实现挤压造粒机组超低负荷连续运行的方法研究

的方法研究

李恒

(中科（广东）炼化有限公司，广东 湛江 525000)

摘要：详细介绍了某炼化公司聚丙烯装置由于丙烯原料不足造成挤压造粒机组需长期超低负荷连续运行的现状，对机组存在的问题进行了认真、系统的分析。通过对比论证，提出了实现机组超低负荷连续运行的方案，利用理论计算验证了方案的可行性，最终的方案通过了机组实际运行考核验证，从根本上解决了改造前机组存在的无法长期连续稳定运转及切粒成品率低的问题，取得了良好的经济效益。

关键词：挤压造粒机；树脂；超低负荷；螺杆；筒体阀中图分类号：TQ30.663

文章编号：1009-797X(2019)22-0042-05

DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2019.22.007文献标识码：B

0　前言

某炼化公司炼油配套完善工程聚丙烯装置采用国产化第二代环管法聚丙烯工艺，是用串联双环管反应器来生产聚丙烯均聚物，装置设计产量为14 万t/a，年操作时间为8 000 h，产量17.5 t/h，可生产产品牌号26个。装置生产单元共设计一条生产线，主要由前系统的聚合反应区和后系统的挤压造粒区两大部分组成，聚合反应区设计操作弹性为45%~110%，挤压造粒区设计操作弹性为机组设计能力的60%~110%。2009年9月11日，聚丙烯装置与炼油配套的120 万t/a的催化裂化装置（2#）一并建成并投入正常运行。

投产后，发现两套催化裂化装置（1#催化裂化30 万t/a，两套催化裂化共150 万t/a）生产出的丙烯的原料仅为11t/h，与聚丙烯装置设计产量17.5 t/h相差了6.5 t/h。后来，为了满足聚丙烯装置的生产需要，分别对两套催化裂化装置进行了更换催化剂、更换原油品种、优化操作工艺参数等调整和优化以期提高丙烯的产量，但效果并不明显。因此，聚丙烯装置只能长期处于60%左右负荷的情况下运行。聚合反应区由于其操作弹性较大尚能在该负荷下平稳连续运行，而挤压造粒区的挤压造粒机组长期在如此超低负荷下运行，机组出现了以下问题：

（1）负荷过低，挤压造粒机组无法维持连续、稳定运行。

（2）负荷过低，模板堵孔严重，切粒效果差。

1　挤压造粒机组的技术参数及工作原理

为什么挤压造粒机组负荷过低就会引发以上两个问题呢？我们只有先了解该挤压造粒机组的技术参数及工作原理后，才能做进一步的分析与说明。

1.1　挤压造粒机组技术参数

制造厂家：日本制钢所（JSW）机组型号：CMP308螺杆公称直径：308 mm

螺杆形式：啮合型自洁式同向双螺杆螺杆支撑形式：单端支撑螺杆长径比：24.5

螺杆转速：221/175 r/min（双速）产量（max）：23 t/h最小连续开车产量：13 t/h 1 184个模孔数量：

模孔直径：Φ2.6 mm 主电机功率：5 500 kW

1.2　挤压造粒机组工作流程

从聚合反应区输送来的聚丙烯粉料和添加剂经计量、预混后通过主机加料斗进入挤压造粒机第一段筒体中，在两根同向旋转的双螺杆的输送、剪切作用下，物料在挤出筒体中完成熔融、混炼、塑化等过程后形成性能均一的聚合物熔体，熔体经开车阀（D/V）后，

作者简介：李恒（1977-），男，硕士，设备高级主管，高级工程师，主要从事石油化工工作。

收稿日期：2019-06-11

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机械与模具

再通过换网器（S/C）将其中的杂质（防止杂质损坏切刀，并保证产品质量）过滤，之后熔体被从模板的模孔中挤出并被紧贴着模板高速旋转的切刀切成大小均匀的颗粒，经由颗粒水冷却、离心甩干机进行粒水分离后经振动筛筛分就可以得到外形美观、大小均一的成品颗粒。其流程如图1所示。

李恒·实现挤压造粒机组超低负荷连续运行的方法研究摩。而只有筒体内有足量熔融树脂时，也即螺杆的充满度达到一定程度时，树脂产生的浮力才能把螺杆从筒体上完全托起，此时螺杆与筒体无接触，无机械摩擦，此种状况为挤压造粒机组螺杆运行的正常工况。

