氮?dú)獗Ｗo(hù)分級(jí)式?jīng)_擊磨制備硫磺粉體

李鵬超，陳俊冬，鄒鵬程，劉侹楠，陳海焱

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院；固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽621000）

硫磺是化工領(lǐng)域重要的生產(chǎn)原材料，適用于橡膠輪胎、醫(yī)藥、造紙、農(nóng)業(yè)、化學(xué)纖維、染料、制糖和農(nóng)藥化工等諸多行業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，粉末狀硫磺在很多行業(yè)發(fā)揮了很重要的作用，是不可或缺的基礎(chǔ)材料[1-2]。硫磺粉在橡膠制品中起硫化交聯(lián)作用，賦予橡膠使用基本物性[3]。硫磺粉能調(diào)節(jié)土壤pH值（主要是堿性土壤），影響植物對(duì)鐵等營養(yǎng)元素的吸收能力[4]。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)制造硫磺粉大都采用機(jī)械破碎的方法[5]，硫磺顆粒在這個(gè)過程中會(huì)帶上電荷，粉體堆積了大量的靜電，加之硫磺易燃易爆特殊的化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致了生產(chǎn)和使用過程中存在很大的燃燒爆炸危險(xiǎn)[6-8]。南京理工大學(xué)自主研發(fā)了用于粉碎易燃易爆材料的液固式LS型超細(xì)粉碎機(jī)[9]，但是該粉碎機(jī)不適用硫磺粉的干法粉碎；張方強(qiáng)[10]采用廣義磨粉碎硫磺粉，在系統(tǒng)中使用保護(hù)氣體發(fā)生器和阻燃裝置，該裝置并沒有根本解決硫磺粉的燃燒爆炸危害。付瑜等[11]在分級(jí)式?jīng)_擊磨制備硫磺粉的過程中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加濕設(shè)計(jì)來防止靜電積聚，但是加濕之后硫磺粉流動(dòng)性會(huì)變差，導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞。

雖然已有阻燃、防爆的設(shè)備與技術(shù)，但是現(xiàn)階段已不再適合超細(xì)粉碎加工易燃、易爆的材料[12-13]。為了滿足國家對(duì)化工行業(yè)安全生產(chǎn)的要求，對(duì)系統(tǒng)采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，能夠解決硫磺粉體粉碎加工過程中的燃爆危害。在氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)中，確定氧含量值是最重要的，通常情況下，低于極限氧含量值3～5個(gè)百分點(diǎn)作為上限，低于1～2個(gè)百分點(diǎn)作為上上限，對(duì)于硫磺粉，氧含量上限可控制為5%～6%，上上限為8%[14]。本文中采用氮?dú)獗Ｗo(hù)分級(jí)式?jīng)_擊磨為實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)制備硫磺粉的工藝進(jìn)行了研究，并在系統(tǒng)運(yùn)行過程中測(cè)試了相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了分析。

1 設(shè)備與工藝

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為綿陽流能粉體設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LNI-330A型氮?dú)獗Ｗo(hù)分級(jí)式?jīng)_擊磨系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括氧含量分析儀、制取氮?dú)庀到y(tǒng)（壓縮空氣凈化組件、空氣儲(chǔ)罐、氮氧分離裝置、氮?dú)饩彌_罐）、加料系統(tǒng)（料倉、星型卸料器）、粉碎主機(jī)（傳動(dòng)電機(jī)功率55 kW）、分級(jí)機(jī)（傳動(dòng)電機(jī)功率11 kW）、脈沖噴吹袋式除塵器、高壓引風(fēng)機(jī)（傳動(dòng)電機(jī)功率30 kW，最大風(fēng)量4 900 m3/h）、冷卻系統(tǒng)及可編程邏輯控制器（PLC）控制柜。該系統(tǒng)為閉式粉碎系統(tǒng)，氣路系統(tǒng)設(shè)氧含量分析儀，能自動(dòng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)氧氣含量，并在超過警戒值的時(shí)候自動(dòng)補(bǔ)充氮?dú)狻９に嚵鞒讨饕兄频?、粉碎、分?jí)、收集4大部分，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 氮?dú)獗Ｗo(hù)分級(jí)式?jīng)_擊磨設(shè)備與工藝流程圖Fig.1 Schematic diagram of nitrogen protection classify-im pact mill system

