氣力輸送過程中炭黑粒子破碎率影響因素分析

李 勇，劉偉冬，董 放，郭喜龍

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

炭黑粒子在輸送過程中的破碎問題比較復(fù)雜，影響因素較多，炭黑性質(zhì)如炭黑顆粒尺寸等是內(nèi)因，輸送設(shè)備參數(shù)如輸送壓力、輸送速率和管道布置方式等是外因。其中，炭黑粒子質(zhì)量、炭黑粒子壓碎強(qiáng)度、料氣混合比和輸送速率是主要影響因素[1-3]。炭黑粒子破碎一般是由于碰撞或摩擦所致，炭黑粒子與粒子之間以及炭黑粒子與管道內(nèi)壁和彎頭之間的碰撞是主要因素。炭黑粒子與管道內(nèi)壁碰撞時速率減小，產(chǎn)生能量損失，產(chǎn)生的應(yīng)力與炭黑粒子的能量損失成正比，當(dāng)應(yīng)力大于炭黑粒子壓碎強(qiáng)度時，即發(fā)生炭黑粒子破碎。炭黑粒子破碎率增大會導(dǎo)致輸送過程中粉塵和細(xì)粉含量增大，大大增加除塵難度，造成物料粘結(jié)，影響后續(xù)工藝。細(xì)粉含量高的炭黑不但會延長膠料混煉周期，降低生產(chǎn)效率，更重要的是會影響混煉膠和橡膠產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。因此對氣力輸送過程中炭黑粒子破碎率的研究非常重要。

除特殊品種或用途炭黑外，大多數(shù)炭黑都是造粒產(chǎn)品。炭黑造粒方法分為干法和濕法。干法造粒設(shè)備簡單，能耗小，生產(chǎn)成本低，但處理能力小，干法造粒炭黑的粒子壓碎強(qiáng)度低，易破碎，細(xì)粉含量高；濕法造粒設(shè)備處理能力大，炭黑粒子強(qiáng)度高，細(xì)粉含量低，但設(shè)備復(fù)雜，能耗大，生產(chǎn)成本高。目前我國除了萬噸級炭黑生產(chǎn)裝置采用濕法造粒工藝外，大部分炭黑生產(chǎn)企業(yè)仍采用干法造粒工藝。

本工作在生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外某著名輪胎公司的研究，對氣力輸送過程中炭黑破碎率的影響因素進(jìn)行分析，以期為我國炭黑工業(yè)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)步提供參考。

1 炭黑破碎率的影響因素分析

1.1 輸送距離和炭黑品種

輸送距離是影響炭黑破碎率的主要因素之一。管道長度和管道布置方式?jīng)Q定了炭黑輸送過程中炭黑粒子與管壁發(fā)生碰撞和摩擦的幾率以及輸送阻力。管道越長，彎頭越多，輸送阻力和輸送壓力越大，導(dǎo)致炭黑破碎率增大[5]。

以德國贏創(chuàng)德固賽公司的9種炭黑為例，研究炭黑品種和輸送距離對炭黑粒子破碎率的影響，結(jié)果如圖1所示（輸送管道末端氣速為5～7 m·s-1）。 在9種炭黑中，炭黑Printex PQI，Printex P，Corax N326MP，Corax N550MP和Corax N772MP為干法造粒炭黑，炭黑Corax N115，Corax N330，Corax N550和Corax N683為濕法造粒炭黑。

