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、耐化學藥品腐蝕、透水性低、加工性能和光學性能良好等優(yōu)點，廣泛應用于薄膜包裝行業(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，自2016年底投產以來主要以生產薄膜類聚乙烯為主。裝置運行三年以來產品性能基本穩(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細粉含量較國內同類產品高，對產品性能有不良影響。本工作分析了LDPE細粉的來源和產生原因，并提出了相應的控制措施。

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。以聚合級乙烯為原料，丙醛和丙烯為相對分子質量調整劑，過氧化物為引發(fā)劑，采用乙烯單點進料4段反應的聚合方式，在240～300 MPa，270～310 ℃的條件下聚合，生產均聚聚乙烯。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入二次壓縮機入口，壓縮至270 MPa，通過預熱器預熱至165 ℃左右進入反應器，過氧化物引發(fā)劑分4點注入到反應器引發(fā)聚合。聚合生成的熔融態(tài)聚乙烯與未完全反應的乙烯依次經(jīng)過高壓產品分離器和低壓產品分離器，分離出未反應的乙烯氣體。高壓產品分離器分離出的乙烯經(jīng)高壓循環(huán)系統(tǒng)冷卻分離后進入二次壓縮機入口循環(huán)使用，低壓產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)低壓產品分離器進入擠壓機擠出造粒，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 細粉產生的原因

LDPE細粉主要來源于擠出造粒、顆粒干燥、氣相輸送過程。由于某些原因導致LDPE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，產生的細小顆粒聚集在一起形成細粉。從生產工藝可以看出，LDPE在擠出造粒前均為熔融態(tài)，不會形成細粉，細粉是在切粒后的相關流程中產生的。

2.1 擠出切粒過程

熔融態(tài)LDPE經(jīng)擠壓機從?？讛D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］，這些異常顆粒是產生LDPE細粉的主要根源。產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，切粒機啟動時機、進刀時機、顆粒水進水時機不匹配；（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行脫水干燥。LDPE顆粒在離心干燥器內與篩網(wǎng)高速旋轉碰撞摩擦，導致LDPE表面損傷，進而產生細粉。若離心干燥器篩網(wǎng)與器壁間隙不佳，可能導致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)旋轉碰撞破碎也會產生LDPE細粉。

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，在管道內壁有凹凸不一的麻紋，是為了讓顆粒跳躍式前進，減少粒子在傳輸過程中與管道內壁發(fā)生劇烈摩擦而產生熱量積累發(fā)生拉絲現(xiàn)象；但隨著生產周期的延長，氣力輸送管道內壁麻紋被不斷磨損沖刷，內壁麻紋磨平，尤其是彎管處磨損更甚。因管道內壁麻紋的缺失，LDPE顆粒在管道內部由跳躍式前進逐漸演變?yōu)榛瑒忧斑M，加劇了顆粒的磨損，進而增加了拉絲料和細粉的生成［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重，原壁厚為3.0 mm的彎管最嚴重的減薄至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120 ℃以上），而LDPE的負荷變形溫度僅為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小的細粉和拉絲料到產品中。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生細粉，類球形或圓潤的LDPE顆粒在稀相輸送過程中產生的細粉相對較少。

3 減少細粉的控制措施

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，對于異常情況應及時維修更換；加強顆粒水水質監(jiān)控，避免因顆粒水水質不良腐蝕模板；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、進刀、顆粒水通入操作動作一致，并盡快將顆粒水溫度調整至合適溫度；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，遠比對密相輸送的影響?。?］。所以建議在合理范圍內盡量將LDPE顆粒大小控制在上限。在正常生產時，裝置負荷一般是一定的，刀盤切刀數(shù)量一定，這時LDPE顆粒的大小與刀盤轉速相關。顆粒質量按式（1）計算［6］。

式中：W為顆粒質量；Q為產量；N為切刀轉數(shù)；D為膜孔數(shù)；K為切刀數(shù)。

如果控制LDPE顆粒的質量偏大些，可以降低刀盤轉速，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，切刀的磨損程度與所生產LDPE顆粒的大小相關。生產小顆粒樹脂，刀片轉速高，切刀磨損快；生產大顆粒樹脂，刀盤轉速低，切刀磨損慢，LDPE顆粒外觀出現(xiàn)缺陷的概率小，在輸送過程中產生的細粉量就少。

3.3 及時維護檢修氣力輸送系統(tǒng)

對氣力輸送系統(tǒng)的維護保養(yǎng)要遵循“預防為主”的方針。輸送管道的磨損是經(jīng)年累計的結果，彎管處的磨損程度通常較直管處嚴重。有研究發(fā)現(xiàn)，當管道內輸送物流平均流速為15～20 m/s時，直角轉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顆粒在磨蝕處易產生拉絲料，因此，需要定期檢查和維護氣力輸送管道，對磨蝕嚴重的彎管及時更換，消除輸送管線對LDPE顆粒的磨損，減少細粉的生成。

3.4 其他減少細粉的方法

3.4.1 嚴格按照規(guī)定操作

氣力輸送系統(tǒng)有嚴格的操作規(guī)程，規(guī)定了操作程序和必須遵守和執(zhí)行的相關內容，應嚴格遵循操作規(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生的細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生的細粉量。

3.4.3 選擇合適的氣力輸送模式

稀相輸送的風速高，對LDPE顆粒的沖擊、碰撞力大，產生的細粉量大。密相輸送風速較低，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，產生的細粉量少。中間相輸送風速為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，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，這種結構的彎管磨損嚴重，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，從而降低細粉量。

3.4.5 配套除塵設備

LDPE因物理特性原因，在生產過程中難免產生細粉，現(xiàn)階段LDPE工藝氣力輸送一般都配除塵設備（如淘析器），但淘析器除塵效率有限。為確保產品不受細粉影響，建議在包裝前增加除塵設備進一步消除細粉。

4 結論

a）LDPE細粉不是單一原因導致，而是受多種因素影響。

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細粉的產生。

c）結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保養(yǎng)設備設施，采用有效除塵系統(tǒng)才能最大限度地減少LDPE中的細粉量，提升產品質量。