首先，開啟氧含量分析儀進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到工作溫度700℃；同時(shí)開啟制備氮?dú)庀到y(tǒng)，制取氮?dú)膺_(dá)到工作壓力0.8 MPa。開機(jī)時(shí)先在系統(tǒng)中持續(xù)充入氮?dú)?，直至全系統(tǒng)的氧含量達(dá)到氧含量分析儀設(shè)定的值（質(zhì)量為數(shù)為8%以下）；然后開啟加料系統(tǒng)，將粒徑為3～5 mm的硫磺原料（中石化廣元天然氣凈化有限公司）均勻加入粉碎腔。粉碎腔內(nèi)一般用錘頭、葉片、棒體等幾種沖擊件，然后通過高速旋轉(zhuǎn)與物料發(fā)生猛烈撞擊，同時(shí)顆粒之間也會(huì)發(fā)生相互擠壓、摩擦、碰撞。此外在沖擊件與襯板之間的間隙處，顆粒也會(huì)受到撞擊、摩擦，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的粉碎。本實(shí)驗(yàn)中采用錘頭對(duì)硫磺顆粒進(jìn)行沖擊粉碎。粉碎后的硫磺顆粒隨著氣流進(jìn)入分級(jí)機(jī)的分級(jí)腔，形成自由渦形的氣流，分級(jí)腔內(nèi)有一個(gè)垂直放置的分級(jí)輪轉(zhuǎn)子，通過分級(jí)輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)氣流場(chǎng)，使攜帶著硫磺顆粒的氣體沿分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)子邊緣進(jìn)入分級(jí)輪，呈螺旋狀向渦輪中心運(yùn)動(dòng)。粗的顆粒由于其所受的離心力大于氣流曳力而被甩出分級(jí)輪，返回至粉碎腔繼續(xù)粉碎，符合粒徑要求的顆粒隨氣流被吸入轉(zhuǎn)子中心，進(jìn)入脈沖噴吹袋式除塵器，完成對(duì)產(chǎn)品的收集。整個(gè)系統(tǒng)采用上位機(jī)、PLC等一系列自動(dòng)化硬件設(shè)施及軟件程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與自動(dòng)化控制。

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)氧含量與壓力分布

在氮?dú)獗Ｗo(hù)閉式系統(tǒng)中，系統(tǒng)氧含量和壓力是兩大重要的運(yùn)行參數(shù)。氧含量的高低反應(yīng)了氮?dú)獗Ｗo(hù)的好壞程度，系統(tǒng)主要部位壓力則反應(yīng)了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。這2個(gè)重要參數(shù)也有優(yōu)先順序級(jí)，系統(tǒng)必須滿足氧含量達(dá)到技術(shù)要求時(shí)，才可以啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備或者調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。該系統(tǒng)氧含量和主要部位壓力的變化分別如圖2、3所示。

圖2 系統(tǒng)氧含量變化圖Fig.2 Diagram of oxygen content variation of the system

圖3 系統(tǒng)主要部位壓力測(cè)點(diǎn)變化圖Fig.3 Diagram of pressure variation of main parts of system

由圖2可知，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，氧含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在2%左右。系統(tǒng)氧含量是通過減壓閥調(diào)節(jié)的，控制系統(tǒng)氧含量的減壓閥有2個(gè)，分別是補(bǔ)氣閥2和排氣閥2，它們同時(shí)開啟或同時(shí)關(guān)閉。系統(tǒng)設(shè)定了氧含量上限值和下限值，當(dāng)氧含量分析儀顯示的當(dāng)前值大于上限設(shè)定值時(shí)，2個(gè)閥門同時(shí)開啟，氧含量當(dāng)前值等于下限設(shè)定值時(shí)，2個(gè)閥門同時(shí)關(guān)閉。這里有個(gè)設(shè)定，當(dāng)前值低于下限設(shè)定值時(shí)，2個(gè)閥門不會(huì)開啟。