2　挤压造粒机组的使用现状及存在的问题

2.1　挤压造粒机组的使用现状

为了使得挤压造粒机能够连续运行，我们尝试把主减速器切换到低速档（175 r/min），将负荷降到12.5 t/h，在运行过程中测量发现主减速器的振速从1.0 mm/s逐渐上升到2 mm/s左右，减速箱和筒体发出的噪声也明显增大。而当我们逐渐将负荷提至15 t/h后，噪声明显减小。由此可以判断：当负荷降低时，进入挤压造粒机组筒体中的粉料减少，熔融后的树脂在螺杆中的充满度降低，使得树脂无法将螺杆托起来，导致螺杆和筒体之间出现干摩现象，产生了明显的冲击和较大的噪声。这种冲击经螺杆芯轴传递给与之相连的主减速器，使其振动加剧，噪声增大。随后，我们在更换换网器滤网时，发现换下的滤网中有少许黑色的金属物质，也印证了螺杆和筒体干摩这一现象。为了避免由于干摩造成挤压造粒机组的主要部件螺杆和筒体（见图3）的损坏，我们只好把负荷提高到适中的15 t/h运行，但由于聚合反应区的产量只有11 t/h，前后物料无法平衡。因此，迫不得已在日常生产中我们用中间粉料料仓（共2个，500 m3/个，每个可存粉料200 t）囤积聚丙烯粉料，待积存量达两个料仓总存储量的80%时，才开挤压造粒机组。由于后系统挤压造粒机组负荷比前系统聚合反应系统的产量大4 t/h，挤压造粒机组连续运行3天就可把中间料仓的囤积的物料用完，此时挤压造粒机组无法维持在15 t/h的工况下运行，只能停机。因而造成挤压造粒机组开3天，停1天，如此循环操作。

图1　聚丙烯挤压造粒机组工艺流程

1.3　挤压造粒机组螺杆的工作原理

［1］

由于螺杆的螺槽是呈螺旋状开放的,当物料由加料口被添加到一根螺杆上后,在摩擦、拖拽力的作用下将沿着这根螺杆的螺槽向前输送,在这里物料受到一定的挤压和剪切作用。当然，由于两根螺杆是全啮合的结构，物料不可能进人啮合区沿着一根螺杆继续前进,而是被传递、输送至另外一根螺杆的螺槽中，并在筒体表面的摩擦拖拽下沿着另一根螺杆的螺槽向前输送。如此反复输送、传递最终完成物料的熔融、混炼、塑化等过程，在输送过程中，当螺杆中物料的充满度达到一定的程度时，螺杆被托起,其物料输送及传递详见图2。

图2　物料输送流向及传递图

挤压造粒机组的双螺杆是单端支撑的悬臂结构，即一端由与其相连的主减速器输出轴的花键套支撑，而螺杆的另一端（出料端）则无支撑部件，在重力的作用下直接压在筒体上，为避免筒体与螺杆发生干摩，设计要求挤压造粒机组在启动或运行期间，筒体内必需添加一定数量的物料，这些物料在螺杆与筒体相对运动中起到支撑、润滑作用，避免螺杆与筒体发生干

图3　筒体和螺杆实物图

采用此方法，虽然避免了挤压造粒机组筒体和螺

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橡塑技术与装备（塑料）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT (PLASTICS)杆的磨损，但如此大的一个机组，反复开停对其其它机械部件也会造成一定程度的损坏。如主电机的每次启动瞬间，其扭矩可达20 000 N·m，所以每次启动对电机滑动轴承的寿命影响是很大的；挤压造粒机组每次启动时，为保证开机成功，切刀的风压和转速都比平常要高，所以切粒刀每重新启动一次，就会磨耗0.1 mm，这样就大幅缩短了切刀的使用寿命。不仅如此，反复开停机除了加速机械部件的损坏外，还带来能耗、物耗及劳动力的增加，开机过程中产生大量的回收料和大块料（图4所示）只能低价外销处理等等，这些都增加了产品的加工成本。另一方面，由于挤压造粒机组用于造粒的粉料是几天前聚合单元生产出来，这种前后系统生产的不同步，给产品质量的控制带来了很大的困难。

3.1　解决问题的方法

为了解决由于装置低负运转给挤压造粒机组带来无法长期连续稳定运转及切粒成品率低等问题，经过大量的分析研究及类比验证，提出解决方案如下：

方案1：降低主减速器的输出轴转速，从而减缓螺杆输出树脂的速度，延长树脂在筒体内停留时间，提高树脂在螺杆螺槽内的充满度，避免螺杆与筒体产生过度磨损现象。

要实现此方案，在不改变主电机的前提下，需改造主减速器，增大减速比。其改造主减速器工作量太大，施工时间长，成本也相当高；另外，切粒效果差的问题没有解决。

方案2：改变螺杆元件的组合，增加小导程和阻力元件，增加树脂在筒体中的流动阻力，延长树脂在筒体内停留时间。

该方案尽管在一定程度上可以提高物料在螺杆中的充满度，避免螺杆与筒体之间的磨损，但由于对于固定配方的物料，其所对应的螺杆组合也应该是固定 同时期仅的，调整组合需要通过大量的实验来验证，

