LDPE細(xì)粉產(chǎn)生的原因及控制措施

朱華杰，劉 義，吳國祥，李國鋒

（國能新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831404）

低密度聚乙烯（LDPE）具有柔韌性良好、沖擊強度高、耐化學(xué)藥品腐蝕、透水性低、加工性能和光學(xué)性能良好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于薄膜包裝行業(yè)。國能新疆化工有限公司（簡稱新疆化工）270 kt/a LDPE裝置采用高壓管式法工藝技術(shù)，自2016年底投產(chǎn)以來主要以生產(chǎn)薄膜類聚乙烯為主。裝置運行三年以來產(chǎn)品性能基本穩(wěn)定，在華東、華北市場有穩(wěn)定客戶群體。近期在走訪下游客戶時發(fā)現(xiàn)，有廠家反映新疆化工LDPE細(xì)粉含量較國內(nèi)同類產(chǎn)品高，對產(chǎn)品性能有不良影響。本工作分析了LDPE細(xì)粉的來源和產(chǎn)生原因，并提出了相應(yīng)的控制措施。

1 LDPE工藝簡介

新疆化工LDPE裝置采用德國巴塞爾公司的Lupotech TS高壓管式法工藝技術(shù)。以聚合級乙烯為原料，丙醛和丙烯為相對分子質(zhì)量調(diào)整劑，過氧化物為引發(fā)劑，采用乙烯單點進(jìn)料4段反應(yīng)的聚合方式，在240～300 MPa，270～310 ℃的條件下聚合，生產(chǎn)均聚聚乙烯。具體工藝流程為［1］：來自界區(qū)的3.0 MPa聚合級乙烯進(jìn)入一次壓縮機4段入口，經(jīng)三級壓縮至28 MPa，與高壓循環(huán)系統(tǒng)返回的乙烯混合后進(jìn)入二次壓縮機入口，壓縮至270 MPa，通過預(yù)熱器預(yù)熱至165 ℃左右進(jìn)入反應(yīng)器，過氧化物引發(fā)劑分4點注入到反應(yīng)器引發(fā)聚合。聚合生成的熔融態(tài)聚乙烯與未完全反應(yīng)的乙烯依次經(jīng)過高壓產(chǎn)品分離器和低壓產(chǎn)品分離器，分離出未反應(yīng)的乙烯氣體。高壓產(chǎn)品分離器分離出的乙烯經(jīng)高壓循環(huán)系統(tǒng)冷卻分離后進(jìn)入二次壓縮機入口循環(huán)使用，低壓產(chǎn)品分離器分離出的乙烯經(jīng)低壓分離系統(tǒng)冷卻分離后進(jìn)入一次壓縮機入口循環(huán)使用。熔融態(tài)聚乙烯經(jīng)低壓產(chǎn)品分離器進(jìn)入擠壓機擠出造粒，顆粒經(jīng)離心干燥器干燥后通過氣力輸送系統(tǒng)輸送至脫氣料倉，經(jīng)脫氣后輸送至包裝。LDPE工藝流程示意見圖1。

圖1 LDPE工藝流程示意Fig.1 Process flow diagram of LDPE

2 細(xì)粉產(chǎn)生的原因

LDPE細(xì)粉主要來源于擠出造粒、顆粒干燥、氣相輸送過程。由于某些原因?qū)е翷DPE顆粒外觀異常，出現(xiàn)蛇皮料、拉絲料、絮狀料、異形料等，與離心干燥器、氣力輸送管壁、顆粒之間相互碰撞和摩擦，產(chǎn)生的細(xì)小顆粒聚集在一起形成細(xì)粉。從生產(chǎn)工藝可以看出，LDPE在擠出造粒前均為熔融態(tài)，不會形成細(xì)粉，細(xì)粉是在切粒后的相關(guān)流程中產(chǎn)生的。

