高密度聚乙烯装置挤压造粒工段设备布置要点分析

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

高密度聚乙烯（以下简称HDPE）因其良好的力学及耐低温等物理和化学上的优越性能，市场需求逐年上涨，国内目前主要的HDPE装置以淤浆聚合为主，总产能逐年增加[1-2]。HDPE 因其对于粉料的混炼难度大、均匀度要求高，目前国际上一线的挤出机供应商如神钢（KOBE）、日钢（JSW）均选用“L型”挤出机来增加混炼段的长度，以满足HDPE的特殊要求，科倍隆（COPERION）虽没有采用“L型”挤出机，但其对于HDPE装置使用的双“I型”90°垂直布置的方式也与“L型”挤出机设计理念类似，鉴于“L型”挤出机在HDPE装置的广泛应用，与此同时，常用的“L型”挤出机的安装及调试难度高[3-4]，只有在设计源头将各方面问题都考虑清楚，才能保证安装、调试的顺利进行，本文将以选用“L型”挤出机组为基础探讨相关设备布置要点。

挤出机组作为整个聚烯烃装置中投资额最大的成套设备，此工段合理的设计和规划在整个装置的配管设计中至关重要。为了产品的经济性，装置规模越来越大，挤压造粒工段占地面积也越来越大，厂房的单柱跨距已经超过12 m，厂房单层占地面积超过1 000 m2，且此区域成套设备较多，配管设计作为总体协调统筹者，需要考虑的综合因素较多，对设计者自身设计水平、此工段特点的理解要求较高。本文从挤出机厂房尺寸的确定、切粒水及排水系统布置三个方面，分析、讨论HDPE装置挤压造粒工段设备布置要点，为今后的设计工作提供参考。

1 挤压造粒工段设备布置

对于挤压造粒工段，各个工艺技术的HDPE装置流程均类似，除经典主流程外，通常还会配以切粒水系统、开车拉料池、粒料分离池及消防电梯排水系统等辅助设施，以达到整个系统正常使用需要的各种功能。因挤压造粒工段的相似性及重要性，各设计单位配管设计人员对于挤压造粒系统布置的研究较多[5-7]，但多集中于“I型”挤出机，少数“L型”的研究也缺少对整个排水收集系统的探讨，本文将着重讨论整个系统的布置及排水收集方案的设计。

聚烯烃装置的挤压造粒工段的核心就是挤压造粒厂房，厂房一般为封闭式丙类高层厂房，厂房内为粉尘22区，为了减少一层的粉尘防爆区域范围，也有一层采用半开放形式的，半开放厂房以挤出机进料口为中心，半径3 m 范围内为粉尘防爆区，通常上层为固体添加剂加料器，添加剂的加料口设有防止粉尘逸散的设施。整个生产过程都是密闭操作，并对整个系统充氮保护。挤压造粒机模头有的供应商选用高压蒸汽加热，根据需要，有时也采用丙B类重油作为热油加热介质，热油撬块的附近为气体2区。

设备布置应按照工艺流程图的要求，考虑物流顺序是否合理，区域内设备、建构物的间距及消防通道的设置是否防火和防爆，并满足有关标准规范的要求。根据GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准（2018年版）》所述，挤压造粒工段的生产物料主要是属于火灾危险性丙类的聚烯烃类塑料产品，由于整个生产过程都是在设备内密闭操作，不会接触到点火源，多年来该类厂房也从未发生过火灾事故，因此防火间距问题并不是本区域设备布置考虑的重点，应主要根据工艺流程图及物流顺序是否合理来考虑设备布置。

1.1 挤压造粒厂房尺寸确定

作为挤压造粒工段的核心建（构）筑物，挤压造粒厂房的布置应是最先确定的。与其他工段不同，挤压造粒厂房的柱网布置及层高设置受挤压机组及添加剂进料系统的影响很大，尤其是挤出机组的选择将直接影响厂房方案。

