高密度聚乙烯裝置擠壓造粒工段設備布置要點分析

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

高密度聚乙烯（以下簡稱HDPE）因其良好的力學及耐低溫等物理和化學上的優越性能，市場需求逐年上漲，國內目前主要的HDPE裝置以淤漿聚合為主，總產能逐年增加[1-2]。HDPE 因其對于粉料的混煉難度大、均勻度要求高，目前國際上一線的擠出機供應商如神鋼（KOBE）、日鋼（JSW）均選用“L型”擠出機來增加混煉段的長度，以滿足HDPE的特殊要求，科倍?。–OPERION）雖沒有采用“L型”擠出機，但其對于HDPE裝置使用的雙“I型”90°垂直布置的方式也與“L型”擠出機設計理念類似，鑒于“L型”擠出機在HDPE裝置的廣泛應用，與此同時，常用的“L型”擠出機的安裝及調試難度高[3-4]，只有在設計源頭將各方面問題都考慮清楚，才能保證安裝、調試的順利進行，本文將以選用“L型”擠出機組為基礎探討相關設備布置要點。

擠出機組作為整個聚烯烴裝置中投資額最大的成套設備，此工段合理的設計和規劃在整個裝置的配管設計中至關重要。為了產品的經濟性，裝置規模越來越大，擠壓造粒工段占地面積也越來越大，廠房的單柱跨距已經超過12 m，廠房單層占地面積超過1 000 m2，且此區域成套設備較多，配管設計作為總體協調統籌者，需要考慮的綜合因素較多，對設計者自身設計水平、此工段特點的理解要求較高。本文從擠出機廠房尺寸的確定、切粒水及排水系統布置三個方面，分析、討論HDPE裝置擠壓造粒工段設備布置要點，為今后的設計工作提供參考。

1 擠壓造粒工段設備布置

對于擠壓造粒工段，各個工藝技術的HDPE裝置流程均類似，除經典主流程外，通常還會配以切粒水系統、開車拉料池、粒料分離池及消防電梯排水系統等輔助設施，以達到整個系統正常使用需要的各種功能。因擠壓造粒工段的相似性及重要性，各設計單位配管設計人員對于擠壓造粒系統布置的研究較多[5-7]，但多集中于“I型”擠出機，少數“L型”的研究也缺少對整個排水收集系統的探討，本文將著重討論整個系統的布置及排水收集方案的設計。

聚烯烴裝置的擠壓造粒工段的核心就是擠壓造粒廠房，廠房一般為封閉式丙類高層廠房，廠房內為粉塵22區，為了減少一層的粉塵防爆區域范圍，也有一層采用半開放形式的，半開放廠房以擠出機進料口為中心，半徑3 m 范圍內為粉塵防爆區，通常上層為固體添加劑加料器，添加劑的加料口設有防止粉塵逸散的設施。整個生產過程都是密閉操作，并對整個系統充氮保護。擠壓造粒機模頭有的供應商選用高壓蒸汽加熱，根據需要，有時也采用丙B類重油作為熱油加熱介質，熱油撬塊的附近為氣體2區。

設備布置應按照工藝流程圖的要求，考慮物流順序是否合理，區域內設備、建構物的間距及消防通道的設置是否防火和防爆，并滿足有關標準規范的要求。根據GB 50160—2008《石油化工企業設計防火標準（2018年版）》所述，擠壓造粒工段的生產物料主要是屬于火災危險性丙類的聚烯烴類塑料產品，由于整個生產過程都是在設備內密閉操作，不會接觸到點火源，多年來該類廠房也從未發生過火災事故，因此防火間距問題并不是本區域設備布置考慮的重點，應主要根據工藝流程圖及物流順序是否合理來考慮設備布置。

1.1 擠壓造粒廠房尺寸確定

作為擠壓造粒工段的核心建（構）筑物，擠壓造粒廠房的布置應是最先確定的。與其他工段不同，擠壓造粒廠房的柱網布置及層高設置受擠壓機組及添加劑進料系統的影響很大，尤其是擠出機組的選擇將直接影響廠房方案。

