濕法造粒生產(chǎn)炭黑的新工藝及質(zhì)量控制措施

丁利虎，孫魯光，陳新中

(山東耐斯特炭黑有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

0 引言

在我國(guó)化工原料中，炭黑非常常見(jiàn)。炭黑最大的用途是被應(yīng)用到汽車輪胎等橡膠制品中，作為橡膠補(bǔ)強(qiáng)作用最重要的添加物質(zhì)。除此之外在顏料和涂料工業(yè)也有重要的用途。造粒工序是炭黑生產(chǎn)的重要步驟。鑒于對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，除特殊品種外干法造粒炭黑逐漸退出市場(chǎng)。而炭黑濕法造粒工藝效率高，環(huán)境污染小，生產(chǎn)能力大，具有炭黑粒子密度高、強(qiáng)度大，便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸、輸送等優(yōu)點(diǎn)。故濕法造粒炭黑的市場(chǎng)份額越來(lái)越大。

1 濕法造粒工藝的概述

濕法造粒主要是按照特定比例來(lái)混合炭黑與造粒水，并利用攪齒式濕法造粒機(jī)來(lái)將其充分混合、潤(rùn)濕以及攪拌，待其成粒后實(shí)施干燥處理，將其水分去除，從而獲得粒狀炭黑產(chǎn)品。通過(guò)該種工藝生產(chǎn)所得粒子非常牢固，能夠散裝運(yùn)輸，從而降低了在運(yùn)輸與使用環(huán)節(jié)炭黑發(fā)生污染。該項(xiàng)工藝的特點(diǎn)：第一，工藝先進(jìn)，生產(chǎn)穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良；第二，裝置技術(shù)比較先進(jìn)、能源耗費(fèi)量少，生產(chǎn)效率高；第三，主體設(shè)備大部分都是國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，布置緊湊、運(yùn)行便捷、維護(hù)便利。

2 濕法造粒生產(chǎn)炭黑的工藝流程

炭黑主要是C10～C14等碳?xì)浠衔镌诟邷丨h(huán)境下所生成的一類物質(zhì)。因?yàn)樯a(chǎn)所得的炭黑體積不大，所以通常要求采取納米來(lái)實(shí)施計(jì)算。因此這就決定了在運(yùn)用環(huán)節(jié)要對(duì)其實(shí)施造粒處理。運(yùn)用濕法造粒生產(chǎn)炭黑其屬于一個(gè)較為簡(jiǎn)單的物理過(guò)程，其具體工藝流程主要如下：

(1)攪拌脫氣。往攪拌機(jī)中裝入炭黑與造粒水并實(shí)施攪拌，炭粒子受到攪齒和螺旋葉片的作用其二次結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，進(jìn)而能夠排除炭黑離子表面空氣。而且炭黑粉末通過(guò)攪拌后，具體比重會(huì)變大，相應(yīng)的也會(huì)增加與粒子的接觸面積，進(jìn)而有利于加快粒子的形成。

(2)充分浸潤(rùn)。經(jīng)過(guò)攪拌脫氣后，炭黑與造粒水將會(huì)變得充分融合，造粒水完成濕潤(rùn)粉狀炭黑后，在其表面會(huì)產(chǎn)生較大的黏結(jié)力。讓粒子間的吸附力得以大幅增加。在實(shí)際潤(rùn)濕粉狀炭黑時(shí)其速度通常與造粒水、筒壁溫度、使用粘結(jié)劑的數(shù)量以及攪齒轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。

(3)粒子間的吸附。粒子得到全面濕潤(rùn)后，在其表面吸附力的影響下粒子得以快速靠近并充分吸附，并且在攪拌齒的轉(zhuǎn)動(dòng)影響下快速團(tuán)聚起原來(lái)的炭黑粉末。

(4)攪拌成粒。在攪齒快速轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，會(huì)慢慢往前推移物料，被浸潤(rùn)的炭黑就會(huì)發(fā)生碰撞、粘結(jié)，從而形成沒(méi)有規(guī)則的顆粒，且逐步變大。部分炭黑粒子較小，可以通過(guò)攪齒到筒壁之間的縫隙，并后移到出料口。但是一些炭黑粒子較大，那么在快速碰撞時(shí)也會(huì)發(fā)生破碎，破碎后的一些炭黑粒子能夠再次發(fā)生粘結(jié)重新組合，并形成了標(biāo)準(zhǔn)粒度。