由圖3可知，剛開始時(shí)，除塵器出口壓力為-1 kPa，之后穩(wěn)定在-1.1 kPa左右；主機(jī)壓力為2.3 kPa，之后穩(wěn)定在3.1 kPa左右；表冷器出口壓力為14 kPa，之后穩(wěn)定在12.8 kPa左右。在設(shè)備運(yùn)行期間，系統(tǒng)各壓力比較正常，基本保持平衡。系統(tǒng)壓力也是由減壓閥調(diào)節(jié)的，控制系統(tǒng)壓力的減壓閥也有2個(gè)，分別是補(bǔ)氣閥1和排氣閥1。2個(gè)閥門分別都設(shè)有上限值和下限值。值得注意的是，補(bǔ)氣閥1的上限值與排氣閥1的下限值相同，可認(rèn)為系統(tǒng)壓力閾值的中間值；補(bǔ)氣閥1和排氣閥1開啟時(shí)的邏輯關(guān)系是有且只有一個(gè)開啟，是互逆關(guān)系。

按照LNI-330A型氮?dú)獗Ｗo(hù)分級(jí)式?jīng)_擊磨的操作流程加工硫磺粉，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)壓力從負(fù)壓1.1 kPa至正壓12.8 kPa，在此壓力分布內(nèi)，系統(tǒng)氧含量可以穩(wěn)定在2%左右。具體運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 氮?dú)獗Ｗo(hù)分級(jí)式?jīng)_擊磨系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operating parameters of nitrogen protection classify-impact mill system

表2 不同分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速下硫磺成品產(chǎn)量和粒徑Tab.2 Yield and particle size of sulfur products at different classifier speed

2.2 成品產(chǎn)量與粒徑分析

在保持粉碎主機(jī)和高壓引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的條件下，通過調(diào)節(jié)分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制粉碎后的硫磺粉的產(chǎn)量、粒徑，對(duì)于制備出的硫磺粉，采用貝克曼LS13-320激光粒徑分析儀（美國貝克曼庫爾特有限公司）進(jìn)行分析測(cè)試。根據(jù)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)橡膠用不溶性硫磺技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定[15]，150 μm篩余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1%；袁福生等[16]的研究也表明，150 μm以上的硫磺會(huì)影響其在土壤中的氧化。用150 μm篩子篩分制備的硫磺成品，稱量150 μm篩余物的質(zhì)量。具體結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在粉碎主機(jī)轉(zhuǎn)速一定條件下，分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速從150 r/min增加到450 r/min，硫磺粉成品粒徑d90從96.09 μm減小到72.17 μm，產(chǎn)量由1 500 kg/h減小到1 375 kg/h，減小了8.3%，150 μm篩余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.3%減小到0.74%；當(dāng)分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速增大到1 200 r/min時(shí)，硫磺粉成品粒徑d90減小至39.56 μm，產(chǎn)量減小了50%，150 μm篩余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎為0。出現(xiàn)這種情況是由于增大分級(jí)機(jī)的轉(zhuǎn)速，分級(jí)輪轉(zhuǎn)子的切割粒徑變小，分級(jí)輪對(duì)硫磺顆粒的強(qiáng)制作用力變大，使顆粒獲得更大的離心速度，且很容易在邊緣沉降，較粗粒徑穿過分級(jí)機(jī)的概率變小，因此增大分級(jí)機(jī)的轉(zhuǎn)速，獲得的硫磺粉成品粒徑減小，150 μm篩余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之減小，但是獲得的硫磺粉成品產(chǎn)量也隨之減小。硫磺粉在橡膠制品中起硫化交聯(lián)作用，可以增強(qiáng)橡膠的物性（增強(qiáng)或者變?nèi)彳洠?，有的橡膠原料很貴，但是其產(chǎn)品物價(jià)卻很便宜，這時(shí)就需要大量的硫磺粉助劑來減少成本[17]。綜合考慮硫磺粉成品產(chǎn)量和150 μm篩余物量，最優(yōu)的分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速為450 r/min，產(chǎn)量為1375 kg/h，150 μm篩余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.74%。