整個廠房以第一層設備布置最為擁擠。以神戶制鋼（KOBE）的LCM500 機型為例，其混煉段（包含主電機及螺桿抽芯空間）總長度已經超過36 m，與其垂直的擠壓造粒段長度也超過14 m，“L型”擠出機實際占地為“T”型，將廠房分割成三個區域，確定柱網布置時不但要考慮擠出機組的使用方便，還需考慮結構上實現的難度和造價。

因國內標準要求消防電梯至少每隔11 m 需要設置可開啟的電梯安全逃生門，這實際上已經將第一層的層高限制在11 m 內，一層的層高主要是由設備吊裝空間、進料緩沖料斗及頂部管道布置決定，一層的擠出機吊裝方案中通常是主電機和齒輪泵的吊裝空間要求最高，如果撬間管道布置在頂部的話，以神戶制鋼（KOBE）的LCM500 機型為例，需要選擇極限的10.9 m 層高才能滿足要求。

一層以上各層層高主要由干燥器、切粒水水箱（如水箱在室內布置的話）、添加劑系統緩沖料斗及相應檢修吊軌所需高度決定，除了設備所需高度外，因切粒水系統管道布置要求較高，也應放在考慮因素之內?？傮w上上部幾層設備及管道較少，只需考慮以上關鍵因素即可確定層高。

擠壓造粒廠房柱網、層高的確定很大程度上依賴供應商資料的深度，需要在開工會上對供應商提出完整的資料清單及提交時間要求，另外這也是一個多專業協同商議的結果，且如果層高不夠，日后的修改難度很大、代價很高，在配管專業做好布置后，應組織相關專業進行項目級評審，以免有遺漏造成錯誤。

1.2 切粒水系統設備布置

擠壓造粒的的切粒水系統是密閉循環水系統，主要負責粒子的運輸和冷卻。切粒水系統整個管道布置的管道長度、坡度及走向對系統正常運行至關重要，為了避免后續試車及生產過程中發生粒料沉降、下料不暢等問題，整個切粒水系統所有設備的相對位置需要統籌考慮，在滿足管道特殊要求的前提下，盡量考慮業主日后檢修操作的便利性。

1.2.1 切粒水箱布置

切粒水水箱是切粒水系統的核心之一，隨著水箱及其切粒水篩分器體積越來越大、業主對于室內生產空間潔凈要求的提高，切粒水水箱布置在室內的情況越來越少，對于大型HDPE裝置，特別是切粒水篩分器與水箱是分體式安裝或帶清洗噴嘴等特殊結構的，在不考慮防凍的情況下，建議直接采用室外布置。為了保證切粒水循環系統的水質，供應商及業主有時會提出切粒水篩分器采用半露天布置，此時可以將水箱及其附件與熱油單元集中布置，共用防雨棚，節約空間且降低了結構成本。

如水箱布置在室內，需要考慮額外的排水溝和收集用圍堰，此處污水含有塑料粒子，需經過撇粒池過濾后才能進入生產污水池。

1.2.2 干燥器布置

切粒水系統中，切粒機切粒后至干燥器入口的管道相對要求最高，此時粒子溫度較高，管道需要考慮足夠的坡度，且需采用大半徑彎頭減少流動換向帶來的阻力，一般此管道坡度不應小于1/14，采用彎頭的轉彎半徑不應小于3 D，但與此同時，粒子從切粒機切粒后至干燥器入口在管道內的停留時間不能太短，冷卻不到位會使粒子黏結，一般停留時間應該不小于15 s。

因切粒機與擠出機本體直接相連，無法調節位置，為了滿足以上要求，通常只能調節干燥器位置，一般在同時滿足管道坡度和停留時間兩個要求的情況下，干燥器應該布置在廠房三樓且平面位置盡量靠近切粒機出料口，但因合格粒子的風送轉閥為了保證粒料的下料通暢，通常布置在干燥器的正下方，故還需考慮干燥器在一樓地面的投影位置不應有其他擠出機輔助設施，圖1為某項目典型HDPE裝置擠壓造粒廠房立面圖。

