聚烯烴集裝箱灌裝技術(shù)研究

劉益弘，邊震，孟凡娜，汪洋

（1. 中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012；2. 中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071）

散裝運(yùn)輸是指將顆粒狀或粉末狀固體物料在不經(jīng)過袋裝或桶裝的情況下，以散狀物料的形式裝入適當(dāng)?shù)墓ぞ吆驮O(shè)備進(jìn)行運(yùn)輸。散裝運(yùn)輸省略了裝載端的包裝環(huán)節(jié)及卸載端的拆包環(huán)節(jié)，具有作業(yè)流程短、運(yùn)輸量大、成本低等諸多優(yōu)勢。目前固體物料的散裝運(yùn)輸已在國內(nèi)諸多行業(yè)得到了應(yīng)用。2007 年11 月，國家發(fā)改委在糧食行業(yè)部署“四散化”運(yùn)輸工作，促進(jìn)糧食由包糧運(yùn)輸向散儲、散運(yùn)、散裝、散卸“四散化”運(yùn)輸?shù)淖兏?，以?shí)現(xiàn)糧食流通現(xiàn)代化，提高糧食流通效率，降低糧食流通成本[1]。隨著“四散化”運(yùn)輸?shù)牟粩嗤茝V，我國原糧運(yùn)輸中散糧比例已由2007 年的15%提高至2019 年的50%左右，顯著提升了我國糧食物流現(xiàn)代化水平和運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性。無獨(dú)有偶，2018年1 月，農(nóng)業(yè)部辦公廳發(fā)布指導(dǎo)意見，將飼料散裝散運(yùn)作為降成本保安全促融合的重要途徑。由此可見，推進(jìn)固體產(chǎn)品散裝散運(yùn)，是實(shí)現(xiàn)流通方式現(xiàn)代化，提高流通效率的重要舉措[2]。

作為工業(yè)生產(chǎn)的重要原料，合成樹脂與糧食及飼料等固體物料相比，密度及流動性等物料特性相似，且同樣具有產(chǎn)量高、需求量大、運(yùn)輸距離長等特點(diǎn)，適宜推廣散裝運(yùn)輸。目前主流聚烯烴運(yùn)輸方式仍以25 kg 小袋包裝運(yùn)輸為主，袋裝產(chǎn)品無論通過公路或鐵路運(yùn)輸，均需要進(jìn)行包裝、裝車、運(yùn)輸、卸載、拆包等一系列作業(yè)，工作流程較長，自動化程度較低，且隨著新建裝置陸續(xù)建成投產(chǎn)，新增運(yùn)輸需求和運(yùn)力緊張之間的矛盾進(jìn)一步加劇，現(xiàn)有包裝和運(yùn)輸方式將難以保障聚烯烴的運(yùn)輸需求。因此，推進(jìn)聚烯烴散裝運(yùn)輸，是提升運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)性的重要途徑。

推進(jìn)聚烯烴散裝運(yùn)輸具有以下5 方面優(yōu)勢：

（1） 節(jié)約費(fèi)用。與傳統(tǒng)包裝運(yùn)輸相比，散裝運(yùn)輸省略了包裝環(huán)節(jié)，因此節(jié)約了包裝成本。

（2） 節(jié)省人力。散裝運(yùn)輸減少了包裝、搬運(yùn)及拆包等環(huán)節(jié)，需要裝卸工人數(shù)大幅減少，節(jié)省了人力同時(shí)降低了勞動強(qiáng)度。

（3） 保證質(zhì)量。袋裝運(yùn)輸過程中容易因?yàn)榘b袋破損及人工拆包造成二次污染，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量、品牌聲譽(yù)和市場競爭力，隨著用戶對原料清潔程度的要求日益提高，散裝運(yùn)輸能夠更好適應(yīng)用戶需求。

（4） 減少損耗。袋裝運(yùn)輸過程中聚烯烴產(chǎn)品調(diào)運(yùn)需多次轉(zhuǎn)倒，容易造成損耗，多一個(gè)中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)、多一種運(yùn)輸方式則損耗更大，而散裝運(yùn)輸基本無損耗。

（5） 更加環(huán)保。散運(yùn)能夠改善工人勞動環(huán)境、減輕勞動強(qiáng)度、產(chǎn)品沿途撒漏減少，同時(shí)杜絕了廢棄包裝材料對環(huán)境的污染。

