李 勇1,蔣存剛2(1.青島科技大學機電工程學院,山東青島266042; 2·青島高校軟控股份有限公司,山東青島266045)
摘要:在炭黑密相氣力輸送試驗的基礎上,考察了輸送后炭黑粒子的破碎率,研究了影響其破碎率的主要因素。結果表明,依據初步的正交試驗結果和經驗判斷對輸送工藝進行優化,可使炭黑N 234的破碎率降至6·47%;在處理增加輸送量和提高輸送氣體壓力的關系上,可根據不同的生產需要而定;在保證正常輸送的前提下,降低輸送氣速即可降低炭黑粒子的破碎率,輸送的平均料氣體積比以16·7~24·3為宜。
關鍵詞:炭黑;密相輸送;破碎率;氣量控制
中圖分類號:TQ 330·38+1文獻標識碼:B文章編號: 1000-1255(2008)01-0005-04
近年來,氣力輸送行業有了長足的發展,特別是外旁通管系統、內旁通管系統以及渦漩湍流輸送系統的出現,使得原本不可能實現密相輸送的物料(如GeldartC類物料)都可以實現密相輸送。尤其是對于此類輸送較成熟物料的輸送,如青島高校軟控股份有限公司在橡膠行業的外旁通管炭黑密相輸送系統、瑞士K-TRON公司在醫藥衛生行業的藥品輸送等,已對輸送中出現的堵管及管道磨損等問題做了大量的研究工作,但對于物料產品的破碎率則還沒有一個系統的研究。產品破碎率的增加會導致輸送中粉塵或者細粉含量的增加,從而增大除塵難度,同時降低物料的流動性,造成物料集結,影響后續工藝。對于許多產品如炭黑、咖啡豆等,細粉含量增多也影響到輸送產品的性能。
輸送過程中物料破碎的產生主要是由于沖擊或者剪切應力的作用[1]。對于稀相輸送而言,由于輸送氣速較大,輸送過程中動壓較大,所以沖擊是產生破碎的主要因素。而對于密相輸送來講,在輸送系統確定的情況下,輸送過程中物料以栓狀或者沙丘流(炭黑等物料)的方式運動,所以物料和管壁的摩擦以及物料在彎管處的沖擊是導致物料破碎的主要因素。除此之外,料氣比、彎管結構、輸送管路長度、物料性質以及粒子沖擊強度對破碎率也有重要影響。總的來講,降低氣速是減少細粉含量的主要舉措。
迄今為止,從國內外的研究成果來看,對物料粒子破碎率的研究都是在試驗的基礎上,通過對比輸送系統物料入口和出口處的產品(細粉)加以研究。對于傳統工業應用的輸送系統(一般都為單管),由于在出口處取料相當困難,所以一般在罐內取料,這種取料方式的弊端在于輸送過程中除塵器在持續工作,取料非常棘手,當輸送完成后,由于物料通過除塵器在儲罐內的堆積方式不同,因此很難降低取料的誤差。本工作采用的是外旁通管輸送系統,所以在輸送末端通過取出單向閥和過濾噴嘴就可以在輸送過程中取料,以此降低由于物料在儲罐內的堆積流動而造成的樣本誤差。基于密煉機上輔機炭黑輸送近1個月的數據,本工作對炭黑輸送破碎率進行了較為詳細的研究。
1 輸送系統的組成
塞輪公司的炭黑輸送系統采用超高相對分子質量聚氯乙烯管,該輸送管成本遠低于鋁-鎂合金內襯橡膠管,同時其輸送管壁摩擦系數也低于橡膠管壁。輸送管內徑152 mm,整個輸送管道長70m,其中垂直提升高度30m,水平長度40m,管路中包括4個彎管和2個岔道閥。輸送用氣源使用12 m3的壓送罐,輸送過程中保證其壓力不低于0·6MPa,壓力波動在0·1 MPa之內。空氣管路使用比例閥,以保證拉伐爾管入口壓力在設定開度值內波動不大(一般在±0·003MPa)。
2 試驗過程
2·1 炭黑堆積密度的測定