2.3 能耗分析

粉碎硫磺的過程中，根據(jù)粉碎主機(jī)、引風(fēng)機(jī)和分級(jí)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流可折算生產(chǎn)每噸硫磺粉體的電耗和成本（成本不包含原料費(fèi)、人工費(fèi)和設(shè)備折舊費(fèi)，用電價(jià)格按工業(yè)用電每千瓦時(shí)為0.8元）。制氮系統(tǒng)是由空氣壓縮機(jī)（功率30 kW）、冷凍式空氣干燥機(jī)（1.1 kW）和制氮機(jī)（0.1 kW）組成，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，氧含量穩(wěn)定在安全值以內(nèi)，氮?dú)庀墓β试?5.6 kW以下，不計(jì)入粉碎能耗。具體結(jié)果如表3所示。

由表3可知，生產(chǎn)每噸d90為39.56 μm的硫磺粉體的電耗為83.601 kW·h/t，是生產(chǎn)d90為96.09 μm的硫磺粉的2.1倍。結(jié)合表2中的成品粒徑，粒徑的減小導(dǎo)致了單位電耗和生產(chǎn)成本不斷增加，而粒徑太小使用效果卻不是最佳的。林葆等[18]研究表明，硫磺經(jīng)粉碎后與土壤混合會(huì)被土壤微生物氧化成SO42-，硫磺顆粒越小，其比表面積越大，硫氧化率越高，75～150 μm之間，硫磺粉在0～4 000 mg/kg時(shí)氧化率與粒徑呈直線關(guān)系；95%的75 μm硫磺粉與5%的黏結(jié)劑和分散劑黏結(jié)成顆粒狀硫磺，施于土壤中，剛開始硫氧化平緩，但隨時(shí)間的推移氧化速率逐漸提高，作物在整個(gè)生長季都可以保持對(duì)硫的吸收，而且還不容易流失。綜合考慮硫磺成品粒徑和能耗，最優(yōu)的分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速也為450 r/min，其成品粒徑d90為72.17 μm，單位電耗為43.079 kW·h/t。

表3 氮?dú)獗Ｗo(hù)分級(jí)式?jīng)_擊磨粉碎硫磺粉的能耗Tab.3 Energy consum ption of nitrogen protection classify-im pact mill to grand sulfur powder

3 結(jié)論

1）按照LNI-330A型氮?dú)獗Ｗo(hù)分級(jí)式?jīng)_擊磨的操作流程粉碎硫磺粉，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，除塵器出口壓力穩(wěn)定在-1.1 kPa左右，主機(jī)壓力穩(wěn)定在3.1 kPa左右，表冷器出口壓力穩(wěn)定在12.8 kPa左右。系統(tǒng)壓力從負(fù)壓1.1 kPa至正壓12.8 kPa，在此壓力分布內(nèi)，系統(tǒng)氧含量可以穩(wěn)定在2%左右。系統(tǒng)在2個(gè)補(bǔ)氣閥和2個(gè)排氣閥的調(diào)節(jié)與控制下，可以保持運(yùn)行穩(wěn)定。

2）采用氮?dú)獗Ｗo(hù)分級(jí)式?jīng)_擊磨，調(diào)節(jié)分級(jí)機(jī)的轉(zhuǎn)速為150～1 200 r/min，生產(chǎn)出的硫磺粉體成品產(chǎn)量為750～1 500 kg/h，粒徑d50在15～25 μm，單位電耗小于83.601 kW·h/t，轉(zhuǎn)速在450 r/min以上時(shí)，達(dá)到橡膠用不溶性硫磺技術(shù)指標(biāo)，即150 μm篩余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1%。

3）綜合考慮硫磺粉成品產(chǎn)量、150 μm篩余物量、粒徑和能耗，得到LNI-330A型氮?dú)獗Ｗo(hù)分級(jí)式?jīng)_擊磨制備硫磺粉體的最優(yōu)分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速為450 r/min，其成品產(chǎn)量為1 375 kg/h，150 μm篩余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.74%，粒徑d50為24.50 μm，單位電耗為43.079 kW·h/t。

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