸以一次擠出品Q210替代，逐步得到用戶和市場認可，至2006年底，實現了Q210全部替代Q200的目標。2007年起，1PE裝置不再生產Q200產品，后處理擠出機系統停開。1PE裝置近年來Q200產量與裝置用電單耗情況見表1。

表1 1PE裝置近年來Q200產量與裝置用電單耗情況表

從表1可以看出，裝置2005年生產Q200產品17534t，電單耗為968kWh/t，2006年生產Q200產品6590t，電單耗為926kWh/t，2007年Q200停產后，電單耗下降到885kWh/t,2007年比2005年電單耗下降幅度8.57%,折標煤下降30.79kgce/t，節(jié)電效果十分明顯。

2)優(yōu)化產品風送流程,完善輸送管線布置

風送系統的電氣機組是裝置主要用電設備之一，對風送機組的優(yōu)化是裝置節(jié)電的另一條有效途徑。

裝置通過加強過程控制，優(yōu)化風送貯槽抽氣、混合和輸送工藝流程，在保證安全和產品質量的前提下，合理減少抽氣、混合和輸送電氣設備工作時間，提高工藝處理和輸送效率。

風送系統流程有抽氣、混合、輸送等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)必須用抽氣風機把微量乙烯排到系統外。后處理擠出機系統停運后，風送貯槽OT-405（A～C）處于空置狀態(tài)，在對靜電消除裝置及抽氣風機進行改造消除安全隱患的基礎上，確認輸送管線的可行性后，將OT-405（A～C）作為產品成品貯槽，集抽氣混合于一體，然后直接送至包裝，這樣每批料減少了二次輸送環(huán)節(jié)，大大縮短了產品的輸送周期，增加了貯槽周轉能力，同時節(jié)約了大量電能。2008年該項目實施后，每批料輸送時間減少6小時，送料風機的功率按132kW計，通過貯槽OT-405（A～C）送包裝的產品按400批計，年節(jié)電31.68萬kWh。

3.2 優(yōu)化用汽方案，減少蒸汽用量

從圖2還可以發(fā)現，1PE裝置綜合能耗組成中，蒸汽消耗量占到總能耗的17.82%，列裝置用能第二位，因此，降低蒸汽用量也是裝置能源優(yōu)化的重要突破口。

1)優(yōu)化引發(fā)劑使用技術，減少蒸汽消耗

低密度高壓聚乙烯系由乙烯單體在高溫、超高壓條件下通過引發(fā)劑聚合而成[2]。不同的引發(fā)體系決定了不同的反應控制過程及不同的生產轉化率，因此引發(fā)劑的優(yōu)化在高壓聚乙烯的聚合反應中十分重要。

不同裝置根據各自不同的生產工藝所選用的引發(fā)劑有所不同，常用的引發(fā)劑體系有三類：

（1）采用純氧或空氣體系，

（2）空氣與過氧化物混合體系，

（3）有機過氧化物混合體系[1]。

以氧為引發(fā)劑時引發(fā)溫度控制在230℃，以有機過氧化物為引發(fā)劑溫度控制在160℃[2]。越低的引發(fā)溫度顯示著裝置引發(fā)技術的先進水平，在較低的溫度以較快速率分解并引發(fā)聚合反應，從而降低加熱反應器所用的蒸汽，增加聚合反應的穩(wěn)定性，提高產量，降低能耗。

由于1PE裝置是采用上世紀七十年代引發(fā)工藝的老裝置，使用的是以觸媒空氣為主的引發(fā)劑體系，初始引發(fā)溫度高，反應器預熱段中壓蒸汽消耗較大，引起裝置能耗偏高，乙烯轉化率較低。而以空氣與有機過氧化物混合作為引發(fā)劑已成高壓聚乙烯裝置引發(fā)劑的主流，被越來越多的新建高壓聚乙烯裝置采用，事業(yè)部2PE裝置采用的正是空氣和高、低溫兩種有機過氧化物作為復合引發(fā)劑。