圖1 輸送距離對不同品種炭黑粒子破碎率的影響

從圖1可以看出：不同品種炭黑粒子破碎率差異較大，9種炭黑粒子破碎率從大到小的順序?yàn)?炭 黑Printex PQI，Printex P，Corax N550MP，Corax N772MP，Corax N326MP，Corax N683，Corax N115，Corax N330，Corax N550；炭黑Corax N115，Corax N330和Corax N550粒子破碎率較小，在輸送距離為100 m時的粒子破碎率約為3%，在輸送距離為200 m時的粒子破碎率不超過5%；炭黑Corax N772MP在輸送距離為100 m時的粒子破碎率高達(dá)10%，在輸送距離為200 m時的粒子破碎率接近20%；隨著輸送距離延長，炭黑粒子破碎率基本呈線性增大趨勢，但不同品種炭黑粒子破碎率增幅差異較大，炭黑Printex PQI，Printex P，Corax N550MP，Corax N772MP粒子破碎率增幅較大，在輸送距離為300 m時，炭黑Corax N550MP粒子破碎率高達(dá)35%，炭黑Printex PQI粒子破碎率甚至超過50%，但輸送距離對炭黑Corax N115，Corax N330和Corax N550粒子破碎率影響不大；干法造粒炭黑粒子破碎率明顯大于濕法造粒炭黑；微珠炭黑（Corax N326MP，Corax N550MP和Corax N772MP）粒子破碎率相對較大。

綜上所述，不同造粒方式、炭黑品種、輸送距離對炭黑粒子破碎率的影響較大。應(yīng)按造粒方式分別設(shè)定炭黑粒子破碎率指標(biāo)。隨著造粒工藝和生產(chǎn)設(shè)備水平不斷提高，炭黑造粒應(yīng)逐漸采用濕法造粒工藝。在不同品種炭黑輸送過程中應(yīng)設(shè)定不同的比例調(diào)速閥、比例調(diào)壓閥、供氣量和輸送壓力。同時，在氣力輸送管道設(shè)計時應(yīng)盡量采用短距離輸送，減小彎頭數(shù)量，且彎頭曲率半徑與輸送管道內(nèi)徑的比值應(yīng)大于4，管道內(nèi)壁光滑，管道與閥門的連接平緩過渡，以避免產(chǎn)生過大的輸送 阻力。

1.2 炭黑粒子壓碎強(qiáng)度

炭黑粒子壓碎強(qiáng)度與炭黑粒子破碎率的關(guān)系較復(fù)雜。在實(shí)際生產(chǎn)中炭黑一般先造粒再進(jìn)行輸送，不同造粒方式炭黑粒子的壓碎強(qiáng)度不同，因此造粒炭黑粒子壓碎強(qiáng)度對氣力輸送或者機(jī)械輸送過程中炭黑粒子的破碎問題起到?jīng)Q定作用。在輸送距離、管道布置方式及其他輸送參數(shù)相同的條件下，炭黑粒子壓碎強(qiáng)度越大，輸送過程中的炭黑粒子破碎率越小[6]。

炭黑粒子壓碎強(qiáng)度對炭黑粒子破碎率的影響如圖2所示（輸送管道末端氣速為5～7 m·s-1，輸送距離為100 m）。

圖2 炭黑粒子壓碎強(qiáng)度對炭黑粒子破碎率的影響

從圖2可以看出：與濕法造粒炭黑相比，干法造粒炭黑粒子壓碎強(qiáng)度較小，炭黑粒子破碎率較大；隨著炭黑粒子壓碎強(qiáng)度的增大，炭黑粒子破碎率呈下降趨勢；干法造粒炭黑粒子壓碎強(qiáng)度為4～15 g，其粒子破碎率為16%～30%；濕法造粒炭黑粒子壓碎強(qiáng)度大于30 g時，其粒子破碎率降到10%以下。

由此可知，要保證炭黑粒子破碎率小于10%，炭黑粒子壓碎強(qiáng)度必須大于30 g，同時還需要考慮炭黑粒子壓碎強(qiáng)度分布，即使炭黑粒子平均壓碎強(qiáng)度相同，炭黑粒子壓碎強(qiáng)度分布越寬，說明壓碎強(qiáng)度低的粒子含量越大，炭黑粒子越易破碎。

1.3 輸送氣速

輸送氣速是影響輸送過程中炭黑粒子破碎率的重要參數(shù)之一。由于氣力輸送系統(tǒng)是非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，輸送氣速不穩(wěn)定，因而炭黑流動速率對炭黑粒子破碎率的影響很大[7]。輸送氣速越高，炭黑流動速率越高。炭黑粒子破碎率與炭黑流動速率成冪次關(guān)系增加。在輸送過程中，輸送管道末端炭黑流動速率應(yīng)盡量小，實(shí)現(xiàn)低速輸送，以降低炭黑粒子破碎率和輸送管道磨損率。