為了實(shí)現(xiàn)聚烯烴散裝運(yùn)輸，需要在生產(chǎn)、裝載、運(yùn)輸、卸載、儲存、使用等全作業(yè)流程進(jìn)行設(shè)備配套，在生產(chǎn)企業(yè)裝載端、物流中轉(zhuǎn)端、用戶卸載端應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況配備不同形式的散料裝運(yùn)及卸載設(shè)施，以滿足散裝、散運(yùn)、散卸的操作需要。本文主要探討聚烯烴生產(chǎn)裝置集裝箱灌裝技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

1 聚烯烴集裝箱灌裝技術(shù)

在聚烯烴生產(chǎn)裝置中，散料灌裝可分為粉料灌裝與粒料灌裝。粉料灌裝與粒料系統(tǒng)配置基本相同，由于聚烯烴粉料處于氮?dú)猸h(huán)境下，因此灌裝過程同樣需要為氮?dú)猸h(huán)境，在裝車/裝箱前需要使用氮?dú)鈱Σ圮嚮蚣b箱進(jìn)行吹掃；粒料由于處于空氣環(huán)境下，因此需要根據(jù)物料最小點(diǎn)火能設(shè)置相應(yīng)防靜電設(shè)施。粒料灌裝一般設(shè)置在包裝工段。根據(jù)集裝箱型式的不同，聚烯烴集裝箱灌裝可分為通用集裝箱灌裝與專用集裝箱灌裝，以下分別對這兩種灌裝形式進(jìn)行介紹。

1.1 通用集裝箱灌裝

通用集裝箱灌裝常用于遠(yuǎn)距離、大運(yùn)輸量的散裝運(yùn)輸情況。物流運(yùn)輸中常用的通用集裝箱類型為20 ft 普柜集裝箱與40 ft 普柜集裝箱，兩種集裝箱的規(guī)格參數(shù)如表1 所示。

表1 通用20 ft 集裝箱與40 ft 集裝箱規(guī)格Table 1 Specification of 20 feet container and 40 feet container

由于聚烯烴需要用于下游工業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品清潔度要求較高，為了避免聚烯烴與集裝箱貨柜接觸造成污染，通用集裝箱設(shè)有內(nèi)襯袋（如圖1 所示）。集裝箱內(nèi)襯袋多以PE 薄膜作為主要材料，袋體是與集裝箱空腔相對應(yīng)的長方體，袋體上開設(shè)有進(jìn)料口、出料口和透氣口，進(jìn)料口和出料口通過扎口繩封閉。根據(jù)灌裝時(shí)集裝箱的不同位置，通用集裝箱灌裝可分為舉升灌裝與水平灌裝。

圖1 集裝箱內(nèi)襯袋Fig.1 Lining bag of container

1.1.1 通用集裝箱舉升灌裝

舉升灌裝是使用自卸車或液壓升降臺將集裝箱傾斜舉升至一定角度后，將灌裝設(shè)備與集裝箱內(nèi)襯袋進(jìn)料管口連接，在確認(rèn)管口連接完成后，首先對內(nèi)襯袋進(jìn)行充氣吹掃，然后打開進(jìn)料閥門進(jìn)行灌裝，料倉內(nèi)的聚烯烴產(chǎn)品通過重力裝入集裝箱內(nèi)襯袋內(nèi)。裝車位設(shè)有汽車衡，其重量信號與進(jìn)料閥門進(jìn)行連鎖控制，當(dāng)集裝箱灌裝至設(shè)定重量后即關(guān)閉閥門，完成灌裝操作。灌裝能力可達(dá)80 t/h。舉升灌裝系統(tǒng)由料倉、閘板閥、除塵器、灌裝頭、汽車衡組成，典型設(shè)備布置如圖2 所示。舉升灌裝系統(tǒng)既可設(shè)置于新建灌裝料倉，也可設(shè)置在包裝料倉。由于舉升灌裝需要將集裝箱傾斜舉升至一定角度，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定料倉高度時(shí)，需考慮不同尺寸集裝箱舉升后的高度。

