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高温裂解炭黑气力输送问题探讨

时间:2018-08-19 来源:中国365体育网站利用网 点击:

高温裂解炭黑气力输送问题探讨

林红,王保军,张斌,李成

(中科钢研节能科技有限公司,100081,北京海淀 )
 
摘  要:针对中科钢研轮胎裂解项目示范生产线存在的炭黑输送过程中存在的易堵塞、检修率高、粉尘大等问题,提出了利用负压、稀相流体输送炭黑的方案,并针对目前炭黑气力输送过程中存在的主要问题进行探讨,为本项目生产线的升级改造和优化提供了理论依据和参考。
关键词:炭黑 稀相 负压 气力输送
 

1 问题提出的背景

中科钢研轮胎裂解项目示范生产线于2016年在石家庄建设成功,经过为期一年的调试、运行和改造,生产线逐步完善,最长运行周期可达45天,并得到了品质较高的裂解油、裂解炭黑和可燃气。但由于裂解炭黑输送采用的是螺旋输送同时伴随冷却的方式,在炭黑逐渐降温过程中极易出现结块堵塞输送管路的问题,导致该工段检修率高且粉尘较大,限制了生产线的连续运行周期,并影响了生产车间的环境。为此,项目组技术人员提出对裂解炭黑采取气力输送的方案,以彻底解决目前炭黑输送过程中存在的问题。

2 炭黑气力输送技术概述

物料的气力输送,就是在管道内,利用快速流动的气体,带动物料从某个位置移动并将其送入指定地点或装置的方法[1]。气力输送技术应用至今已有200多年的历史,但是用空气作为动力源输送炭黑则是近几十年的事情,而且理论和实践都证明了该技术的优越性[2]
气力输送形式进行炭黑输送具有设备简单、布置灵活、易于远距离输送、便于收尘和实现自动控制等优点,主要形式包括:炭黑负压气力输送系统、炭黑正压密相气力输送系统和炭黑正压稀相气力输送系统等,其装置系统基本无明显差别,一般由供料装置、加料罐、输送管道、分离器(袋滤器)、储料罐、风机等组成。有时为消除高压风机产生的噪声,还装设消音器。各种输送形式根据其输送特点有其不同的适用范围,其中负压气力输送系统是目前应用比较广泛的输送方式。

3 炭黑气力输送的技术难点

目前,利用气力输送方式进行裂解炭黑的输送虽然已不是新技术,但在输送过程中仍然存在一系列问题,针对本生产线的实际情况,还需要解决的输送过程设计技术难点包括:
(1)裂解炉出口炭黑温度较高,可达200℃,风送过程中炭黑与空气直接接触换热会带来一定程度的温度变化,而且温度变化对分离器(袋滤器)的材质和成本影响较大,若能得到该温度变化的具体数值,便可以此作为分离器(袋滤器)的选型依据,有利于降低设备成本造价和投资成本;
(2)裂解炉出料炭黑粒度分布不均,包含0-6mm的炭黑颗粒和炭黑粉,并且物料颗粒质软易碎,在输送过程中,由于颗粒碰撞和能量传递因素还会出现较大的粒度分布变化,这就导致整个输送过程中的传热传质过程复杂,需要选取合适的计算公式或模型。