輸送氣速對炭黑粒子破碎率的影響如圖3所示（輸送距離為100 m）。

圖3 輸送氣速對炭黑粒子破碎率的影響

從圖3可以看出：在相同輸送氣速下，濕法造粒炭黑粒子破碎率明顯小于干法造粒炭黑；輸送氣速低于7 m·s-1以下時，濕法造粒炭黑粒子破碎率一般可控制在15%以下。

1.4 輸送方式

不同輸送方式下炭黑粒子破碎率隨輸送距離的變化如圖4所示（真空壓力為－50 kPa）。炭黑粒子壓碎強(qiáng)度分別為25，35，45 g，輸送方式分為稀相、沙丘流和栓流輸送。

圖4 輸送方式對炭黑粒子破碎率的影響

從圖4可以看出：在輸送距離為35 m、輸送方式為稀相輸送、輸送管道末端氣速為18～22 m·s-1的條件下，粒子壓碎強(qiáng)度為25，35，45 g的3種炭黑粒子破碎率分別為38%，35%，31%；在輸送距離為30 m、輸送方式為沙丘流輸送、輸送管道末端氣速為10～14 m·s-1的條件下，粒子壓碎強(qiáng)度為25，35，45 g的3種炭黑粒子破碎率分別為25%，21%，17%；在輸送距離15 m、輸送方式為真空栓流輸送、輸送管道末端氣速為5～8 m·s-1的條件下，粒子壓碎強(qiáng)度為25，35，45 g的3種炭黑粒子破碎率均小于5%。由此可見，輸送方式對炭黑粒子破碎率的影響比較大。

1.5 輸送管道清掃

炭黑輸送采用壓送罐間隙氣力輸送系統(tǒng)，需要頻繁進(jìn)行管道大氣量清掃。當(dāng)輸送炭黑品種變更時也需要對輸送管道進(jìn)行徹底清掃，以防止炭黑摻混，清掃方法是加大氣量和提高氣速。在輸送管道清掃過程中會產(chǎn)生大量炭黑細(xì)粉，在目標(biāo)罐頂部除塵器清掃過程中也會產(chǎn)生粉塵，粘附在罐內(nèi)壁的炭黑粉脫落會形成細(xì)粉含量極高的 粉餅。

日儲罐容積為20 m3，采用一條輸送線輸送炭黑，達(dá)到輸送量后更換炭黑品種并進(jìn)行管道清掃。輸送完一個壓送罐后的短期清掃造成的炭黑破碎忽略不計。不同炭黑輸送量下輸送管道清掃對炭黑粒子破碎率的影響分別如表1和2所示。兩種輸送管道記為DN150管道和DN175管道，其公稱直徑分別為150和175 mm。

從表1可以看出，當(dāng)炭黑輸送量為1 000 kg、輸送距離為200 m時，輸送后管道內(nèi)殘余炭黑質(zhì)量為300 kg，按炭黑堆積密度為300 kg·m-3計算，管道內(nèi)殘余炭黑體積為1 m3，長度為200 m的DN150管道總?cè)莘e為3.53 m3，管道內(nèi)殘余炭黑體積占管道總?cè)莘e的28%；管道清掃產(chǎn)生的炭黑細(xì)粉質(zhì)量為60 kg，為炭黑輸送量的6%，清掃后在管道法蘭和彎頭等處仍殘余2～13 kg炭黑，為炭黑輸送量的0.2%～1.3%。

