液氮冷量在廢舊輪胎粉碎中的應(yīng)用

【摘要】基于熱力學(xué)原理對液氮冷量進行了分析計算，設(shè)計了利用液氮冷量進行廢舊輪胎粉碎的工藝流程。該流程包括常溫粉碎和液氮粉碎兩部分。粉碎過程分常溫粉碎、預(yù)冷、深冷和低溫粉碎4 個階段。該流程能實現(xiàn)液氮冷量的有效利用，達到冷凍廢舊輪胎制取精細膠粉的目的。

【關(guān)鍵詞】液氮；低溫粉碎；冷量；應(yīng)用

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車數(shù)量不斷增長，隨之而來的廢舊輪胎數(shù)量急劇增長。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)期每年將近產(chǎn)生100萬噸的廢舊汽車輪胎，若不加以處理利用，不僅會造成大量資源的浪費，而且還會造成大量的土地被占用、空氣、水被污染等環(huán)保問題，因此，對其進行回收利用顯得尤為重要[1]。將廢舊橡膠低溫粉碎可生產(chǎn)出高附加值的精細膠粉，膠粉直接或改性后可廣泛應(yīng)用于橡膠塑料制品、化工建材、公路交通等領(lǐng)域[2]，不僅可以替代部分生膠，而且可以提高產(chǎn)品的性能。國內(nèi)外的低溫粉碎主要是利用液氮噴淋冷凍廢舊輪胎（如：美國的Lehigh Technologies公司、加拿大的RTI公司、德國的INTEC公司、美國的Supercool公司以及美國的Praxair公司等），該項技術(shù)相對于傳統(tǒng)粉碎技術(shù)的優(yōu)點是環(huán)保及能夠生產(chǎn)出高附加值的膠粉，缺點是相對生產(chǎn)成本（尤其是液氮消耗）比較高，所以如何合理的利用液氮冷量進行廢舊輪胎粉碎，提高液氮冷量的利用率越來越受到研究者的重視。

1、液氮冷量

從較低溫度物體轉(zhuǎn)移的熱量習(xí)慣上成為冷量。液氮通常是通過空氣分離及低溫工藝冷凍液化而成的低溫液體，溫度一般為-196℃（77 k）。液氮汽化時會放出很大的冷量。液氮汽化過程中所能回收的冷量包括潛熱和顯熱兩部分[3]，可用下式計算。

Q=r+cpΔT （1）

式中，Q為單位質(zhì)量的液氮由-196℃汽化后達到常溫所吸收的熱量，單位Kj；r為液氮的汽化潛熱，單位Kj/Kg；cp為液氮的比定壓熱容，單位Kj/（Kg*k）；ΔT為常溫與77K之間的溫差，單位K。

在101325Pa（1個大氣壓）下，單位質(zhì)量的液氮由-196℃汽化復(fù)熱到0℃，理論上具有的冷量約為990.1Kj/Kg。

2、液氮冷量在廢舊輪胎低溫粉碎中的應(yīng)用

2.1廢舊輪胎低溫粉碎

隨著低溫工藝的發(fā)展，以及發(fā)達國家擁有了比較豐富的液氮資源，使得美國、英國、德國、加拿大、日本等國家相繼研究出了液氮制冷低溫粉碎工藝（廢橡膠經(jīng)低溫作用冷凍到玻璃化溫度以下，脆化后采用機械進行粉碎的一種方法。基本原理就是利用冷凍使橡膠分子鏈段不能運動而脆化，從而易于粉碎[4]。）制造微細硫化膠粉的方法且該低溫法工藝已經(jīng)能生產(chǎn)出大于200目的精細膠粉，但是至今仍沒有規(guī)?；a(chǎn)，根本原因是液氮制冷低溫粉碎工藝的生產(chǎn)成本較高。

為了降低液氮消耗并能保障生產(chǎn)高附加值的膠粉，通過工藝研究與反復(fù)實驗，提出一種優(yōu)化低溫粉碎技術(shù)：常溫—液氮結(jié)合的粉碎工藝。該技術(shù)與全低溫粉碎技術(shù)的參數(shù)對比詳見表2-1。

2.2工藝流程總述

根據(jù)常溫粉碎法和液氮低溫粉碎法各自的優(yōu)缺點，采用常溫—液氮結(jié)合的粉碎工藝的基本流程是：廢舊輪胎經(jīng)過常溫粉碎至30目的粗膠粉，然后經(jīng)過回溫取冷循環(huán)系統(tǒng)、汽化預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)、間接深冷汽化系統(tǒng)、直接深冷發(fā)送系統(tǒng)，冷凍到-100℃（天然橡膠的玻璃化溫度是-73℃左右）使之脆化，再送到粉碎機粉碎，顆?？蛇_到200目左右，實現(xiàn)廢舊輪胎低溫粉碎制造精細膠粉的目的。整個工藝主要分常溫粉碎、預(yù)冷、深冷和低溫粉碎四部分，其中預(yù)冷、深冷涉及到液氮、冷氮氣及膠粉三種介質(zhì)。液氮為冷源，膠粉為被凍工質(zhì)，即液氮汽化產(chǎn)生的冷量及冷氮氣所攜帶的直接冷凍膠粉，中間不需要冷媒，其工藝流程示意圖見圖1。