2.1 擠出切粒過程

熔融態(tài)LDPE經(jīng)擠壓機從模孔擠出，在顆粒冷卻水作用下，由切粒機切刀剪切，形成柱狀或橢球型LDPE顆粒。擠出和切粒環(huán)節(jié)最容易產(chǎn)生拖尾顆粒甚至是拉絲料、蛇皮料、拖尾料、絮狀料［2］，這些異常顆粒是產(chǎn)生LDPE細(xì)粉的主要根源。產(chǎn)生異常顆粒的原因主要有：（1）切刀盤找正不佳，切刀與模板平整度較差，切刀與模板貼合度不好；（2）切刀質(zhì)量不佳，存在豁口、卷韌；（3）切刀使用時間較長，刀鋒變鈍；（4）模板存在缺陷，造粒帶平整度差，耐磨銷松動；（5）膜孔耐磨銷存在裂紋；（6）切粒機與擠出機轉(zhuǎn)速不匹配，切出碎粒、碎屑；（7）模板清理不徹底，存在殘余樹脂；（8）切粒機啟動時操作不當(dāng)，切粒機啟動時機、進(jìn)刀時機、顆粒水進(jìn)水時機不匹配；（9）顆粒水溫度過低。

2.2 脫水干燥過程

經(jīng)切粒機剪切形成的LDPE顆粒在顆粒水作用下冷卻成型，并輸送至離心干燥器進(jìn)行脫水干燥。LDPE顆粒在離心干燥器內(nèi)與篩網(wǎng)高速旋轉(zhuǎn)碰撞摩擦，導(dǎo)致LDPE表面損傷，進(jìn)而產(chǎn)生細(xì)粉。若離心干燥器篩網(wǎng)與器壁間隙不佳，可能導(dǎo)致LDPE在篩網(wǎng)與器壁之間摩擦拉伸形成拉絲料［3］，拉絲料經(jīng)旋轉(zhuǎn)碰撞破碎也會產(chǎn)生LDPE細(xì)粉。

2.3 輸送過程

脫水干燥后的LDPE顆粒一般采用氣力輸送系統(tǒng)輸送至脫氣料倉暫存，脫除乙烯氣體。氣力輸送方式根據(jù)風(fēng)速不同可分為稀相輸送、密相輸送及中間相輸送3種。本裝置采用稀相輸送，輸送風(fēng)速為25～40 m/s，LDPE顆粒在管道中處于懸浮狀態(tài)，做不規(guī)則的滾動、碰撞、滑動。通常情況下，稀相輸送的管壁都經(jīng)過特殊加工，在管道內(nèi)壁有凹凸不一的麻紋，是為了讓顆粒跳躍式前進(jìn)，減少粒子在傳輸過程中與管道內(nèi)壁發(fā)生劇烈摩擦而產(chǎn)生熱量積累發(fā)生拉絲現(xiàn)象；但隨著生產(chǎn)周期的延長，氣力輸送管道內(nèi)壁麻紋被不斷磨損沖刷，內(nèi)壁麻紋磨平，尤其是彎管處磨損更甚。因管道內(nèi)壁麻紋的缺失，LDPE顆粒在管道內(nèi)部由跳躍式前進(jìn)逐漸演變?yōu)榛瑒忧斑M(jìn)，加劇了顆粒的磨損，進(jìn)而增加了拉絲料和細(xì)粉的生成［4］。裝置運行兩年后的粒料輸送系統(tǒng)的20余個彎管管壁均減薄嚴(yán)重，原壁厚為3.0 mm的彎管最嚴(yán)重的減薄至0.7 mm，極端的已出現(xiàn)穿孔。稀相輸送彎管示意見圖2。

圖2 稀相輸送彎管示意Fig.2 Dilute phase pneumatic conveying elbow

在實際運行時，稀相輸送的LDPE顆粒在管道彎管處對內(nèi)壁持續(xù)沖刷和摩擦，造成管道彎管處溫度異常偏高（最高可達(dá)120 ℃以上），而LDPE的負(fù)荷變形溫度僅為50 ℃，在氣力輸送管道高速滑動和彈跳的LDPE顆粒撞擊管壁并在撞擊時產(chǎn)生熱量，顆粒表面融化并黏在管壁上，形成一層LDPE薄層［5］。一段時間后，薄層被撞擊、沖刷，薄層破裂并釋放出細(xì)小的細(xì)粉和拉絲料到產(chǎn)品中。稀相輸送直管示意見圖3。