整个厂房以第一层设备布置最为拥挤。以神户制钢（KOBE）的LCM500 机型为例，其混炼段（包含主电机及螺杆抽芯空间）总长度已经超过36 m，与其垂直的挤压造粒段长度也超过14 m，“L型”挤出机实际占地为“T”型，将厂房分割成三个区域，确定柱网布置时不但要考虑挤出机组的使用方便，还需考虑结构上实现的难度和造价。

因国内标准要求消防电梯至少每隔11 m 需要设置可开启的电梯安全逃生门，这实际上已经将第一层的层高限制在11 m 内，一层的层高主要是由设备吊装空间、进料缓冲料斗及顶部管道布置决定，一层的挤出机吊装方案中通常是主电机和齿轮泵的吊装空间要求最高，如果撬间管道布置在顶部的话，以神户制钢（KOBE）的LCM500 机型为例，需要选择极限的10.9 m 层高才能满足要求。

一层以上各层层高主要由干燥器、切粒水水箱（如水箱在室内布置的话）、添加剂系统缓冲料斗及相应检修吊轨所需高度决定，除了设备所需高度外，因切粒水系统管道布置要求较高，也应放在考虑因素之内。总体上上部几层设备及管道较少，只需考虑以上关键因素即可确定层高。

挤压造粒厂房柱网、层高的确定很大程度上依赖供应商资料的深度，需要在开工会上对供应商提出完整的资料清单及提交时间要求，另外这也是一个多专业协同商议的结果，且如果层高不够，日后的修改难度很大、代价很高，在配管专业做好布置后，应组织相关专业进行项目级评审，以免有遗漏造成错误。

1.2 切粒水系统设备布置

挤压造粒的的切粒水系统是密闭循环水系统，主要负责粒子的运输和冷却。切粒水系统整个管道布置的管道长度、坡度及走向对系统正常运行至关重要，为了避免后续试车及生产过程中发生粒料沉降、下料不畅等问题，整个切粒水系统所有设备的相对位置需要统筹考虑，在满足管道特殊要求的前提下，尽量考虑业主日后检修操作的便利性。

1.2.1 切粒水箱布置

切粒水水箱是切粒水系统的核心之一，随着水箱及其切粒水筛分器体积越来越大、业主对于室内生产空间洁净要求的提高，切粒水水箱布置在室内的情况越来越少，对于大型HDPE装置，特别是切粒水筛分器与水箱是分体式安装或带清洗喷嘴等特殊结构的，在不考虑防冻的情况下，建议直接采用室外布置。为了保证切粒水循环系统的水质，供应商及业主有时会提出切粒水筛分器采用半露天布置，此时可以将水箱及其附件与热油单元集中布置，共用防雨棚，节约空间且降低了结构成本。

如水箱布置在室内，需要考虑额外的排水沟和收集用围堰，此处污水含有塑料粒子，需经过撇粒池过滤后才能进入生产污水池。

1.2.2 干燥器布置

切粒水系统中，切粒机切粒后至干燥器入口的管道相对要求最高，此时粒子温度较高，管道需要考虑足够的坡度，且需采用大半径弯头减少流动换向带来的阻力，一般此管道坡度不应小于1/14，采用弯头的转弯半径不应小于3 D，但与此同时，粒子从切粒机切粒后至干燥器入口在管道内的停留时间不能太短，冷却不到位会使粒子黏结，一般停留时间应该不小于15 s。

因切粒机与挤出机本体直接相连，无法调节位置，为了满足以上要求，通常只能调节干燥器位置，一般在同时满足管道坡度和停留时间两个要求的情况下，干燥器应该布置在厂房三楼且平面位置尽量靠近切粒机出料口，但因合格粒子的风送转阀为了保证粒料的下料通畅，通常布置在干燥器的正下方，故还需考虑干燥器在一楼地面的投影位置不应有其他挤出机辅助设施，图1为某项目典型HDPE装置挤压造粒厂房立面图。