2.3工藝流程各系統(tǒng)詳述

2.3.1回溫取冷循環(huán)系統(tǒng)

常溫膠粉進入粗粉發(fā)送倉中。中間成品料倉出來的溫度約-17℃的氮氣經(jīng)送料風(fēng)機增壓后將粗粉發(fā)送倉中的膠粉通過物料發(fā)送器發(fā)送至旋風(fēng)分離器中。該系統(tǒng)是利用送料風(fēng)機將中間成品料倉出來的溫度約-17℃的氮氣的冷量，在物料輸送過程當中進行置換。使輸送物料的溫度降低，對喂入的物料進行初步預(yù)冷。

2.3.2汽化預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)

間接深冷氣化罐出來的溫度約-75℃的氮氣經(jīng)送料風(fēng)機增壓后將旋風(fēng)分離器中的膠粉通過物料發(fā)送器發(fā)送至間接深冷氣化罐中。該系統(tǒng)是把上一系統(tǒng)輸入到旋風(fēng)分離器的物料，利用間接深冷氣化罐中的進一步低溫的干氮氣將物料送入間接深冷氣化罐中，為間接深冷氣化罐中液氮的完全汽化創(chuàng)造氣體流量條件的同時，對物料進行二次預(yù)冷和二次低溫干燥，避免物料在間接深冷氣化罐中因物料的水分存在而形成團聚，影響物料輸送和冷凍。

2.3.3間接深冷汽化系統(tǒng)

間接深冷氣系統(tǒng)采用了深冷技術(shù)中普遍應(yīng)用的鋁合金星型翅片管作為冷介質(zhì)液氮的載體，保證了冷介質(zhì)三項流都能和物料進行交換，使液氮的冷能得到充分利用，風(fēng)冷方式的采用保證了物料冷凍的均勻。獨特的懸掛式汽化器設(shè)計，使其在高頻氣動振動器的作用下間歇地產(chǎn)生高頻振動，避免了物料在冷倉中產(chǎn)生“鼠洞”或“打拱”，使物料在重力作用下順利進入直接深冷發(fā)送罐中。間接深冷氣化罐采用分體式真空夾層設(shè)計，確保冷交換在絕熱條件下進行。間接深冷氣化罐下部出料溫度與液氮計量泵的電機進行變頻調(diào)節(jié)，使其<-75℃。

2.3.4直接深冷發(fā)送系統(tǒng)

該系統(tǒng)參照氣力輸送的倉式泵進行設(shè)計，泵體采用整體真空夾層設(shè)計，保證冷交換在絕熱條件下進行。泵內(nèi)裝有錐體實心霧化噴嘴，使霧化深冷液氮（-196℃）和低溫脆化膠粉（-75℃）進行沸騰式交換，此時泵內(nèi)因液氮汽化而產(chǎn)生背壓，在氣固噴射器的氣流引射下將物料輸入針盤粉碎機中，過冷氮氣（-127℃）也同時進入針盤粉碎機中，以確保物料在深冷條件下實現(xiàn)低溫粉碎。

2.4工藝流程中的液氮系統(tǒng)簡述

該套工藝流程是一個完成的封閉系統(tǒng)，不但液氮、冷氮氣的冷量能夠階梯集成且最大化利用，甚至最終的氮氣所攜帶的動能也能充分利用。液氮、冷氮氣及氮氣系統(tǒng)流程示意圖見圖2。

3、結(jié)論

所示的工藝流程中通過設(shè)置回溫取冷循環(huán)系統(tǒng)、汽化預(yù)冷循環(huán)系統(tǒng)、間接深冷汽化系統(tǒng)、直接深冷發(fā)送系統(tǒng)實現(xiàn)了液氮冷量在廢舊輪胎低溫粉碎制取精細膠粉中的梯級集成利用，通過冷氮氣冷量的回收利用實現(xiàn)了液氮冷量利用的最大化。相關(guān)的研究工作還需要深入開展，以便進一步完善工藝流程、優(yōu)化參數(shù)、匹配物料，并進行實際開發(fā)，實現(xiàn)工程應(yīng)用。

參考文獻

[1] Scaffaro R，Dintcheva N Tzankova，Nocilla M A，et al. Formulation，characterization and optimization of the processing condition ofblends of recycled polyethylene and ground tire rubber：Mechanicaland rheological analysis[J]. Polymer Degradatiom and Stability，2005，90（2）：281-287.

[2]李巖，張勇，張隱西.廢橡膠的國內(nèi)外利用研究現(xiàn)狀[J].合成橡膠工業(yè)，2003，26（1）：59-61.

[3]朱剛，顧安忠.液化天然氣冷能的利用[J].能源工程，1999（3）：1-2.

[4]杜琳琳.LNG冷能集成用于橡膠深冷粉碎和冷庫技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2006.