炭黑粒子堆積密度主要用來測試壓送罐有效容積下所能輸送炭黑的質量,據此計算輸送料氣比。由于炭黑的種類不同,所輸送炭黑的堆積密度相差較大(見表1)。從表1可以看出,除炭黑N 234外,其他炭黑輸送后的堆積密度都降低。這是由于輸送后細粉含量的增加導致粒子與粒子間空隙總量增大,由此使堆積密度降低。顯然,容易破碎的炭黑對輸送和除塵不利,導致容易堵管和除塵器負荷增大。
2·2 取樣方法
本試驗采用的取樣方法為:輸送前從太空包卸料時,每袋從開始卸料、袋中料約剩一半和接近卸完時各取樣3份,以降低取樣誤差;稱量使用的電子天平精度為0·1 g。篩分使用的振動篩分機轉速為220 r/min,使用3個120目的標準篩和3個托盤(3個標準篩可以極大地降低由于篩分造成的誤差),試樣質量為50 g,篩分時間5 min。
2·3 破碎率試驗參數的確定
對于炭黑的氣力輸送,影響其破碎率的因素較多,有客觀因素(輸送物料的粒子強度、受廠房限制所設計出的輸送管道布置等),也有設計因素(采用的輸送管材料、輸送管徑等),以及輸送系統運行因素。對于現有的生產情況,完全考慮這些因素是不可能也是不必要的。本試驗中主要在輸送運行因素下研究炭黑粒子的破碎率問題。
由于試驗條件的限制(只能根據生產安排的實際進行試驗)和本階段試驗的要求,通過對輸送系統的分析,確定了最主要的5種人為可以控制(同時控制)的影響炭黑輸送破碎率的因素(參見表2)。
3 結果與討論
3·1 炭黑N 234破碎率正交試驗
從表2可以看出,影響輸送的主要因素依次為壓送罐壓力、輸送末端的彎管壓力、輔管開啟壓力、主管壓力和輔管壓力。由于賽輪公司須根據生產的需要來決定每天炭黑的輸送量,因此本試驗至2006年4月底只對炭黑N 234做完了一輪正交試驗,而對其他炭黑還沒有完成正交試驗表所列出的8次試驗,因此對于本試驗的結果還有待后續試驗來補充完善,并通過大量的統計分析做出結論。從經驗的角度推斷,壓送罐的壓力越大,出料蝶閥開啟后輸送管道中的料氣混合比越大,阻力越大,所以在輸送的前半程物料的運動速度較低,粒子破碎率也低;至輸送后半程時,由于輸送管道中部分物料進入日罐,管道中物料減少,阻力降低,進氣量特別是輔管進氣量增大,導致管道中的氣速增大,粒子破碎率增加。此時如果給定較高的彎頭結束輸送壓力和輔管開啟壓力,則可以有效地降低炭黑粒子的破碎率。
試驗結果表明,炭黑N 234在70 m長的輸送管路,在8種條件下的炭黑粒子破碎率增量分別為6·60%, 6·47%, 6·61%, 7·47%, 9·80%,10·40%, 9·33%, 11·26%,平均增量為8·26%,但在最優條件下其破碎率為6·47%。由此可見,從輸送工藝參數的優化出發,通過調試可以達到降低炭黑粒子破碎率的目的。
圖1為炭黑N 234輸送前后在1水平和2水平下的炭黑粒子破碎率分布,從中可以看出,輸送過程中其粒徑在大于1·000 mm和0·500 ~1·000 mm內的破碎率比較大,這主要是由于質量大的炭黑粒子的動量大,其與管壁碰撞更容易破碎所致。同時也可以看出,破碎可能是大粒子上的小塊脫離,導致細粉含量增多,破碎率突然增加的區域主要在0·150~0·250mm、0·100~0·125 mm及小于0·100 mm之間。0·150~0·250 mm不必考慮,但是所有小于0·125 mm的炭黑細粉含量的增加會對膠料有影響。對粒徑分布在0·250~0·500mm的炭黑粒徑分布,其質量百分比基本上沒有減少,一方面可能是由于大粒子破碎其粒徑變小,但卻仍在此粒徑范圍內,另一方面可能是由于炭黑粒子在此粒徑范圍內與管道及彎管的動量交換較低所致。炭黑粒徑小于0·250 mm后其破碎率開始增加,因此應盡量降低此粒徑分布范圍內的含量。