(5)粒子密實(shí)和拋光。通過(guò)攪拌后獲得的粒子并非最后的產(chǎn)品，它的表面可能凹凸不平，而且該類粒子的結(jié)構(gòu)也不穩(wěn)固。此時(shí)利用造粒機(jī)來(lái)再次實(shí)施攪拌，就能夠再次壓實(shí)部分粒子，同時(shí)順著筒壁繼續(xù)滾動(dòng)。由于筒壁光滑，所以在其發(fā)生滾動(dòng)后，粒子就能夠獲得密實(shí)與拋光的效果。最后一步就是干燥粒子。

3 濕法造粒生產(chǎn)炭黑工藝中的影響因素

3.1 設(shè)備方面的因素

(1)造粒機(jī)。造粒機(jī)主要是由夾套外殼、攪齒以及轉(zhuǎn)筒等構(gòu)成，在濕法造粒生產(chǎn)炭黑過(guò)程中起到了非常重要的作用。能否正確選擇其攪尺材料將會(huì)關(guān)系到了攪尺的使用期限，一般都是采用含鎳合金的不銹鋼作為構(gòu)成材料。通常進(jìn)行軟質(zhì)炭黑生產(chǎn)時(shí)應(yīng)當(dāng)要每間隔3個(gè)月來(lái)對(duì)攪尺進(jìn)行檢查與更換。進(jìn)行硬質(zhì)炭黑生產(chǎn)時(shí)可以每間隔6個(gè)月來(lái)進(jìn)行攪尺的更換與檢查。要控制攪尺和夾套的間隙不超過(guò)3 mm，防止由于間隙不規(guī)律或是偏大而導(dǎo)致粒子變大容易破碎以及粒徑偏寬。除此之外，造粒質(zhì)量還會(huì)受到造粒機(jī)中夾套腐蝕程度還有其內(nèi)壁是否均勻所影響。在生產(chǎn)炭黑時(shí)造粒機(jī)中溫度較高，且被水濕潤(rùn)，這樣就極易導(dǎo)致造粒機(jī)發(fā)生腐蝕。

(2)干燥器。采用不銹鋼板臥式轉(zhuǎn)鼓用作干燥器的主體，抄板設(shè)置于筒體內(nèi)壁，在安裝過(guò)程中確保二者呈90°角。通常造粒質(zhì)量會(huì)受到干燥器安裝的傾斜度、干燥器轉(zhuǎn)速以及抄板角度所影響。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，以上三類因素均會(huì)對(duì)炭黑粒子停留在干燥劑中的時(shí)間產(chǎn)生影響。并且抄板還直接關(guān)系到了炭黑粒子是否均勻受熱，所以必須要注重對(duì)以上三類因素的調(diào)節(jié)確保在造粒機(jī)中炭黑粒子能夠受熱均勻，降低其破碎程度[1]。

3.2 工藝方面的因素

(1)下料的穩(wěn)定性。能否穩(wěn)定地將粉狀炭黑由上游放至造粒機(jī)內(nèi)將會(huì)影響到了炭黑造粒的質(zhì)量。如果其下料過(guò)程中穩(wěn)定性較差就會(huì)降低造粒質(zhì)量。通常干燥器的真空程度、造粒機(jī)進(jìn)口的破真空閥的效果、炭黑喂料泵轉(zhuǎn)動(dòng)速度、緩沖槽料位等都會(huì)影響到下料的穩(wěn)定性。而且在主袋濾器中，其反吹以及吸氣系統(tǒng)是否嚴(yán)密將會(huì)大大影響到下料的穩(wěn)定性。如若該系統(tǒng)嚴(yán)密性較差，那么在主袋濾器中粉狀炭黑就無(wú)法穩(wěn)定的完成過(guò)濾和沉降，那么會(huì)就使得不穩(wěn)定的炭黑進(jìn)到炭黑輸送管道當(dāng)中，使得造粒質(zhì)量受到影響。

