劉磊 張繼明

中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司合成樹脂廠 北京 102500

1 概述

聚丙烯作為熱塑性合成樹脂，具有耐高溫、耐化學腐蝕、抗蠕變，剛韌平衡性好等性能，在化工、建筑、食品、生物醫(yī)藥等領域有著廣泛的應用。近年來聚丙烯生產工藝發(fā)展迅速，從淤漿法到溶液法，再到本體法和氣相法的發(fā)展過程，其中氣相法工藝是應用最廣泛的聚丙烯生產工藝之一[1]。例如，廣西石化公司利用Unipol氣相法流化床工藝進行200kt/a的聚丙烯生產[2]。氣相法工藝反應器有立式攪拌床、臥式攪拌床或流化床，然而無論采用何種工藝，何種催化劑，生產過程中都會產生大量細粉[3]。細粉的主要危害就是所到之處易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，進而影響裝置的穩(wěn)定運行和長周期運轉。例如，細粉堵塞反應系統(tǒng)的換熱器，聚合反應撤熱效果差，反應溫度容易升高，出現(xiàn)結片現(xiàn)象；細粉堵塞風送系統(tǒng)的風機前過濾器，導致風機過載燒皮帶無法輸送粉料，裝置停車；此外，細粉增多還會導致設備損壞，丙烯回收率降低等問題。因此，聚丙烯細粉問題是影響生產的嚴重問題，解決細粉問題是廣大聚丙烯生產者普遍關心的，具有十分重要的意義。

2 減少細粉產生的防止對策及實施效果

某化工廠聚丙烯生產裝置的生產設計為280kt/a，聚丙烯粉料的粒徑集中在100-1000μm之間，細粉一般指粒徑小于100μm的粉料。通過對改進前生產的聚丙烯粉料進行篩分處理（見圖1）。由圖可知，改進前粒料分布范圍較廣，粒徑大于800μm的粉料占全部聚合物的28.3%，小于100μm的細粉較多，其質量分數達全部聚合物的2.9%。細粉主要是在配制、反應、輸送過程中催化劑粒子、較大粒徑聚合物、不規(guī)則片狀聚合物等的磨損產生的。研究表明，聚合物顆粒的形態(tài)、粒徑分布、堆積密度等性能受催化劑顆粒的形態(tài)結構的影響[5]。聚合物顆粒生成的實質就是將催化劑顆粒進行反復復制與擴大的過程。在聚合反應發(fā)生的過程中，顆粒的形態(tài)并不會出現(xiàn)過大的變化，即球形催化劑依舊是球形顆粒，粉狀催化劑依舊是細粉。當催化劑內部含有較多的細粉時，其形成的聚丙烯粉料中也會存在大量的細粉。催化劑粒徑的實際分布情況能有效判定聚丙烯的粒徑分布情況，要對其粒徑進行集中控制，減少粒徑較小的聚丙烯，避免細粉出現(xiàn)[6]。因此，優(yōu)化催化劑粒徑是一種減少細粉產生的對策，見圖1。

圖1 聚丙烯細粉粒徑分布圖

為保證裝置能夠正常生產，工業(yè)上一方面是從源頭上減少細粉產生。從優(yōu)化催化劑入手，減少甚至杜絕細粉產生。在生產中發(fā)現(xiàn)，改性劑硅烷的加入量對細粉的產生也有一定影響，作為等規(guī)指數調節(jié)劑與催化劑配合使用，加入量越低，等規(guī)指數越低，聚合物越不易結晶，無規(guī)物含量越高，韌性越好，不易崩裂產生粉末。在優(yōu)化硅烷的配比，不改變催化劑結構的基礎上，將催化劑粒徑由原來的23（v，0.5）/um調整至19（v，0.5）/um，增強其機械強度，減少催化劑破碎的可能性，進而減少細粉產出。如圖1所示，改進后聚丙烯粉料的粒徑集中在200～900μm，粒料分布范圍變窄，粒徑大于800μm的粉料降至全部聚合物的12.5%，小于200μm的細粉明顯減少，其質量分數達全部聚合物的1.2%。改進后細粉每月的產量減少了3.9t左右，不僅能保證長周期運行，還能降低物料消耗。

3 適應細粉的治理對策及實施效果

細粉的另一種形式是在造粒系統(tǒng)產生，由于高速運動的聚合物之間及其與裝置內壁、軸流泵之間出現(xiàn)碰撞或摩擦，顆粒將不可避免地破碎成細粉，因此工業(yè)上還可以從適應細粉的角度進行裝置改造，以保證生產穩(wěn)定運行。適應性治理需要結合具體問題，更新改造裝置條件。