根據1PE裝置實際情況，通過對裝置現有引發(fā)加熱系統和反應器布置及撤熱能力等的綜合分析，經幾次成功的工業(yè)試生產后，2007年6月事業(yè)部確定使用有機過氧化物替代部分觸媒空氣作為引發(fā)劑的工藝和系統改進方案。

在不影響系統物料和熱量平衡的前提下，保留原來的觸媒空氣引發(fā)劑系統,在裝置第一反應器的入口注入過氧化物,這樣降低了初始引發(fā)溫度，減少加熱反應器所用蒸汽，特別是可以降低第一反應器預熱蒸汽壓力和用量,減少副反應，同時因反應提前，反應范圍擴大，產出更多副生蒸汽，使管式反應器的產能達到最大，達到提高轉化率、降低能源消耗的目的。

實施空氣和有機過氧化物復合引發(fā)劑體系，利用有機過氧化物引發(fā)溫度低的技術特性，減少反應器預熱用中壓蒸汽的耗量160GJ/d，年節(jié)約蒸汽58400GJ。

2）實施副生蒸汽替代新鮮蒸汽的改造

在高壓聚乙烯生產中，消耗蒸汽的主要工段是壓縮工段、預熱工段、反應段和熱水段、減壓分離段。按照工藝要求裝置使用的蒸汽有三個等級：2.5MPa、1.3 MPa和0.5 MPa, 其中2.5 MPa蒸汽主要用于第一反應器預熱B部、熱水貯槽、脈沖閥及反應器和高壓系放出管線、高壓分離器排料管線、產品管線及低壓制品分離器的加熱、保溫；1.3MPa蒸汽用于第一反應器預熱A部、側流預熱器A、B部、擠出機筒體、模頭的加熱、保溫；0.5MPa蒸汽用于壓縮單元潤滑油設備、潤滑油管線及其他系統的冬季保溫。

分析認為：對間斷性用蒸汽設備，節(jié)能的主要方法是在滿足工藝要求的前提下，合理安排用汽時間；對連續(xù)性用蒸汽設備，在滿足工藝穩(wěn)定的前提下，可以考慮利用聚合反應產生的熱量，即經熱水系統產生的副生蒸汽，部分替代新鮮蒸汽，從而節(jié)約蒸汽用量。

裝置聚合反應是一個放熱反應，為防止物料溫度過高而結焦，并且為了控制反應速率，需將反應熱及時撤熱，如用普通的冷卻水冷卻會造成聚乙烯的析出，阻塞反應器，因此采用適度的熱水冷卻。熱水從各反應段帶走熱量，返回熱水槽內產生不同壓力等級的副生蒸汽，這些副生蒸汽的利用也是裝置降低能耗的重要途經[3]。

2006年開始將熱水段產生的0.5MPa副生蒸汽替代用于壓縮單元潤滑油設備、潤滑油管線、其他系統冬季時的保溫；將熱水段產生的1.3MPa副生蒸汽替代用于第一反應器預熱A部、側流預熱器A、B部、擠出機筒體、模頭的保溫；引發(fā)劑優(yōu)化后第一反應器預熱B部的蒸汽壓力從2.5MPa降到1.3MPa,再將熱水段產生的1.3MPa副生蒸汽替代這部分的蒸汽。

經過對用能情況和物料平衡的充分論證，認為在裝置正常運行中，系統保溫用的中壓蒸汽完全可以用1.3MPa副生蒸汽替代。2007年，利用裝置停車檢修的時機，實施了脈沖閥和反應器及高壓系緊急放出管線保溫和高壓分離器排料管線保溫蒸汽用1.3MPa副生蒸汽部分替代改造，每天可節(jié)約中壓蒸汽150GJ，經濟效益非?？捎^。

2009年，在事業(yè)部北區(qū)區(qū)域進一步實施副生蒸汽再利用優(yōu)化改造項目。用副生蒸汽替代動力真空除氧裝置和監(jiān)測換熱器所使用的新鮮低壓蒸汽，每天可節(jié)約低壓蒸汽45GJ。

