李 勇1,蒋存刚2(1.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266042; 2·青岛高校软控股份有限公司,山东青岛266045)
摘要:在炭黑密相气力输送试验的基础上,考察了输送后炭黑粒子的破碎率,研究了影响其破碎率的主要因素。结果表明,依据初步的正交试验结果和经验判断对输送工艺进行优化,可使炭黑N 234的破碎率降至6·47%;在处理增加输送量和提高输送气体压力的关系上,可根据不同的生产需要而定;在保证正常输送的前提下,降低输送气速即可降低炭黑粒子的破碎率,输送的平均料气体积比以16·7~24·3为宜。
关键词:炭黑;密相输送;破碎率;气量控制
中图分类号:TQ 330·38+1文献标识码:B文章编号: 1000-1255(2008)01-0005-04
近年来,气力输送行业有了长足的发展,特别是外旁通管系统、内旁通管系统以及涡漩湍流输送系统的出现,使得原本不可能实现密相输送的物料(如GeldartC类物料)都可以实现密相输送。尤其是对于此类输送较成熟物料的输送,如青岛高校软控股份有限公司在橡胶行业的外旁通管炭黑密相输送系统、瑞士K-TRON公司在医药卫生行业的药品输送等,已对输送中出现的堵管及管道磨损等问题做了大量的研究工作,但对于物料产品的破碎率则还没有一个系统的研究。产品破碎率的增加会导致输送中粉尘或者细粉含量的增加,从而增大除尘难度,同时降低物料的流动性,造成物料集结,影响后续工艺。对于许多产品如炭黑、咖啡豆等,细粉含量增多也影响到输送产品的性能。
输送过程中物料破碎的产生主要是由于冲击或者剪切应力的作用[1]。对于稀相输送而言,由于输送气速较大,输送过程中动压较大,所以冲击是产生破碎的主要因素。而对于密相输送来讲,在输送系统确定的情况下,输送过程中物料以栓状或者沙丘流(炭黑等物料)的方式运动,所以物料和管壁的摩擦以及物料在弯管处的冲击是导致物料破碎的主要因素。除此之外,料气比、弯管结构、输送管路长度、物料性质以及粒子冲击强度对破碎率也有重要影响。总的来讲,降低气速是减少细粉含量的主要举措。
迄今为止,从国内外的研究成果来看,对物料粒子破碎率的研究都是在试验的基础上,通过对比输送系统物料入口和出口处的产品(细粉)加以研究。对于传统工业应用的输送系统(一般都为单管),由于在出口处取料相当困难,所以一般在罐内取料,这种取料方式的弊端在于输送过程中除尘器在持续工作,取料非常棘手,当输送完成后,由于物料通过除尘器在储罐内的堆积方式不同,因此很难降低取料的误差。本工作采用的是外旁通管输送系统,所以在输送末端通过取出单向阀和过滤喷嘴就可以在输送过程中取料,以此降低由于物料在储罐内的堆积流动而造成的样本误差。基于密炼机上辅机炭黑输送近1个月的数据,本工作对炭黑输送破碎率进行了较为详细的研究。
1 输送系统的组成
塞轮公司的炭黑输送系统采用超高相对分子质量聚氯乙烯管,该输送管成本远低于铝-镁合金内衬橡胶管,同时其输送管壁摩擦系数也低于橡胶管壁。输送管内径152 mm,整个输送管道长70m,其中垂直提升高度30m,水平长度40m,管路中包括4个弯管和2个岔道阀。输送用气源使用12 m3的压送罐,输送过程中保证其压力不低于0·6MPa,压力波动在0·1 MPa之内。空气管路使用比例阀,以保证拉伐尔管入口压力在设定开度值内波动不大(一般在±0·003MPa)。
2 试验过程
2·1 炭黑堆积密度的测定