(2)造粒水流量的穩(wěn)定性。要想確保造粒質(zhì)量達(dá)標(biāo)，一項(xiàng)重要前提就是確保造粒水流量的穩(wěn)定。其對(duì)比炭黑下料穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)其控制難度要低點(diǎn)。其主要是維持造粒水泵運(yùn)行正常、管線過(guò)濾器暢通、添加劑流量還有熱水造粒的穩(wěn)定。使用熱水造粒可以有效減少使用粘結(jié)劑的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)成本的減小，而且浸潤(rùn)效果較為理想。不過(guò)如若采取蒸汽直接加造粒水，就會(huì)有氣泡存在于造粒水內(nèi)，從而使得其穩(wěn)定性下降。

(3)造粒機(jī)轉(zhuǎn)速。能否科學(xué)合理的調(diào)整造粒機(jī)轉(zhuǎn)速將會(huì)直接影響到了炭黑粒子強(qiáng)度以及壓縮吸油值。合理提升其轉(zhuǎn)速能夠有利于粒子強(qiáng)度與壓縮吸油值的提升。所以在原則上來(lái)說(shuō)，對(duì)相同品種應(yīng)當(dāng)要維持其轉(zhuǎn)速的固定。

4 濕法造粒生產(chǎn)炭黑工藝的質(zhì)量控制策略

(1)確保下料的持續(xù)性。利用專門(mén)的儲(chǔ)罐均勻、不間斷的將粉狀炭黑加入至造粒機(jī)中，使用螺旋傳送機(jī)來(lái)完成這一步驟，以保證實(shí)際下料有著良好的均衡性。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中要想能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)與均衡下料，則需要確保每一貯罐內(nèi)都留有一定量的炭黑。

(2)合理控制粉狀炭黑與造粒水?dāng)?shù)量。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中按照一定比例將粉狀炭黑與造粒水加入造粒機(jī)內(nèi)，通常粘結(jié)劑與水混合形成了造粒水，此處使用到的水不僅可以使用溫水，也能夠使用熱水。在造粒水中粘結(jié)劑通常占比為3%～5%，升高造粒水溫度到40～70 ℃的情況下，可以讓粉狀炭黑與水的親和度增加，從而加快粉狀炭黑的濕潤(rùn)速率，以達(dá)到造粒效果與功能提高的目的[2]。一旦進(jìn)料量與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求相一致，那么就會(huì)提高造粒機(jī)的功率，造粒水量會(huì)同步變大。如果是功率下降，那么造粒水量也會(huì)相應(yīng)減小，實(shí)現(xiàn)比例的調(diào)節(jié)。因此必須要確保造粒水和造粒機(jī)功率的穩(wěn)定，方可穩(wěn)步推進(jìn)造粒工作。

(3)有效管控造粒機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中造粒機(jī)主軸轉(zhuǎn)速會(huì)在一定程度上影響著造粒質(zhì)量，不但會(huì)對(duì)造粒功能進(jìn)行制約，并且還可能會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量。這主要是因?yàn)槭抢脭圐X運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)炭黑與造粒水的融合、浸潤(rùn)、脫氣、成型、壓實(shí)以及拋光。如果是其轉(zhuǎn)速太快，那么在筒內(nèi)粒子停留時(shí)間就是比較短，因此大大增加其破碎幾率，無(wú)法實(shí)現(xiàn)造粒。反之就會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間停留在筒內(nèi)而產(chǎn)生大體積粒子，并無(wú)法確保其大小的勻稱性。因此可以先采取人工調(diào)節(jié)的方法來(lái)對(duì)攪齒轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)整，待其獲得比較完善的粒子后再進(jìn)行串級(jí)。

(4)串級(jí)控制。在實(shí)際造粒時(shí)，工作人員需要能夠合理調(diào)節(jié)與控制造粒機(jī)的電機(jī)功率與造粒水量串級(jí)，確保炭黑與造粒水的比例合理。在此過(guò)程中，炭黑所占比重較大，所以要求能夠根據(jù)具體炭黑數(shù)量來(lái)確定是要增加或是減少造粒水量。如果炭黑量比較穩(wěn)定的情況下，水量也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大波動(dòng)。而且在確保均勻持續(xù)下料的情況下就可以進(jìn)行串級(jí)控制。

