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 機電工程學院，山東 青島 266061）

炭黑粒子在輸送過程中的破碎問題比較復雜，影響因素較多，炭黑性質如炭黑顆粒尺寸等是內因，輸送設備參數如輸送壓力、輸送速率和管道布置方式等是外因。其中，炭黑粒子質量、炭黑粒子壓碎強度、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壁和彎頭之間的碰撞是主要因素。炭黑粒子與管道內壁碰撞時速率減小，產生能量損失，產生的應力與炭黑粒子的能量損失成正比，當應力大于炭黑粒子壓碎強度時，即發生炭黑粒子破碎。炭黑粒子破碎率增大會導致輸送過程中粉塵和細粉含量增大，大大增加除塵難度，造成物料粘結，影響后續工藝。細粉含量高的炭黑不但會延長膠料混煉周期，降低生產效率，更重要的是會影響混煉膠和橡膠產品的質量[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，大多數炭黑都是造粒產品。炭黑造粒方法分為干法和濕法。干法造粒設備簡單，能耗小，生產成本低，但處理能力小，干法造粒炭黑的粒子壓碎強度低，易破碎，細粉含量高；濕法造粒設備處理能力大，炭黑粒子強度高，細粉含量低，但設備復雜，能耗大，生產成本高。目前我國除了萬噸級炭黑生產裝置采用濕法造粒工藝外，大部分炭黑生產企業仍采用干法造粒工藝。

本工作在生產實踐的基礎上，結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行分析，以期為我國炭黑工業應用技術進步提供參考。

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決定了炭黑輸送過程中炭黑粒子與管壁發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，導致炭黑破碎率增大[5]。

以德國贏創德固賽公司的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為 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。應按造粒方式分別設定炭黑粒子破碎率指標。隨著造粒工藝和生產設備水平不斷提高，炭黑造粒應逐漸采用濕法造粒工藝。在不同品種炭黑輸送過程中應設定不同的比例調速閥、比例調壓閥、供氣量和輸送壓力。同時，在氣力輸送管道設計時應盡量采用短距離輸送，減小彎頭數量，且彎頭曲率半徑與輸送管道內徑的比值應大于4，管道內壁光滑，管道與閥門的連接平緩過渡，以避免產生過大的輸送 阻力。

1.2 炭黑粒子壓碎強度

炭黑粒子壓碎強度與炭黑粒子破碎率的關系較復雜。在實際生產中炭黑一般先造粒再進行輸送，不同造粒方式炭黑粒子的壓碎強度不同，因此造粒炭黑粒子壓碎強度對氣力輸送或者機械輸送過程中炭黑粒子的破碎問題起到決定作用。在輸送距離、管道布置方式及其他輸送參數相同的條件下，炭黑粒子壓碎強度越大，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度較小，炭黑粒子破碎率較大；隨著炭黑粒子壓碎強度的增大，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%，炭黑粒子壓碎強度必須大于30 g，同時還需要考慮炭黑粒子壓碎強度分布，即使炭黑粒子平均壓碎強度相同，炭黑粒子壓碎強度分布越寬，說明壓碎強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之一。由于氣力輸送系統是非穩態系統，輸送氣速不穩定，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系增加。在輸送過程中，輸送管道末端炭黑流動速率應盡量小，實現低速輸送，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，需要頻繁進行管道大氣量清掃。當輸送炭黑品種變更時也需要對輸送管道進行徹底清掃，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生大量炭黑細粉，在目標罐頂部除塵器清掃過程中也會產生粉塵，粘附在罐內壁的炭黑粉脫落會形成細粉含量極高的 粉餅。

日儲罐容積為20 m3，采用一條輸送線輸送炭黑，達到輸送量后更換炭黑品種并進行管道清掃。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，當炭黑輸送量為1 000 kg、輸送距離為200 m時，輸送后管道內殘余炭黑質量為300 kg，按炭黑堆積密度為300 kg·m-3計算，管道內殘余炭黑體積為1 m3，長度為200 m的DN150管道總容積為3.53 m3，管道內殘余炭黑體積占管道總容積的28%；管道清掃產生的炭黑細粉質量為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炭黑后進行管道清掃產生的炭黑細粉為炭黑輸送量的3%～6%；一次輸送3 000 kg炭黑后進行管道清掃產生的炭黑細粉占炭黑輸送量的比例降至1%～2%。可見增大日儲罐容積非常重要，一般日儲罐總容積要求大于15 m3，否則需要在不同炭黑輸送時采用不同輸送管線，輸送工作結束后不進行管道清掃。

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炭黑后進行管道清掃產生的炭黑細粉為炭黑輸送量的4%～8%。考慮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。當輸送距離為200 m時，在輸送的1 000 kg炭黑中其他炭黑的質量最高可達到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，需要加大氣速進行清掃，導致炭黑細粉量增大，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。應按造粒方式分別設定炭黑粒子破碎率指標。隨著造粒工藝和生產設備水平不斷提高，炭黑造粒應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相同的條件下，炭黑粒子壓碎強度越大，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，炭黑粒子壓碎強度應大于30 g。同時應考慮炭黑粒子壓碎強度分布，炭黑粒子壓碎強度分布越寬，說明壓碎強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、較低且穩定的輸送速率輸送，可以采用比例調速閥，通過自動控制系統自動調節炭黑的輸送速率，實現炭黑在最佳狀態下輸送。對于輸送距離為80 m的密相低速輸送系統，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，應盡量減少管道清掃次數。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到罐滿，不要頻繁換罐，這樣可以減小管道清掃次數。

橡膠廠炭黑氣力輸送過程中炭黑粒子破碎問題對膠料質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計、施工、工藝操作、維護等技術水平的指標，國內企業應加大對炭黑破碎率的研究，綜合考慮各方面因素的影響，不斷改進氣力輸送設備和參數。