图4　开机时产生的大量回收料与大块料仅满足了主机对于低产量的要求，对于切粒成品率低的问题没有改善。

方案3：在保证螺杆中心距不变的情况下，减小螺杆元件的槽深，减小螺槽容积，减小螺杆的输送能力。

采用该方案尽管可以降低螺杆的输送能力，但由于螺杆元件及筒体均需要重新制作，改造周期长、投资费用高，同时对于切粒成品率低的问题没有改善。

方案4：制作一块小产量模板，减少模孔数量，让模板对螺杆出料起到限流增压的作用，提高树脂在筒体的充满度，使树脂有足够的压力支撑起螺杆，避免螺杆与筒体产生干摩；同时，小产量模板在低负荷开车时，也可保证有足量树脂经过模板的每个模孔，避免发生模孔堵塞现象，从根本上解决了切粒成品率低的问题。

此方案一举两得，通过改造模板即可解决低负荷

运行出现的无法长期连续稳定运转及切粒成品率低等问题，并且改造费用较1、2、3方案低的多，且改造周期短、实施方便。

2.2　挤压造粒机组存在问题分析

即使以15 t/h的负荷运行，对于挤压造粒机组的模板来说，负荷还是偏低的。当低产量运行时，螺杆送出的树脂只够充填模板中下部分模孔，而模板上部区域的模孔只有少量的树脂流过，由于树脂流量不足，造成模孔长时间充填不足，导致模孔内树脂在切粒水的作用下冷却造成模板部分或完全堵孔，从这些局部堵塞的模孔模出来的条状树脂，就会变得不规则和不圆滑，切成粒后，就比正常的粒料小或不规则，模孔堵塞的越多产生的小颗粒也越多。因此切粒效果变差，产生了大量不合格的小颗粒（图5为小颗粒料与正常料的图片）。

图5　正常颗粒料（左）与因局部堵孔而产生的小颗粒料

（右）的对比

经过认真对比分析，最终选用方案4。

3.2　计算与论证

方案确定后，根据挤压造粒机组开工试车的情况及以往的操作经验（笔者曾在茂名乙烯聚丙烯装置操

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3　解决问题的方法及验证

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机械与模具

作维护挤压造粒机组），挤压造粒机组在75%负荷以上（即17.5 t/h）时，切粒情况最好，此时模板堵孔率最低。因此，我们希望在更换新模板后，挤压造粒机组负荷在11.5 t/h开车时，能达到原模板在17.5 t/h时的切粒效果。要达到此效果，必须保证新、旧模板每个模孔出料的质量流量相同，并依此为依据确定出新模板模孔的数量及尺寸。具体计算分析如下：

已知：原模板的模孔直径Φ2.6 mm，模孔数为1 184个。

原模板模孔的总流通面积：S=每个模孔面积×模孔总数=π0.001 32×1 184=0.006 283 m2；

原模板所有模孔的质量流量：m=产量÷模孔总的流通面积=17 500÷3 600÷0.006 283≈773.69 kg/s/ m2。

在11.5 t/h的负荷下，要求新模板模孔的质量流量与原模板相同或相近，即新模板模孔的总流通面积为：

S=产量÷所有模孔的质量流量=11 500÷3 600÷ 773.69≈0.004 129 m。

2

李恒·实现挤压造粒机组超低负荷连续运行的方法研究新模板模孔数量为：M=新模板的总流通面积÷每个模孔的面积=0.004 129÷（π0.001 32）≈778个。

但由在于模板之前机头体流道的尺寸已固定，根据以往的经验，模孔数太少，对于模板的换热、切粒效果都会带来一定的影响，因此，在保证颗粒尺寸满足要求的基础上，根据以往的经验我们将模孔的孔径从Φ2.6 mm调整为Φ2.5 mm，重新计算得出：

新模板模孔数量为：M=0.004 129÷(π0.001 252) ≈841（个）。

图6　旧（左）新（右）模板实物照片

3.3　新旧模板的使用情况对比分析

2010年3月1日，新模板安装投用，我们收集了相关数据（见表1），对其进行倒推计算论证：

表1　新旧模板挤压造粒机组各运行数据对比

日期

2009.12.4（旧）2009.12.5（旧）2009.12.6（旧）2010.3.3（新）2010.3.8（新）2010.3.9（新）

挤压造粒机组负荷/(t.h-1)

13131311.511.511.5

主电机功率/kW

2 7842 7902 8012 4522 4652 441

树脂牌号及熔融指数/(g.10 min-1)