3·2 氣量控制與炭黑粒子破碎率的關系
3·2·1 單罐輸送氣體流量
對于炭黑粒子破碎率氣量控制的試驗,主要是基于手閥、比例閥和拉伐爾管組合來實現的,故需在輸送氣路上加裝流量計。由于在輸送管徑不變的前提下,輸送氣量與輸送氣速成正比,故改變輸送氣量即可改變輸送氣速。對氣體流量的控制比液體流量的控制要困難,由于氣體的可壓縮性,對于任何閥門而言,影響通過該閥門流量的因素主要包括壓力、溫度、閥門的流通面積及臨界壓比等。在本試驗中,可以看成是等溫狀態,影響流量的可控因素主要為壓力和閥門的流通面積。由于比例閥的開度與出口背壓耦合,所以主要用來粗調,而當比例閥出口壓力基本穩定時,則用拉伐爾管和手閥進行流量控制。兩種不同流量下的試驗結果見表3。從表3可以看出,在用壓送罐輸送過程中,調節壓力對輸送所需要的氣量影響不大,這主要是由于在輸送過程中,由于平均流量降低,氣速降低,因此料栓速度降低,所需輸送時間增加。將主管和輔管壓力分別從0·25 MPa和0·30MPa降低到0·18 MPa和0·22 MPa,單罐所需要的氣量減少了約3 m3,而輸送時間增加了近1 min,出口氣速則從10·0 ~11·9 m/s降低到5·5~7·4 m/s。但由此也產生了一個矛盾:若想增加輸送量,則需提高輸送壓力,而提高輸送壓力會導致管道振動,同時出口氣速的增大又會導致日罐除塵器壓差增大,影響除塵效率,而且炭黑料栓速度的增加也導致細粉含量增加。降低輸送壓力可以減少輸送氣量、降低管道振動和粒子破碎率,但會降低輸送量。因此,對于不同的生產需要,應根據具體情況調試。
3·2·2 氣 速
氣速是影響炭黑粒子破碎率的最主要因素,因此本試驗在2種不同氣速條件下(表3中的條件1和條件2,其中主、輔管壓力分別為0·25MPa與0·30MPa及0·18MPa與0·22MPa,兩個條件的壓送罐壓力、輔管開啟壓力及彎頭結束壓力均為0·08MPa)對炭黑粒子破碎率進行研究。結果表明,依據上述壓力條件,當輸送氣體出口速度從10 m/s降低到7 m/s左右時,N 234粒子的破碎率從9·22%降低至6·20%。可見,在保證正常輸送(不堵管)的情況下,降低輸送氣速即可降低炭黑粒子輸送的破碎率。
3·2·3 平均料氣體積比的計算
由于在整個輸送過程中,主、輔管壓力的高低對壓送罐單罐輸送的氣量影響不大,之前也已測定了各種炭黑的堆積密度,因此可以通過輸送的總氣量計算單個壓送罐輸送的料氣比。
由于炭黑的堆積密度從0·341~0·496 g/cm3不等,因此對于2·0 m3的壓送罐,根據經驗,其有效容積約為1·5 m3,因此當物料達到高料位開始輸送時,壓送罐內的炭黑質量約為500~730 kg。根據輸送氣量的平均值25 m3計算,炭黑輸送的平均料氣體積比應為16·7~24·3。對于堆積密度相對較低的N 234和N 375等炭黑,其輸送的平均料氣體積比在16·7~20·0。對于堆積密度較大的N 326和N 660等,其輸送的平均料氣體積比應在22·0~24·3。
4 結 論
a)根據初步的正交試驗及經驗判斷結果,通過優化輸送工藝參數,炭黑N 234的破碎率可降至6·47%。
b)在處理增加輸送量和提高輸送氣體壓力的矛盾關系上,可根據不同的生產需要做決定。
c)在保證正常輸送(不堵管)的情況下,降低輸送氣速可降低炭黑粒子的輸送破碎率。
d)對于堆積密度相對較低的N 234和N 375等炭黑,其輸送的平均料氣體積比在16·7 ~20·0。對于堆積密度較大的N 326和N 660等,其輸送的平均料氣體積比應在22·0~24·3。