圖2 舉升灌裝典型布置Fig. 2 Typical arrangement of lifting loading

通用集裝箱舉升灌裝已應(yīng)用于國內(nèi)外聚烯烴粉狀及粒狀產(chǎn)品灌裝。

1.1.2 通用集裝箱水平灌裝

水平灌裝系統(tǒng)用于完成集裝箱灌裝操作，灌裝位設(shè)有稱重地磅，待集裝箱就位完成靜電接地和其他準(zhǔn)備工作后，連接灌裝設(shè)備和集裝箱內(nèi)襯袋進(jìn)料管口。操作人員確認(rèn)管口密封后，開始對內(nèi)襯袋進(jìn)行充氣吹掃，然后打開進(jìn)料閥門進(jìn)行散料灌裝，地磅重量信號與進(jìn)料閥門設(shè)置連鎖控制，通過地磅稱重?cái)?shù)據(jù)控制關(guān)閉進(jìn)料閥門，此完整過程通過邏輯聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)。封閉集裝箱內(nèi)襯袋進(jìn)料管口后，關(guān)閉箱門，將灌裝完畢的集裝箱運(yùn)出灌裝位。

水平灌裝系統(tǒng)由灌裝系統(tǒng)及發(fā)送罐輸送系統(tǒng)組成，典型流程如圖3 所示。

圖3 水平灌裝系統(tǒng)典型流程Fig. 3 Typical process of horizontal loading

水平灌裝是將集裝箱水平放置于平臺或車輛上，灌裝設(shè)備與內(nèi)襯袋進(jìn)料管口連接，帶有速度的聚烯烴顆粒從進(jìn)料口進(jìn)入集裝箱后做平拋運(yùn)動，最終落入集裝箱內(nèi)，根據(jù)平拋運(yùn)動分解，聚烯烴顆粒在垂直方向做自由落體運(yùn)動：

式中h——平拋運(yùn)動起始點(diǎn)高度，m；

t——自由落體運(yùn)動時(shí)間，s；

g——重力加速度，m/s2。

根據(jù)式（1），當(dāng)h取40 ft集裝箱內(nèi)部高度2.2 m時(shí)，聚烯烴顆粒在集裝箱內(nèi)的運(yùn)動時(shí)間約0.67 s，為了使顆粒能夠落入集裝箱內(nèi)最內(nèi)側(cè)，考慮理想狀態(tài)下平拋運(yùn)動水平方向?yàn)閯蛩僦本€運(yùn)動，則位移長度為12 m，根據(jù)速度公式：

式中ν——運(yùn)動速度，m/s；

s——運(yùn)動距離，m；

t——運(yùn)動時(shí)間，s。

可以得出理想狀態(tài)下其入口初速度應(yīng)不低于18 m/s，實(shí)際應(yīng)用中考慮到灌裝口高度位于集裝箱頂部下方以及空氣阻力等，聚烯烴顆粒初速度的選取需考慮相關(guān)因素的影響。

目前常用的水平灌裝方法有氣力灌裝技術(shù)、皮帶拋料技術(shù)與重力灌裝技術(shù)。

1.1.2.1 氣力灌裝技術(shù)相關(guān)理論計(jì)算

氣力灌裝技術(shù)以稀相風(fēng)送的方式將聚烯烴顆粒吹入集裝箱內(nèi)襯袋，氣力灌裝系統(tǒng)設(shè)有風(fēng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)閥及過濾器，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流將從旋轉(zhuǎn)閥出口落下的聚烯烴顆粒輸送入集裝箱內(nèi)襯袋，輸送完畢的氣體通過管線引至過濾器經(jīng)過濾后排放。

根據(jù)風(fēng)送系統(tǒng)相關(guān)計(jì)算，氣力灌裝所需風(fēng)量可按式（3）計(jì)算[3]：

式中Qa——輸送風(fēng)量，m3/h；

Gs——裝置計(jì)算生產(chǎn)率，kg/h；

ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3；

m——固氣比。灌裝輸料管直徑可按式（4）計(jì)算[3]：

式中Ds——輸料管直徑，m；

n——輸料管數(shù)量；

νa——?dú)饬鬏斔退俣?，m/s。

選擇適合的氣流輸送速度是風(fēng)送計(jì)算的重要步驟，對粒度均勻的物料，一般可選取物料懸浮速度的1.5 ～ 2.5 倍，即能滿足正常輸送要求。而物料懸浮速度大小主要取決于物料的密度、粒度、形狀、表面狀態(tài)及輸料管直徑、空氣密度等。目前雖已有多種計(jì)算懸浮速度的公式，但由于確定系數(shù)困難，因此難以獲得精確的計(jì)算結(jié)果。物料懸浮速度最可靠的是通過試驗(yàn)測定[4]。經(jīng)過測定，聚烯烴粒料的懸浮速度6.1 ～ 7.3 m/ s，因此其氣流輸送速度不應(yīng)小于9.2 m/ s，但由于氣力灌裝需要滿足40 ft 集裝箱灌裝要求，因此選取氣流輸送速度時(shí)應(yīng)不小于18 m/s。