炭黑粒子堆积密度主要用来测试压送罐有效容积下所能输送炭黑的质量,据此计算输送料气比。由于炭黑的种类不同,所输送炭黑的堆积密度相差较大(见表1)。从表1可以看出,除炭黑N 234外,其他炭黑输送后的堆积密度都降低。这是由于输送后细粉含量的增加导致粒子与粒子间空隙总量增大,由此使堆积密度降低。显然,容易破碎的炭黑对输送和除尘不利,导致容易堵管和除尘器负荷增大。
2·2 取样方法
本试验采用的取样方法为:输送前从太空包卸料时,每袋从开始卸料、袋中料约剩一半和接近卸完时各取样3份,以降低取样误差;称量使用的电子天平精度为0·1 g。筛分使用的振动筛分机转速为220 r/min,使用3个120目的标准筛和3个托盘(3个标准筛可以极大地降低由于筛分造成的误差),试样质量为50 g,筛分时间5 min。
2·3 破碎率试验参数的确定
对于炭黑的气力输送,影响其破碎率的因素较多,有客观因素(输送物料的粒子强度、受厂房限制所设计出的输送管道布置等),也有设计因素(采用的输送管材料、输送管径等),以及输送系统运行因素。对于现有的生产情况,完全考虑这些因素是不可能也是不必要的。本试验中主要在输送运行因素下研究炭黑粒子的破碎率问题。
由于试验条件的限制(只能根据生产安排的实际进行试验)和本阶段试验的要求,通过对输送系统的分析,确定了最主要的5种人为可以控制(同时控制)的影响炭黑输送破碎率的因素(参见表2)。
3 结果与讨论
3·1 炭黑N 234破碎率正交试验
从表2可以看出,影响输送的主要因素依次为压送罐压力、输送末端的弯管压力、辅管开启压力、主管压力和辅管压力。由于赛轮公司须根据生产的需要来决定每天炭黑的输送量,因此本试验至2006年4月底只对炭黑N 234做完了一轮正交试验,而对其他炭黑还没有完成正交试验表所列出的8次试验,因此对于本试验的结果还有待后续试验来补充完善,并通过大量的统计分析做出结论。从经验的角度推断,压送罐的压力越大,出料蝶阀开启后输送管道中的料气混合比越大,阻力越大,所以在输送的前半程物料的运动速度较低,粒子破碎率也低;至输送后半程时,由于输送管道中部分物料进入日罐,管道中物料减少,阻力降低,进气量特别是辅管进气量增大,导致管道中的气速增大,粒子破碎率增加。此时如果给定较高的弯头结束输送压力和辅管开启压力,则可以有效地降低炭黑粒子的破碎率。
试验结果表明,炭黑N 234在70 m长的输送管路,在8种条件下的炭黑粒子破碎率增量分别为6·60%, 6·47%, 6·61%, 7·47%, 9·80%,10·40%, 9·33%, 11·26%,平均增量为8·26%,但在最优条件下其破碎率为6·47%。由此可见,从输送工艺参数的优化出发,通过调试可以达到降低炭黑粒子破碎率的目的。
图1为炭黑N 234输送前后在1水平和2水平下的炭黑粒子破碎率分布,从中可以看出,输送过程中其粒径在大于1·000 mm和0·500 ~1·000 mm内的破碎率比较大,这主要是由于质量大的炭黑粒子的动量大,其与管壁碰撞更容易破碎所致。同时也可以看出,破碎可能是大粒子上的小块脱离,导致细粉含量增多,破碎率突然增加的区域主要在0·150~0·250mm、0·100~0·125 mm及小于0·100 mm之间。0·150~0·250 mm不必考虑,但是所有小于0·125 mm的炭黑细粉含量的增加会对胶料有影响。对粒径分布在0·250~0·500mm的炭黑粒径分布,其质量百分比基本上没有减少,一方面可能是由于大粒子破碎其粒径变小,但却仍在此粒径范围内,另一方面可能是由于炭黑粒子在此粒径范围内与管道及弯管的动量交换较低所致。炭黑粒径小于0·250 mm后其破碎率开始增加,因此应尽量降低此粒径分布范围内的含量。