3）優(yōu)化運行管理及工藝操作

針對裝置某些系統運行方式進行重新摸索、討論，進一步對其進行工藝優(yōu)化。如對高壓循環(huán)系統日常運行的過濾器壓差進行跟蹤監(jiān)控，在不影響裝置正常運行的情況下，將高壓過濾器1/2F-101的切換頻度由一周一次改為二周一次，除了減少乙烯消耗以外，節(jié)約吹掃用中壓蒸汽和氮氣。同時，在裝置開車正常后及時將原中壓蒸汽保溫系統切換至副生蒸汽保溫系統。對間斷性用汽設備，合理安排用汽時間，如開停車時高壓換熱器、段間冷卻器的吹掃，在滿足工藝要求的前提下，嚴格控制中壓蒸汽的吹掃時間，進一步減少了蒸汽的消耗。另外，將壓縮現場疏水器改為新型節(jié)能型疏水器，消除漏氣現象,減少蒸汽浪費。對蒸汽系統管線保溫進行廣泛檢測，對缺乏保溫部位以及外壁溫度超高的部位進行維修，減少蒸汽輸送過程損耗。

通過優(yōu)化引發(fā)劑技術，實施副生蒸汽替代新鮮蒸汽改造項目及優(yōu)化運行管理和工藝操作等措施，減少了大量新鮮蒸汽的消耗，1PE裝置的蒸汽用量從2005年的219360GJ下降到2010年的55903GJ，下降了74.52%。見表2。

3.3 優(yōu)化用水方案，提高水資源綜合利用能力

表2 1PE裝置近年來蒸汽消耗情況表 （單位：GJ）

1PE裝置主要用水系統包括工業(yè)水系統、純水系統、冷卻循環(huán)系統等。工業(yè)水主要用于循環(huán)水場的工業(yè)水補充，機泵的冷卻，現場沖淋，消防儲備等；純水主要用于造粒工藝中的冷卻，反應器熱水槽的補充，儀表設備的冷卻等；循環(huán)水系統由冷卻塔，集水井，旁慮池，加壓泵站和其他用水設備組成。

通過對裝置各類水質、流量數據的分析和研究[4]，按照有關水夾點理論和技術的應用原則和方法，制定了1PE裝置節(jié)能用水優(yōu)化方案[5]。

高壓聚乙烯造粒工藝過程中，熔融狀態(tài)的聚乙烯擠壓切粒后，產品顆粒需立即用溫度較低的純水來冷卻，并輸送到干燥系統，水和粒子分離后純水排入地溝，這部分純水因含有較多粉塵而無法進入純水系統，白白流失。2006年，1PE裝置切粒水回收改造項目正式實施，即將各溢出水經溢流管回收入集水槽中，再經沉淀分離用水泵通過過濾器把純水送回裝置用水點，以減少新鮮純水用量。該項目每小時節(jié)約純水7t，年純水節(jié)約量為61320t。

裝置1/2AA-212、213、119A/B聚合反應單元泄漏氣體報警系統現場儀表原所在位置在一、二系列熱水區(qū)域底樓位置，所要檢測的采自反應夾套的高溫氣體或蒸汽需要利用純水進行冷卻，冷卻后的廢水因無法回收而直接排放掉。2007年，裝置將這幾臺現場儀表移位至一、二系列熱水區(qū)域三樓，使原直接排放到地溝的冷卻水通過自然高度落差，回收至附近的OV-603槽內實現再利用。聚合反應單元泄漏氣體報警系統現場儀表冷卻水回收利用項目的實施，每小時節(jié)約純水6t，年純水節(jié)約量為52560t。

加強現場疏水器管理，實施蒸汽冷凝水回收利用,提高冷凝水回收率。將壓縮現場疏水器改為新型節(jié)能型，使蒸汽冷凝水自疏水器出來成滴水狀；聚合現場蒸汽冷凝水自疏水器排出后，全部接入聯網的管線內進行回收，經地下管線回收到OP801的水池內，作循環(huán)水回收；擠出現場蒸汽冷凝水自疏水器排出后，經擠出現場副生蒸汽回收槽后作循環(huán)水回收。同時對在夏天運轉溴化鋰冷凍機時所產生的冷凝水進行了回收。蒸汽冷凝水回收利用項目實施后，每小時節(jié)約工業(yè)水7t，年工業(yè)水節(jié)約量為61320t。