1.3 擠壓造粒工段排水收集系統布置

HDPE裝置擠壓造粒工段的排水點都是圍繞擠出機組設置的，主要分為兩個收集系統：一個是以開車拉料池為終點的擠出機開車拉料冷卻水收集系統，僅在擠出機開車拉料時使用；另一個是以粒料分離池為終點的含粒子水收集系統，在擠出機連鎖停車卸料、水箱溢流及平時清洗等多種情況下使用。兩個排水收集池都需要設置溢流管，最終污水排往生產污水池。排水系統的布置需要與地面擠出機組的設備布置緊密結合，做到相輔相成。

圖1 典型HDPE裝置擠壓造粒廠房立面圖Fig.1 Section view of typical HDPE extrusion unit

1.3.1 擠出機開車拉料冷卻水收集系統

在擠出機開車過程中，開車閥會有大量的開車廢料排出，“拉料”過程需要拉料冷卻水系統配合，其主要作用是冷卻熔融物料及減少“拉料”過程阻力。

為了達到以上目的，應在排水溝起始位置順“拉料”方向預埋冷卻水管道，管道一般不小于6寸，以保證有足夠流量的新鮮水不斷加入，為了方便“拉料”操作，排水溝寬不應小于800 mm。開車拉料池應為細長形，盡量增加開車廢料在池內的停留時間，提高冷卻效果，池子不宜過深或過淺，過淺冷卻效果不佳，過深池水的利用率低，投資過大。池邊需設置可拆卸護欄，平時起勞動保護作用，開車時拆除部分拱“拉料”使用。

除了開車閥以外，切粒模板也有少量拉料的需求，對于“I型”擠出機兩個位置比較近，而“L型”擠出機的拉料位置剛好被擠出機本體分割在兩側，由一個收集池很難兼顧，但模板位置可以考慮臨時使用粒料分離池的排水系統，不再單獨設置廢水收集系統。

1.3.2 擠出機含粒子水收集系統

擠壓造粒系統內含粒子水的排放點主要有四處：擠出機連鎖停車卸料管口、干燥器不合格料排放收集點、切粒水水箱溢流及切粒水篩分器過濾器排放收集點。另外，因干燥器和振動篩區域在操作過程中，往往會有很多含粒子水流出，一般此區域會單獨設置室內圍堰，收集的廢水也要排至粒料分離池。

如上文所述，整個系統需要收集所有排放點液體，其中擠出機連鎖停車卸料管口的瞬間排放量最大，此排放口一般在切粒機附近布置，故此處的排水溝需要足夠大的容積來緩沖整個泄放過程，因此區域溝內還需要布置切粒水回水管道、機組內部撬間管道，一般深度不會小于1 m，故可根據干燥器與切粒機之間所有切粒水體積之和及排水溝的泄放能力估算此緩沖區域的面積，來滿足緊急停車時的泄放要求，圖2為某項目典型HDPE裝置擠壓造粒廠房地面粒子水收集系統布置。

需要注意的是在氣體2區范圍內的坑、溝、井及低于地坪面的區域應該劃分為氣體1區，因為通常熱油單元會與水箱集中布置，排水溝不可避免地要經過氣體2區，故建議不要在此區域的溝內布置有防爆要求的儀表等部件，以免發生因專業間溝通不暢等問題造成達不到防爆要求的情況。

圖2 典型HDPE裝置擠壓造粒廠房地面粒子水收集系統布置Fig.2 Typical layout of pellet water collecting system of HDPE extrusion unit

2 結束語

綜上所述，擠壓造粒工段的設備布置需要設計者對此區域有很強的工藝理解和配管預見性，特別是現實情況不能及時得到所有資料時，需要綜合以往項目經驗做出合理的預判和布置，并做到以下幾點：

（1）重視各個成套設備的開工會；

（2）在前期對于廠房尺寸的確定、吊梁檢修方案的布置等涉及多專業的關鍵內容進行項目級評審，盡量全面地審查設計方案；

（3）注意核算切粒水管道內停留時間及管道坡度，避免發生發生粒料沉降、下料不暢等問題；

（4）擠壓造粒系統的排水系統需要結合前期資料及其他項目經驗提前規劃考慮，避免在項目后期修改。