1.3 挤压造粒工段排水收集系统布置

HDPE装置挤压造粒工段的排水点都是围绕挤出机组设置的，主要分为两个收集系统：一个是以开车拉料池为终点的挤出机开车拉料冷却水收集系统，仅在挤出机开车拉料时使用；另一个是以粒料分离池为终点的含粒子水收集系统，在挤出机连锁停车卸料、水箱溢流及平时清洗等多种情况下使用。两个排水收集池都需要设置溢流管，最终污水排往生产污水池。排水系统的布置需要与地面挤出机组的设备布置紧密结合，做到相辅相成。

图1 典型HDPE装置挤压造粒厂房立面图Fig.1 Section view of typical HDPE extrusion unit

1.3.1 挤出机开车拉料冷却水收集系统

在挤出机开车过程中，开车阀会有大量的开车废料排出，“拉料”过程需要拉料冷却水系统配合，其主要作用是冷却熔融物料及减少“拉料”过程阻力。

为了达到以上目的，应在排水沟起始位置顺“拉料”方向预埋冷却水管道，管道一般不小于6寸，以保证有足够流量的新鲜水不断加入，为了方便“拉料”操作，排水沟宽不应小于800 mm。开车拉料池应为细长形，尽量增加开车废料在池内的停留时间，提高冷却效果，池子不宜过深或过浅，过浅冷却效果不佳，过深池水的利用率低，投资过大。池边需设置可拆卸护栏，平时起劳动保护作用，开车时拆除部分拱“拉料”使用。

除了开车阀以外，切粒模板也有少量拉料的需求，对于“I型”挤出机两个位置比较近，而“L型”挤出机的拉料位置刚好被挤出机本体分割在两侧，由一个收集池很难兼顾，但模板位置可以考虑临时使用粒料分离池的排水系统，不再单独设置废水收集系统。

1.3.2 挤出机含粒子水收集系统

挤压造粒系统内含粒子水的排放点主要有四处：挤出机连锁停车卸料管口、干燥器不合格料排放收集点、切粒水水箱溢流及切粒水筛分器过滤器排放收集点。另外，因干燥器和振动筛区域在操作过程中，往往会有很多含粒子水流出，一般此区域会单独设置室内围堰，收集的废水也要排至粒料分离池。

如上文所述，整个系统需要收集所有排放点液体，其中挤出机连锁停车卸料管口的瞬间排放量最大，此排放口一般在切粒机附近布置，故此处的排水沟需要足够大的容积来缓冲整个泄放过程，因此区域沟内还需要布置切粒水回水管道、机组内部撬间管道，一般深度不会小于1 m，故可根据干燥器与切粒机之间所有切粒水体积之和及排水沟的泄放能力估算此缓冲区域的面积，来满足紧急停车时的泄放要求，图2为某项目典型HDPE装置挤压造粒厂房地面粒子水收集系统布置。

需要注意的是在气体2区范围内的坑、沟、井及低于地坪面的区域应该划分为气体1区，因为通常热油单元会与水箱集中布置，排水沟不可避免地要经过气体2区，故建议不要在此区域的沟内布置有防爆要求的仪表等部件，以免发生因专业间沟通不畅等问题造成达不到防爆要求的情况。

图2 典型HDPE装置挤压造粒厂房地面粒子水收集系统布置Fig.2 Typical layout of pellet water collecting system of HDPE extrusion unit

2 结束语

综上所述，挤压造粒工段的设备布置需要设计者对此区域有很强的工艺理解和配管预见性，特别是现实情况不能及时得到所有资料时，需要综合以往项目经验做出合理的预判和布置，并做到以下几点：

（1）重视各个成套设备的开工会；

（2）在前期对于厂房尺寸的确定、吊梁检修方案的布置等涉及多专业的关键内容进行项目级评审，尽量全面地审查设计方案；

（3）注意核算切粒水管道内停留时间及管道坡度，避免发生发生粒料沉降、下料不畅等问题；

（4）挤压造粒系统的排水系统需要结合前期资料及其他项目经验提前规划考虑，避免在项目后期修改。