表3 1PE裝置近年來純水、工業(yè)水消耗情況表 （單位：t）

表4 2005年～2010年1PE裝置能耗情況表 (單位:kgce/t)

上述節(jié)水項目的實施，減少了大量純水和工業(yè)水的消耗。1PE裝置的純水用量從2005年的263270t下降到2010年132584t，工業(yè)水用量從2005年的246323t下降到2010年183636t。見表3。

3.4 安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)生產是裝置降低能耗的重要保證

對化工生產而言，安全穩(wěn)定、長周期運行是裝置降低能耗的重要保證，不僅可以提高裝置產量，同時也可避免因頻繁停車造成的放空損失、廢次品的產生而造成單位能耗的增加，因此裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)生產是降低能耗的必要條件。

一般情況下裝置規(guī)模越大、產量越高、運行周期越長則能耗越低。1PE裝置在保障長周期、高負荷生產運行方面作出了積極的努力和探索。裝置加強對關鍵設備的狀態(tài)監(jiān)測，針對老裝置的特點，開展設備維護保養(yǎng)活動，加強對重點關鍵設備和大機組的特級維護，開工率逐年提高，停車次數逐年下降，從而使裝置較好地保持長周期、高負荷生產運行狀態(tài)。2010年1PE裝置一系列打破國內行業(yè)長周期運轉最高紀錄，創(chuàng)下連續(xù)運轉270.5天的最新紀錄。

4 裝置節(jié)能效果分析

近年來，學習和借鑒行業(yè)先進技術以及與同類新建裝置的比較對照，尋找出1PE老裝置的薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地完善和優(yōu)化裝置工藝生產條件，實施一系列能源優(yōu)化項目和措施，從而使該裝置的能源消耗明顯下降。見表4

統計結果表明：1PE裝置綜合能耗，從2005年的468.31kgce/t，下降到2010年的367.16 kgce/t，下降101.16 kgce/t,下降幅度達21.60%。其中，用電方案的優(yōu)化及減少新鮮蒸汽用量措施效果最為明顯，電耗從2005年的372.11 kgce/t，下降到2010的339.47 kgce/t,電耗下降32.64 kgce/t,下降了8.77%；蒸汽消耗從2005年的83.44 kgce/t，下降到2010的20.59 kgce/t,下降62.86 kgce/t,下降了75.33%。見圖3。

1PE裝置201O年綜合能耗比2005年減少101.16 kgce/t，每tce按700元計，每t產量降低成本70.81元，按年生產能力9萬t計,節(jié)約費用637.29萬元。

5 結束語

1PE裝置運行三十多年，主要技術經濟指標在國內同類裝置中始終保持較好水平，“常青樹”常青，與這幾年裝置積極組織課題攻關，優(yōu)化能源配置及綜合利用，不斷攻克生產技術瓶頸，提高裝置科學管理水平密切相關。至今，裝置繼續(xù)保持著較好的運轉率和負荷率，繼續(xù)在為上海石化的生產發(fā)揮著重要的作用。

[1]錢曉敏.有機過氧化物在高壓聚乙烯生產中的應用,化學工業(yè)出版社（1999）

[2]洪定一.塑料工業(yè)手冊[M]，化學工業(yè)出版社（1999）

[3]曹正芳 王文等.八萬噸高壓聚乙烯裝置的火用分析與節(jié)能[J], 金山油化纖2001.1（59-62）

[4]上海工程技術大學,《上海石化塑料事業(yè)部水量平衡測試研究報告》（2003）

[5]James G.Mann and Y.A.Liu,Industrial Water Reuse and Wastewater Minimization,McGraw-Hill,New York(1999).