圖3 稀相輸送直管示意Fig.3 Dilute phase pneumatic conveying pipeline

2.4 LDPE顆粒形狀

國內(nèi)同類裝置切粒機大多采用接觸式切粒方式，即切刀緊貼模板進(jìn)行切粒，而新疆化工LDPE裝置的切粒機為非接觸式切粒，即切粒機與模板留有間隙。因為切粒方式的不同導(dǎo)致所切LDPE顆粒的形狀不同，接觸式切粒機所切顆粒呈橢球型，外觀較圓潤，無明顯錐角；非接觸式切粒機因物料流出膜孔后受重力及剪切力作用導(dǎo)致所切顆粒呈帶斜角的圓柱形，外觀不規(guī)則，有明顯錐角或銳利斜面。有研究表明，多角形顆粒的摩擦阻力較大，顆粒表面凸起容易破碎并磨損管道［5］。由此可見，帶有錐角和銳利斜面的LDPE顆粒在稀相輸送過程中相互碰撞以及與管道壁撞擊受損產(chǎn)生細(xì)粉，類球形或圓潤的LDPE顆粒在稀相輸送過程中產(chǎn)生的細(xì)粉相對較少。

3 減少細(xì)粉的控制措施

3.1 減少蛇皮料、拉絲料、絮狀料

周期性檢查擠壓機模板是否存在缺陷、模板耐磨銷是否松動、膜孔耐磨銷是否存在裂紋，對于異常情況應(yīng)及時維修更換；加強顆粒水水質(zhì)監(jiān)控，避免因顆粒水水質(zhì)不良腐蝕模板；根據(jù)模板使用情況和壽命及時更換損傷模板；切粒機開車時要快速清理模板，在顆粒水進(jìn)入水室前，盡量控制熔融樹脂流出量，確保啟動切粒機電機、進(jìn)刀、顆粒水通入操作動作一致，并盡快將顆粒水溫度調(diào)整至合適溫度；日常加強監(jiān)控顆粒外觀，根據(jù)顆粒情況及時調(diào)整和更換刀盤。

3.2 控制LDPE顆粒大小

通常，顆粒較大且分布均勻的物料有利于流動，因而也容易輸送。顆粒大小對稀相輸送的影響，遠(yuǎn)比對密相輸送的影響小［5］。所以建議在合理范圍內(nèi)盡量將LDPE顆粒大小控制在上限。在正常生產(chǎn)時，裝置負(fù)荷一般是一定的，刀盤切刀數(shù)量一定，這時LDPE顆粒的大小與刀盤轉(zhuǎn)速相關(guān)。顆粒質(zhì)量按式（1）計算［6］。

式中：W為顆粒質(zhì)量；Q為產(chǎn)量；N為切刀轉(zhuǎn)數(shù)；D為膜孔數(shù)；K為切刀數(shù)。

如果控制LDPE顆粒的質(zhì)量偏大些，可以降低刀盤轉(zhuǎn)速，可一定程度上延長刀盤的壽命。如果其他條件一定，那么在相同的周期內(nèi)，切刀的磨損程度與所生產(chǎn)LDPE顆粒的大小相關(guān)。生產(chǎn)小顆粒樹脂，刀片轉(zhuǎn)速高，切刀磨損快；生產(chǎn)大顆粒樹脂，刀盤轉(zhuǎn)速低，切刀磨損慢，LDPE顆粒外觀出現(xiàn)缺陷的概率小，在輸送過程中產(chǎn)生的細(xì)粉量就少。

3.3 及時維護(hù)檢修氣力輸送系統(tǒng)