風送系統(tǒng)是聚丙烯造粒裝置的核心。聚合反應之后，粉料在袋濾器中與氣體分離，在脫氣倉中脫活和干燥，然后進入混煉機/齒輪泵系統(tǒng)，加入穩(wěn)定劑，進行混煉和造粒。由于細粉顆粒較小，容易導致風機前過濾器、風機進出口換熱器等設備堵塞。改進前裝置正常生產聚丙烯過程中，由于細粉堵塞風機進出口換熱器、過濾器，導致風送系統(tǒng)的壓力升高。將原有過濾器濾芯拆卸下后，濾芯內部觀察到有大量白色粉末狀雜志，粒徑甚至小于5μm。這種通過切換濾芯以適應細粉的方式不僅產品單耗增加，人工成本也會增高。然而原有過濾器為金屬網狀過濾桶形式，過濾面積偏小，只能進行備臺切換，無法“在線”清除。針對過濾器堵塞問題，見圖2所示，在原有輸送風機C303前過濾器H303A/B并聯(lián)增加立式旋風式過濾器H303C，旋風過濾器主要借助離心力使細粉落入下部錐斗中，設計入口在正切方向，減少撞擊的程度，較少細粉產生，同時增加過濾面積，延長了切換周期。新增過濾器為濾袋式，可通過反吹氮氣將濾袋細粉沉積至底部，可在線排放清理。為了提高換熱器的細粉適應性，同時分析了換熱器結構，發(fā)現(xiàn)原有輸送氣夾帶細粉走殼程，冷卻水走管程，導致粉塵堆積堵塞換熱器殼程，出現(xiàn)輸送困難情況。針對風機進出口換熱器堵塞問題，將換熱器進行更換，將原有輸送氣夾帶細粉走殼程，冷卻水走管程，粉塵堆積堵塞換熱器不易輸送情況，根據計算更換換熱器將冷卻水走程，輸送氣夾帶細粉走管程，管程不易堵塞易于清理，見圖3。

圖2 改進前后粉料輸送系統(tǒng)示意圖

圖3 造粒細分回收系統(tǒng)改造示意圖圖

造粒系統(tǒng)細粉收集也是工業(yè)上適應細粉的一種常見策略。改進前主要通過粉塵收集器（M409）收集，收集的細粉主要為聚丙烯細粉和助劑細粉。由于這些細粉不易處理，直接排放不僅增加物耗還容易影響環(huán)境。針對上述問題，將原有粉塵收集系統(tǒng)進行改造，新增儲罐，并在粉塵收集器（M409）下方增加旋轉下料系統(tǒng)，如圖3所示，實現(xiàn)細粉實時返回混煉機進行回收，新加的儲罐裝有高低兩個料位開關，觸發(fā)高料位開關時將粉料返回。

從降低堵塞的角度對裝置進行改進后，細粉的適應性明顯提高。如4所示，改進前風送機前過濾器H303壓差持續(xù)上漲，經過2小時后，由2KPa上漲到10KPa達到滿量程，此時需要對過濾器進行切換以減少壓差，保證粉料正常輸送。生產期間過濾器清洗次數最高可達12次每天。改進后過濾器H303濾芯的更換頻率明顯下降，如圖4所示，2021年10月裝置正常生產過程中，風送系統(tǒng)的風送機前過濾器H303壓力由2KPa上漲到10KPa，經過12h，切換次數減少了六分之一。節(jié)省濾芯更換成本，降低人工作業(yè)成本。換熱器走程改進后，粉料輸送風機出口壓力穩(wěn)定降低2KPa，保證了持續(xù)運行。直排處理改進為密閉回收后，細粉回收效率提升了15%，這種增加細粉適應性的回收改進不僅可以降低物耗，又能避免固廢處理，還能減少粉塵對環(huán)境的污染。由此可見，從減少堵塞、增加回收兩個方面進行裝置改進能夠提高聚丙烯生產過程中的細粉適應性，確保裝置得以穩(wěn)定、長效、安全地運行，見圖4。

圖4 改造前后粉料輸送過濾器H303壓差圖

4 結論

催化劑顆粒分布均勻有利于提高催化劑產率和產品質量，有利于反應系統(tǒng)工藝的穩(wěn)定控制，從源頭上減少細粉。在聚丙烯生產的過程中一定會產生大量的細粉，但是可以通過生產技術的優(yōu)化及催化劑的選擇來進行改善。在實際生產的過程中，應當對催化劑的配料比及聚合反應發(fā)生的條件進行適當的調整，在完成生產之后，可以對處理系統(tǒng)進行強化，避免因細粉問題而導致管線受堵及設備受損，確保裝置得以穩(wěn)定、長效、安全地運行。