在確定了氣流輸送速度后，還需確定固氣比。固氣比是指單位時(shí)間內(nèi)輸送物料的質(zhì)量Gm與輸送所需空氣質(zhì)量Ga之比值，如式（5）所示：

固氣比的數(shù)值受風(fēng)機(jī)性能、物料物理性質(zhì)、輸送方式及輸送條件等因素影響，在計(jì)算風(fēng)送系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)上述條件來選定合適的固氣比，一般在聚烯烴稀相風(fēng)送中固氣比m取10。

根據(jù)氣體在輸送過程中流經(jīng)起點(diǎn)與終點(diǎn)的質(zhì)量流量相同原則：

式中ρ1——風(fēng)送起點(diǎn)氣體密度，kg/m3；

ν1——風(fēng)送起點(diǎn)氣體速度，m/s；

ρ2——風(fēng)送終點(diǎn)氣體密度，kg/m3；

ν2——風(fēng)送終點(diǎn)氣體速度，m/s。

由式（6）可知，為了計(jì)算風(fēng)送起點(diǎn)氣流輸送速度，需已知風(fēng)送起點(diǎn)氣體密度，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式（7）、物質(zhì)的量公式式（8）及密度公式式（9）：

方程式也可寫成以下兩種形式：

式中P——?dú)怏w壓強(qiáng)，Pa；

V——?dú)怏w體積，m3；

n——物質(zhì)的量，mol；

R——理想氣體常數(shù)；

T——絕對溫度，K；

m——物質(zhì)質(zhì)量，kg；

M—— 物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，數(shù)值上等于物質(zhì)的分子量；

ρ——?dú)怏w密度，kg/m3。

從式（10）及（11）可以看出，當(dāng)M、R、T相同時(shí)，氣壓P與氣體密度ρ呈正比關(guān)系，即：

式中ρ1——風(fēng)送起點(diǎn)氣體密度；

P1——風(fēng)送起點(diǎn)氣體壓力；

ρ2——風(fēng)送終點(diǎn)氣體密度；

P2——風(fēng)送終點(diǎn)氣體壓力。

由于氣力灌裝在聚烯烴物料通過旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)入風(fēng)送管線后需要進(jìn)行一段水平距離的輸送后灌裝進(jìn)入集裝箱，在輸送過程中會發(fā)生輸送壓力損失，因此在已知灌裝出口輸送末端大氣壓力與空氣密度的基礎(chǔ)上，可通過計(jì)算中水平輸送過程中的壓力損失，反推得出輸送起點(diǎn)所需的空氣壓力數(shù)值，即可計(jì)算風(fēng)送起點(diǎn)輸送速度及所需風(fēng)量。

水平輸送過程中的壓力損失可按式（13）計(jì)算[4]：

式中l(wèi)——輸送管道長度，m；

D——輸送管道直徑，m；

m——固氣比；

ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3；

νa——?dú)饬魉俣龋琺/s；

kP—— 實(shí)驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可根據(jù)氣流速度

查表確定；

λa—— 純空氣運(yùn)動時(shí)摩擦阻力系數(shù)，主要取決

于雷諾數(shù)與管壁粗糙度，工程設(shè)計(jì)時(shí)，可按經(jīng)驗(yàn)公式（14）計(jì)算[3]。

1.1.2.2 皮帶拋料技術(shù)相關(guān)理論計(jì)算

皮帶拋料技術(shù)采用皮帶向前運(yùn)動作為動力[5]，聚烯烴顆粒在落入皮帶后被拋射進(jìn)入集裝箱內(nèi)。皮帶為尼龍材質(zhì)，在應(yīng)用中可根據(jù)輸送量、帶速、帶寬及皮帶長度確定相關(guān)參數(shù)，如式（15）所示[6]：