T03 3.1T03 3.1T03 3.1T03 3.1T03 3.1T03 3.1

筒体温度/℃

230230230230230230

节流阀开度/%

808080808080

注：日期在2010年3月1日前为原模板的运行数据，之后为新模板的运行数据。

为确保数据的准确，我们在更换模板前后，分别取了3组数据，求其平均数，再通过公式：比能耗E=功率P/产量Q计算两者的比能耗。原模板的比能耗=(2 784+2 790+2 801)/3÷13 000≈0.215 kW·h/kg新模板的比能耗=(2 452+2 465+2 441)/3÷11 500≈0.213 kW·h/kg

经计算对比，换新模板后，挤压造粒机组负荷降到11.5 t/h时，其比能耗与原模板的13 t/h的比能耗相近，说明两者工况相近，筒体内树脂充填情况也相似。

安装新模板后，首次启动挤压造粒机组，观察开机过程中模板的排料情况,开机负荷同在10 t/h的情况下，通过观察我们发现：新模板模孔出料的速度明显快于原模板，且模孔出来的条状树脂圆滑饱满，也说明新模板的挤出压力要高于原模板；同时我们通过

产量/(t.h-1）

1313161313

表2数据比较可知，更换模板后，同样的条件下，模板的挤出压力升高了0.6 MPa，达到了6.1 MPa，这个压力与旧模板在16 t/h时的压力相近，验证了更换模板后，筒体内的树脂压力得到了明显的提高，这都有助于保护螺杆及筒体。

牌号及熔融指数（g.10 min-1）

T03 3.1T03 3.1T03 3.1T03 3.0T03 3.1

表2　使用旧新模板板前压力对比情况

时间

2010.2.1（旧）2010.2.2（旧）2010.1.17（旧）2010.3.18（新）2010.3.19（新）

模板前压力/MPa

5.45.56.06.16.1

换网器滤网目数

20目20目20目20目20目

安装新模板后，当挤压造粒机组负荷为11.5 t/h时，测得主减速器的振速为1.2 mm/s，接近正常的1.0

mm/s，同时筒体和螺杆运转平稳，噪声也处于正常的状态。在2012年4月大修期间，我们全面检查了主

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橡塑技术与装备（塑料）CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT (PLASTICS)减速器内部齿轮齿面的啮合情况，情况是非常好的。保证产品质量的前提下），以提高筒体和螺杆螺槽的充满度和增大树脂压力。同时，还积极向其他企业购买丙烯原料，提高生产负荷，从源头上解决低负荷开车问题。2012年4月份大修期间，2#催化裂化实施了扩能改造，加工能力从120 万t/a提升到了150万t/a，两套催化裂化装置的丙烯产量也提高到了13.5 t/h。这些措施都有效解决了挤压造粒机组超低负荷运行的瓶颈问题。

3.4　方案实施情况

新模板自2010年3月1日投用至今已有3年多了，还未曾拆卸清理，堵孔率基本上控制在1%以内，即使机组连续、长期在低负荷下运转，其切粒效果也得到了保证，每天产生的不合格细颗粒料维持在2.6 kg左右。

在未更换模板前，从2009年9月装置开工到12月期间挤压造粒机组因待料停机15次，而模板改造至今已3年多了，挤压造粒机组因待料停机的现象没有发生，确保了低负荷下挤压造粒机组连续稳定的运行。

4　结论

通过模板的改造和优化操作，确保了挤压造粒机组在上游原料受限的情况下实现超低负荷开车，解决了原机组存在的无法长期连续稳定运转及切粒成品率低等问题，同时还大大降低了能耗、物耗及人工成本，取得了非常显著的经济效益。当然，实现挤压造粒机组长期超低负荷开车是一件非常复杂的工程，这还有待于我们做进一步深入的研究。

3.5　其他优化措施

挤压造粒机组长期处于超低负荷运转，或多或少都会对其关键部件螺杆和筒体造成一定程度的磨损，能耗也因低负荷而居高不下。为此，我们除了通过更换新模板减缓了其磨损的速度外，还通过优化操作减缓两部件的磨损，如把换网器的滤网目数从原来20目提高到200目，把筒体间隙节流阀开度尽可能调低（在

Research on the method of realizing the continuous operation of

extrusion granulation unit under ultra-low load

Li Heng

(ZhongKe (Guangdong) Refinery & Petrochemical Co., Ltd., Zhanjiang 525000, Guangdong, China)Abstract: This paper introduces in detail the present situation of long-term ultra-low load continuous operation of extrusion granulation unit in polypropylene plant of a refining company due to the shortage of propylene raw materials, and makes a serious and systematic analysis of the existing problems of the unit. Through the comparison and demonstration, the scheme to realize the ultra-low load continuous operation of the unit is put forward, the feasibility of the scheme is verified by theoretical calculation, and the final scheme is verified by the actual operation of the unit, which fundamentally solves the problems that the unit can not operate stably for a long time and the yield of granulated products is low before the transformation, and good economic benefits are obtained.

Key words: extrusion granulator; resin; ultra-low load; screw; cylinder

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