4 气力输送条件的设定

在进行炭黑气力输送系统设计时,首先必须了解基本的设计背景和条件,如:炭黑的包装形式、品种及物性,输送能力、输送管道布置及输送距离,储料罐的数量及容积等[3]。然后根据这些基本参数,一一确定系统的技术参数,设计优化气力输送系统。针对裂解炭黑特性,项目组专家根据多年的喷煤领域经验,对其气力输送过程条件做以下设定:
(1)气力输送压力的选择。由于裂解炭黑具有粒度细小、质软且轻(密度仅为0.35g/cm3)、易碎的特性,采取常规的正压气力输送极易出现管道连接处由于泄露造成的粉尘大、车间环境差等问题,故本输送方案选取负压风送方式。炭黑负压气力输送的特点如下:
1)适宜输送干燥、松散、活动性好的炭黑等物料,进料方便且对加料构造要求不高;
2)对管道和设备的密封性要求低,不严密之处也不会产生粉尘飞扬的情况;
3)管道内炭黑和空气呈流态化运动状态,炭黑对管道的磨损较小;
4)系统设备较简单、使用和维修简便;
5)输送能力适用于小于4t/h、输送距离适用于小于200m的情况,这与本生产线炭黑产量2t/h、输送距离70m的要求相符。
(2)气力输送形式的确定。输送系统采用的气力输送形式主要是由物料的物性及输送目的要求所决定的[4],如物料的平均粒径分布和平均粒径,在特定条件下,还必须考虑物料的黏性或脆性。本生产线的输送方案是为了使炭黑在输送过程中与空气充分换热,尽量降低温度,本输送过程的流态采取稀相输送方式。稀相输送方式具有设备简单,占地面积小,密闭性好,配置灵活,而且输送过程有利于物料粉化从而降低后续炭黑磨粉功耗等优点。根据稀相输送方式特点,即粉体含量低于10kg/m3、气流速度较高约18-30m/s、连续输送距离基本上在300m以内,本方案的炭黑粉体含量取1kg/m3

5 气力输送参数的设计

该参数设计的主要目的是得到气力输送系统的风量、风速、输送管道距离和管径、炭黑经气力输送前后的温度变化情况等,以用于输送末端分离器(袋滤器)的选型。根据炭黑产量为2.6t/h,水平输送且输送距离为70m,以及其他预先设定的输送条件进行设计计算。
(1)风量、风速、输送管道的参数设计计算
根据炭黑输送量为2.6t/h,即2600kg/h,输送气流中炭黑粉体含量为1kg/m3,可以计算出风量Q应为:
 
为了尽量延长输送过程中炭黑与空气的接触时间,取较小的气流速度v为20m/s;同时由于采取稀相输送,忽略炭黑粉末的体积,根据公式
 
可以计算输送管道内径为
Φ=214mm
取输送管道壁厚d为8mm,可计算管道外径为
Φ+2d=230mm
因炭黑粉多管道磨损不严重,材质选为普通无缝钢管即可。
(2)利用热量平衡进行输送过程气固温度参数的计算如下:
热量平衡方程
 
    其中,
c空1 ,c空2 —— 气力输送前后空气比热,kCal/(m3·℃);
t空1 ,t空2 —— 气力输送前后空气温度,℃;
c炭1 ,c炭2 —— 气力输送前后炭黑比热,kCal/(kg·℃);
t炭1 ,t炭2 —— 气力输送前后炭黑温度,℃;
V —— 气力输送所用空气流量,Nm3
m —— 气力输送炭黑质量,kg。
分别将c1=0.311 kCal/(m3·℃),c1=0.312 kCal/(m3·℃),t1=20℃,c1=0.26 kCal/(kg·℃) ,c2=0.25 kCal/(kg·℃),t1=200℃, m=2600kg,V=2600 Nm3带入上述方程,并假设t空2= t炭2,可以计算出:
t空2= t炭2=104℃<120℃
综上所述,输送末端分离器(袋滤器)根据常规设备选型即可,不用考虑设备的耐高温性能。

6 结论

通过对炭黑负压稀相气力输送过程中的关键参数进行分析、计算和设计,对输送压力和形式进行了选择,并由此得到了输送过程中的空气风量、风速、输送管道管径等相关参数,同时又对高温裂解炭黑经气力输送前后的温度变化情况进行估算,为输送工艺末端分离器的选型提供了依据。利用上述设计计算结果指导轮胎裂解示范生产线的升级改造,通过试运行取得了良好的输送效果,证明了该设计思路和取值是合理的。
参考文献:
[1] 张荣善. 散料输送与储存. 北京:化学工业出版社,1996,275.
[2] 李志华,金秋华,耿振中. 炭黑气力输送系统分析研究[J]. 橡塑技术与装备,2007,33,44-47.
[3] 李志华,吕鹏波,赵伟等. 炭黑密相气力输送系统设计[J]. 硫磷设计与粉体工程,2007(4),16-19.
[4] G E Klinzing, R D Marcus, F Rizk, et al. Pneumatic Conveying of Solida[M]. New York: Chapman & Hall USA, 1997: 354-360.
 

第一作者简介:

林红,女,中科钢研节能科技有限公司,工程师。

 

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