(5)科學(xué)管控筒壁溫度。采取濕法造粒生產(chǎn)炭黑過(guò)程中，在造粒水與粉狀炭黑初始融合情況下，其往往不能均勻濕潤(rùn)，一些部位剛開(kāi)始與水接觸，而一些部位就已全部濕潤(rùn)，這樣一來(lái)就會(huì)形成黏稠狀炭黑。如果此時(shí)造粒機(jī)外壁溫度下降，就極易導(dǎo)致該類炭黑與筒壁相黏附，如若攪齒轉(zhuǎn)速較快的情況下就會(huì)導(dǎo)致造粒機(jī)出現(xiàn)震動(dòng)。所以要想避免該類情況出現(xiàn)，可將加熱夾套設(shè)置于造粒機(jī)的筒壁上，隨后進(jìn)行蒸汽的注入，以有效維持筒壁溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，以減少導(dǎo)致炭黑與筒壁相黏附的情況，防止出現(xiàn)造粒機(jī)震動(dòng)的現(xiàn)象。

(6)合理控制粘結(jié)劑的使用量。當(dāng)前造粒機(jī)的粘結(jié)劑通常都是使用木質(zhì)素硫酸鹽或是糖蜜這些材料，以有效增強(qiáng)例子強(qiáng)度，防止在運(yùn)輸環(huán)節(jié)粒子受損。不過(guò)需要對(duì)其具體的使用量進(jìn)行有效控制，防止其用量偏多而產(chǎn)生硬粒，使得炭黑無(wú)法在橡膠中充分分散[3]。所以在確保輸送與運(yùn)輸粒子質(zhì)量得以保證的基礎(chǔ)上，盡可能減小粘結(jié)劑的使用量，以確保粒徑的均勻與統(tǒng)一，提高粒子的分散程度。此外，對(duì)粘結(jié)劑使用量是否適宜進(jìn)行判斷時(shí)，不但可以采取檢測(cè)粒子硬度的方式來(lái)進(jìn)行，還可對(duì)粒子直徑與圓度的均一性進(jìn)行檢測(cè)。如果把粒子硬度當(dāng)作對(duì)粘結(jié)劑用量進(jìn)行檢測(cè)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，那么如果檢測(cè)生產(chǎn)粒子質(zhì)量不佳的情況下，只是單純的采取增加粘結(jié)劑使用量的方式來(lái)解決，就必定會(huì)加大攪齒和炭黑間的磨耗，降低粒子性能。所以通常可以采取將轉(zhuǎn)速合理提升的方法，將造粒能力輸入，來(lái)實(shí)現(xiàn)粘結(jié)劑用量的降低，進(jìn)而有效提升造粒的質(zhì)量。

(7)有效管控造粒機(jī)噴水水質(zhì)。因?yàn)樘亢诰哂性魉裕詴?huì)使得造粒水難以快速濕潤(rùn)炭黑，所以可以將水平噴水口裝置于造粒機(jī)的垂直進(jìn)口部位，往造粒水中添加適量表面活性劑，并將其1/10左右的量噴入，用以提高炭黑粒子的親水性，讓其快速與造粒水濕潤(rùn)，進(jìn)而生成濕炭黑粒子維核，提升炭黑造粒的速度。

(8)合理控制干燥器的真空度。在干燥炭黑環(huán)節(jié)還有炭黑循環(huán)率在很大程度上受到干燥劑真空度的影響，炭黑循環(huán)率會(huì)隨著真空度的增加而變大，從而加大了造粒系統(tǒng)中的設(shè)備復(fù)合量；反之真空度減小會(huì)加大干燥器炭黑泄漏的幾率。

5 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)上使用濕法造粒生產(chǎn)炭黑過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)要能夠正確認(rèn)識(shí)到對(duì)炭黑生產(chǎn)質(zhì)量的影響因素，并采取有效的措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)，以切實(shí)將該項(xiàng)工藝的效用發(fā)揮出來(lái)。