對氣力輸送系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)要遵循“預(yù)防為主”的方針。輸送管道的磨損是經(jīng)年累計的結(jié)果，彎管處的磨損程度通常較直管處嚴(yán)重。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道內(nèi)輸送物流平均流速為15～20 m/s時，直角轉(zhuǎn)彎處物流對管壁的磨削力較水平段大30～40倍［6］。長周期的運行，氣力輸送管道彎管處最先被磨蝕減薄，LDPE顆粒在磨蝕處易產(chǎn)生拉絲料，因此，需要定期檢查和維護(hù)氣力輸送管道，對磨蝕嚴(yán)重的彎管及時更換，消除輸送管線對LDPE顆粒的磨損，減少細(xì)粉的生成。

3.4 其他減少細(xì)粉的方法

3.4.1 嚴(yán)格按照規(guī)定操作

氣力輸送系統(tǒng)有嚴(yán)格的操作規(guī)程，規(guī)定了操作程序和必須遵守和執(zhí)行的相關(guān)內(nèi)容，應(yīng)嚴(yán)格遵循操作規(guī)程操作，降低錯誤操作對系統(tǒng)的不良影響，從而減少對顆粒的不必要磨損。

3.4.2 選擇合適的造粒方式

圓潤的LDPE顆粒在氣力輸送過程中產(chǎn)生的細(xì)粉量較存在錐角或銳利斜面的LDPE顆粒少。建議采用接觸式切粒模式，控制LDPE顆粒呈球形或橢球形，可一定程度減少外觀不規(guī)則LDPE顆粒在稀相輸送過程中產(chǎn)生的細(xì)粉量。

3.4.3 選擇合適的氣力輸送模式

稀相輸送的風(fēng)速高，對LDPE顆粒的沖擊、碰撞力大，產(chǎn)生的細(xì)粉量大。密相輸送風(fēng)速較低，為2～10 m/s，LDPE顆粒在管道中呈流化態(tài)或柱塞狀運動，LDPE顆粒間作用力、LDPE與管壁作用力小，對LDPE表面磨損程度低，產(chǎn)生的細(xì)粉量少。中間相輸送風(fēng)速為15～25 m/s，LDPE顆粒在管道中接近穩(wěn)流狀態(tài)，既不像稀相輸送時的跳躍前進(jìn)，也不同于密相輸送時的柱塞流，LDPE表面磨損情況也趨于中間狀態(tài)。采用密相輸送或中間相輸送可大幅減少細(xì)粉量。

3.4.4 選擇適合的彎管形式

傳統(tǒng)的LDPE工藝一般采用長半徑彎管，長半徑彎管的曲率半徑與管道直徑比為8～24［6］，Mason彎管實驗和實踐經(jīng)驗表明，這種結(jié)構(gòu)的彎管磨損嚴(yán)重，壽命短［7］。因此，建議采用耐磨彎管消除或減緩彎管的磨損程度，降低對LDPE顆粒的影響。常用的耐磨彎管有球形彎管、橢球形彎管、異形內(nèi)腔彎管［7］，這些彎管在輸送LDPE顆粒時會在彎管處形成一層顆粒墊層［8］，減少了LDPE顆粒與彎管的相互磨損，從而降低細(xì)粉量。

3.4.5 配套除塵設(shè)備

LDPE因物理特性原因，在生產(chǎn)過程中難免產(chǎn)生細(xì)粉，現(xiàn)階段LDPE工藝氣力輸送一般都配除塵設(shè)備（如淘析器），但淘析器除塵效率有限。為確保產(chǎn)品不受細(xì)粉影響，建議在包裝前增加除塵設(shè)備進(jìn)一步消除細(xì)粉。

4 結(jié)論

a）LDPE細(xì)粉不是單一原因?qū)е拢鞘芏喾N因素影響。

b）工藝日常操作、擠出機模板與切刀、離心干燥器、輸送管道及LDPE外觀均會影響LDPE細(xì)粉的產(chǎn)生。

c）結(jié)合實際工況選擇適合的模板和切刀，監(jiān)控切粒過程及LDPE外觀，選擇合適的氣力輸送方式并及時維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備設(shè)施，采用有效除塵系統(tǒng)才能最大限度地減少LDPE中的細(xì)粉量，提升產(chǎn)品質(zhì)量。