從表1還可以看出：一次輸送1 000 kg炭黑后進(jìn)行管道清掃產(chǎn)生的炭黑細(xì)粉為炭黑輸送量的3%～6%；一次輸送3 000 kg炭黑后進(jìn)行管道清掃產(chǎn)生的炭黑細(xì)粉占炭黑輸送量的比例降至1%～2%?？梢娫龃笕諆奕莘e非常重要，一般日儲罐總?cè)莘e要求大于15 m3，否則需要在不同炭黑輸送時采用不同輸送管線，輸送工作結(jié)束后不進(jìn)行管道清掃。

表1 不同炭黑輸送量下DN150管道清掃對炭黑粒子破碎率的影響

從表2可以看出，一次輸送1 000 kg炭黑后進(jìn)行管道清掃產(chǎn)生的炭黑細(xì)粉為炭黑輸送量的4%～8%?？紤]到輸送過程也會造成炭黑粒子破碎，將炭黑破碎率增量控制在5%以下非常困難。

表2 不同炭黑輸送量下DN175管道清掃對炭黑粒子破碎率的影響

清掃后更換炭黑品種，管道中的殘余炭黑與其他品種炭黑摻混形成混合料。當(dāng)輸送距離為200 m時，在輸送的1 000 kg炭黑中其他炭黑的質(zhì)量最高可達(dá)到1.5 kg。

為了解決清掃造成的炭黑粒子破碎和炭黑摻混問題，不同炭黑輸送最好采用專用的輸送管線，但這會使設(shè)備成本增加。

從管道清掃來看，采用變徑管時管道中殘余炭黑量增大，需要加大氣速進(jìn)行清掃，導(dǎo)致炭黑細(xì)粉量增大，因此短距離（70 m以下）輸送時不能采用變徑管。

2 結(jié)論

（1）在氣力輸送過程中，炭黑品種和造粒方式對炭黑粒子破碎率影響較大。在相同輸送條件下，濕法造粒炭黑粒子破碎率比干法造粒炭黑小。應(yīng)按造粒方式分別設(shè)定炭黑粒子破碎率指標(biāo)。隨著造粒工藝和生產(chǎn)設(shè)備水平不斷提高，炭黑造粒應(yīng)逐漸采用濕法造粒工藝。

（2）在輸送距離、管道布置方式和其他輸送參數(shù)相同的條件下，炭黑粒子壓碎強(qiáng)度越大，輸送后炭黑粒子破碎率越小。為了保證輸送后炭黑粒子破碎率小于10%的要求，炭黑粒子壓碎強(qiáng)度應(yīng)大于30 g。同時應(yīng)考慮炭黑粒子壓碎強(qiáng)度分布，炭黑粒子壓碎強(qiáng)度分布越寬，說明壓碎強(qiáng)度低的粒子所占比例越大，在輸送過程中炭黑粒子越易破碎，從而影響整體輸送效果。

（3）在相同輸送條件下，不同品種炭黑的輸送速率差異較大。為了使不同品種炭黑均以較大料氣混合比、較低且穩(wěn)定的輸送速率輸送，可以采用比例調(diào)速閥，通過自動控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)炭黑的輸送速率，實(shí)現(xiàn)炭黑在最佳狀態(tài)下輸送。對于輸送距離為80 m的密相低速輸送系統(tǒng)，管道末端輸送氣速以小于7.5 m·s-1為宜。

（4）為了降低炭黑粒子破碎率，應(yīng)盡量減少管道清掃次數(shù)。在輸送同品種炭黑時，如無特殊情況不需要清掃管道，管道中的殘余炭黑對炭黑輸送不會有太大影響。在炭黑輸送時最好一次達(dá)到罐滿，不要頻繁換罐，這樣可以減小管道清掃次數(shù)。

橡膠廠炭黑氣力輸送過程中炭黑粒子破碎問題對膠料質(zhì)量的影響已得到廣泛重視。氣力輸送過程中炭黑粒子破碎率與輸送能力、輸送可靠性都是衡量氣力輸送裝置設(shè)計、施工、工藝操作、維護(hù)等技術(shù)水平的指標(biāo)，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)加大對炭黑破碎率的研究，綜合考慮各方面因素的影響，不斷改進(jìn)氣力輸送設(shè)備和參數(shù)。