式中ν——帶速，m/s；

k——傾斜系數(shù)，水平輸送為0；

ρ——物料松散密度，m3/s；

S—— 輸送帶上物料最大橫截面積，m2，可根據(jù)以下公式計(jì)算。

式中b——有效帶寬，m；

θ—— 動堆積角，一般為物料安歇角的50% ～ 75%；

l3——皮帶機(jī)中輥長度，m。

1.1.2.3 重力灌裝技術(shù)相關(guān)理論

重力灌裝技術(shù)采用將聚烯烴顆粒落料時(shí)的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能的方式進(jìn)行灌裝，不設(shè)置其他輔助動力設(shè)施，由于物料動能完全由重力勢能轉(zhuǎn)化，因此為了達(dá)到所需的顆粒初速度，需相應(yīng)加高料倉框架高度，以滿足40 ft 集裝箱灌裝需求。

重力灌裝由于不設(shè)置其他動力設(shè)施，因此顆粒的動能均由重力勢能轉(zhuǎn)化，在顆粒下落過程中，會受到空氣阻力、管壁摩擦力和顆粒間互相碰撞作用力影響，可通過實(shí)驗(yàn)的方式確定相關(guān)參數(shù)。若以單個(gè)顆粒下落為例，在不考慮任何能量損失的理想情況下，料倉出料口距集裝箱入料口高度應(yīng)不低于15 m。在實(shí)際應(yīng)用中，由于顆粒在下落過程中需要克服空氣阻力與摩擦力做功，重力勢能無法全部轉(zhuǎn)換為動能，因此在確定料倉出料口高度時(shí)需考慮相關(guān)因素的影響。三種水平灌裝設(shè)備對比如表2 所示。

表2 水平灌裝設(shè)備對比Table 2 Horizontal loading equipment comparison

1.3 專用集裝箱灌裝

專用集裝箱灌裝是把專用集裝箱置于機(jī)車的頂部，專用集裝箱的裝口置于集裝箱頂部，采用頂部灌裝形式就近灌裝。專用集裝箱灌裝的優(yōu)點(diǎn)是灌裝效率高、灌裝時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，適用于大產(chǎn)量、長距離的運(yùn)輸模式。由于聚烯烴灌裝專用集裝箱目前仍在研發(fā)過程中，目前國內(nèi)聚烯烴行業(yè)尚未采用專用集裝箱進(jìn)行散運(yùn)，專用集裝箱灌裝在其他行業(yè)已有應(yīng)用。圖4給出了普光氣田在散裝硫磺運(yùn)輸中采用了專用集裝箱灌裝方式，共投入2 500 只干散貨箱，采取五定班列循環(huán)運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)輸[7]。灌裝時(shí)，散料硫磺通過帶式輸送機(jī)輸送至裝車樓內(nèi)，并經(jīng)過裝車樓內(nèi)設(shè)置的4個(gè)裝車口同時(shí)灌裝兩個(gè)集裝箱。

圖4 普光硫磺專用集裝箱裝車Fig. 4 Container railcar in puguang sulfur plant

2 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對于聚烯烴原料的需求與日俱增。由于聚烯烴生產(chǎn)裝置與下游用戶距離較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的袋裝運(yùn)輸方式存在成本較高、運(yùn)輸效率較低等缺點(diǎn)。散裝運(yùn)輸能夠減少中間環(huán)節(jié)，降低物流成本，可適應(yīng)未來市場發(fā)展的需要。

發(fā)展散裝運(yùn)輸，首先要在生產(chǎn)裝置配置散料灌裝設(shè)施，散料灌裝設(shè)施包括料倉、稱重儀、地磅、灌裝設(shè)備等，與傳統(tǒng)25 kg 袋裝方式相比，節(jié)省了包裝設(shè)備投資費(fèi)用與包裝成本，減少了袋裝產(chǎn)品倉庫建設(shè)投資費(fèi)用，降低了人力成本與中間作業(yè)損耗，在長期運(yùn)行中具有良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，不同形式的通用集裝箱灌裝技術(shù)已應(yīng)用于各類型生產(chǎn)企業(yè)，隨著專用集裝箱的研發(fā)，專用集裝箱灌裝將會在未來得到越來越多的應(yīng)用，能夠進(jìn)一步提高運(yùn)輸效率與經(jīng)濟(jì)性。

在推進(jìn)散裝運(yùn)輸?shù)倪^程中，需要在生產(chǎn)裝置配備合適的灌裝設(shè)備。在選擇灌裝技術(shù)時(shí)，可根據(jù)不同的灌裝形式、不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和具體適用場景，對生產(chǎn)企業(yè)與下游用戶實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮，選取不同的灌裝形式。但隨著專用集裝箱的進(jìn)一步研發(fā)，專用集裝箱灌裝將會在未來得到越來越多的應(yīng)用。