3·2 气量控制与炭黑粒子破碎率的关系
3·2·1 单罐输送气体流量
对于炭黑粒子破碎率气量控制的试验,主要是基于手阀、比例阀和拉伐尔管组合来实现的,故需在输送气路上加装流量计。由于在输送管径不变的前提下,输送气量与输送气速成正比,故改变输送气量即可改变输送气速。对气体流量的控制比液体流量的控制要困难,由于气体的可压缩性,对于任何阀门而言,影响通过该阀门流量的因素主要包括压力、温度、阀门的流通面积及临界压比等。在本试验中,可以看成是等温状态,影响流量的可控因素主要为压力和阀门的流通面积。由于比例阀的开度与出口背压耦合,所以主要用来粗调,而当比例阀出口压力基本稳定时,则用拉伐尔管和手阀进行流量控制。两种不同流量下的试验结果见表3。从表3可以看出,在用压送罐输送过程中,调节压力对输送所需要的气量影响不大,这主要是由于在输送过程中,由于平均流量降低,气速降低,因此料栓速度降低,所需输送时间增加。将主管和辅管压力分别从0·25 MPa和0·30MPa降低到0·18 MPa和0·22 MPa,单罐所需要的气量减少了约3 m3,而输送时间增加了近1 min,出口气速则从10·0 ~11·9 m/s降低到5·5~7·4 m/s。但由此也产生了一个矛盾:若想增加输送量,则需提高输送压力,而提高输送压力会导致管道振动,同时出口气速的增大又会导致日罐除尘器压差增大,影响除尘效率,而且炭黑料栓速度的增加也导致细粉含量增加。降低输送压力可以减少输送气量、降低管道振动和粒子破碎率,但会降低输送量。因此,对于不同的生产需要,应根据具体情况调试。
3·2·2 气 速
气速是影响炭黑粒子破碎率的最主要因素,因此本试验在2种不同气速条件下(表3中的条件1和条件2,其中主、辅管压力分别为0·25MPa与0·30MPa及0·18MPa与0·22MPa,两个条件的压送罐压力、辅管开启压力及弯头结束压力均为0·08MPa)对炭黑粒子破碎率进行研究。结果表明,依据上述压力条件,当输送气体出口速度从10 m/s降低到7 m/s左右时,N 234粒子的破碎率从9·22%降低至6·20%。可见,在保证正常输送(不堵管)的情况下,降低输送气速即可降低炭黑粒子输送的破碎率。
3·2·3 平均料气体积比的计算
由于在整个输送过程中,主、辅管压力的高低对压送罐单罐输送的气量影响不大,之前也已测定了各种炭黑的堆积密度,因此可以通过输送的总气量计算单个压送罐输送的料气比。
由于炭黑的堆积密度从0·341~0·496 g/cm3不等,因此对于2·0 m3的压送罐,根据经验,其有效容积约为1·5 m3,因此当物料达到高料位开始输送时,压送罐内的炭黑质量约为500~730 kg。根据输送气量的平均值25 m3计算,炭黑输送的平均料气体积比应为16·7~24·3。对于堆积密度相对较低的N 234和N 375等炭黑,其输送的平均料气体积比在16·7~20·0。对于堆积密度较大的N 326和N 660等,其输送的平均料气体积比应在22·0~24·3。
4 结 论
a)根据初步的正交试验及经验判断结果,通过优化输送工艺参数,炭黑N 234的破碎率可降至6·47%。
b)在处理增加输送量和提高输送气体压力的矛盾关系上,可根据不同的生产需要做决定。
c)在保证正常输送(不堵管)的情况下,降低输送气速可降低炭黑粒子的输送破碎率。
d)对于堆积密度相对较低的N 234和N 375等炭黑,其输送的平均料气体积比在16·7 ~20·0。对于堆积密度较大的N 326和N 660等,其输送的平均料气体积比应在22·0~24·3。
