炭黑厂气力输送系统问题分析及优化.pdf

炭黑厂气力输送系统问题分析及优化王天乐1，赵文雅2（1援山东奥瑟亚建阳炭黑有限公司，山东枣庄 277000；2援江苏钛得新材料技术有限公司，江苏徐州 221116）气力输送系统是一种利用空气流来输送粉体颗粒物料的输送方式，这种输送方式具有安全、高效、清洁的特点1，广泛用作炭黑工厂和其他粉体工厂物料输送。炭黑是在高温环境下将原料投入反应器中并对原料进行不完全燃烧生成的一种粉状物料，主要用于橡胶、色素和导电等领域，由于该物料具有着色能力较强、难溶于水、粒径小的特点，如何提高工厂现有的气力输送管线输送效率、减少因炭黑泄漏造成的污染问题，逐步成为各炭黑厂研究的焦点。现阶段，炭黑输送方式主要有正压输送、负压输送和混合输送。正压输送（可以划入密相输送系统）主要用于轮胎厂，其主要原理是先将空气进行压缩，压缩空气经管道连接到密相气力输送管道喷嘴上，粉体物料在输送管道里受压缩空气的推动，在管道中形成柱塞流或脉冲流流动。炭黑工厂一般采用负压输送系统（也称为稀相气力输送系统）或混合式气力输送系统，负压输送系统其基本原理是炭黑物料先由静态变为悬浮态，然后在负压环境下，通过气力输送系统将炭黑从料仓或布袋除尘器料斗中吸出，吸出的物料在空气作用下完成输送。山东奥瑟亚建阳炭黑有限公司炭黑气力输送管线系统在风机性能、管道接驳点、伴热系统、支路管线监控等方面存在一定的问题，本文介绍了针对上述问题进行的相应优化及优化后的结果分析。1优化改进前工艺存在的问题炭黑工艺中不同的操作单元，气力输送系统会采用不同的输送方式。除尘系统、回料系统多采用稀相输送方式，炭黑收集单元至造粒环节，多采用混合式输送方式（稀相输送方式为主+局部密相气力输送）。1.1风机性能不理想随着物料输送时间的增加，炭黑生产线回料输送系统的主管线弯管部位容易堵塞，堵塞后回料输送系统管线末端的补风口阀门开度增加，最终阀门自动全开，堵塞严重时无法对气力输送管线补风。为解决该问题，通常采取临时在弯管位置增加管道检查口，再次出现弯管堵塞或气力输送管线无法补风时，通过对管道检查口采用人工疏通方式缓解气力输送管线堵塞的问题。气力输送管线出现该现象的主要原因是现有风机的风量和风机压头不足。人工疏通气力输送管道因其具有局限性，只能在摘要利用空气流来输送粉体颗粒物料的气力输送系统因具有安全、高效、清洁等特点，被广泛应用于炭黑工厂的物料输送。分析了山东奥瑟亚建阳炭黑有限公司炭黑气力输送管线系统存在的风机性能差、管道接驳点多、缺少伴热系统、支路管线缺少监控点等问题，提出了相应的优化方案及改进措施，改进后的性能测试结果表明：气力输送系统运行的连续性、稳定性有较大提升，产品的细粉含量和水洗筛余物两项性能指标优于改进前，优化后的系统实现了气力输送管线补风口完全关闭，降低了炭黑泄漏风险。关键词炭黑；颗粒物料；气力输送；优化；性能文章编号：1005-9598(2023)-03-0096-04中图分类号：TQ062曰TQ330.38+1文献标识码：B收稿日期：2023-02-20第一作者：王天乐（1989），男，汉族，山东枣庄人，工程师，学士，2012 年本科毕业于中国矿业大学化学工程与工艺专业，现从事炭黑生产及炭黑品质管理方面工作，E-mail：。DOI：10.19889/ki.10059598.2023.03.026引用格式：王天乐，赵文雅.炭黑厂气力输送系统问题分析及优化J.煤化工，2023，51（3）：96-99.第 51 卷第 3 期2023 年 6 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.3Jun.2023第 51 卷第 3 期短时间缓解管道堵塞的症状。为彻底解决该问题，决定对该气力输送系统进行优化，考虑到对现有已安装好的管道施工难度大，所以优化不对已有的管道进行大面积修改，仅从与气力输送系统连接的设备着手，重点对气力输送系统中的风机设备进行优化完善。首先对回料系统物料输送风量进行核算，输送风量计算公式见（1）：Q=G籽滋（1）式中：Q 为粉体物料所需要的输送风量，m3/h；G 为粉体物料输送量，kg/h；籽 为气力输送管道输送气的密度，kg/m3；滋 为气力输送管道中物料与空气的混合比，是单位时间内所输送物料质量与气体质量的比值。炭黑生产线回料系统物料输送量为 1 000 kg/h1 500 kg/h，余量系数一般选取 1.051.20，此处核算炭黑物料输送量时设计余量选取最低值 1.05 即可（考虑到投资费用，余量系数越大，风机处理量越大，能耗越高且设备投资费用高，此处选取满足工艺需求的最低余量系数），所以，实际最大炭黑输送量为 1 5001.05=1 575 kg/h。标况下输送，输送气体的密度采用20 时空气的密度 1.293 kg/m3；对于系数 滋（混合比），由于该系数用于稀相气力输送系统，考虑到工况下管道内压力为低真空环境（-10 kPa，此处使用的风机压差为-5 kPa），所以推荐混合比取值范围为0.18.0，由于混合比与管道的压力损失成正比关系，为降低回料炭黑输送过程中压力损失，此处选 0.1。在处理量为 1 575 kg/h、空气密度为 1.293 kg/m3、混合比为 0.1 时，根据式（1）计算所得输送风量为 12 180 m3/h，风量圆整后为 12 000 m3/h。同理，对并联至回料系统前的炭黑粉尘收集系统进行核算，因炭黑粉尘输送量与上述工况相同，故用于炭黑粉尘收集系统风机的输送风量也应按照 12 000 m3/h 设计。为确保炭黑能够在气力输送管道中正常输送，必须保证气力输送管线中气体流速大于粉体物料悬浮速度，物料悬浮速度计算公式见式（2）：v=琢籽10.5+茁L（2）式中：v 为粉体物料悬浮速度，m/s；琢 为物料颗粒度系数；籽1为物料的密度，t/m3；茁 为物料特性系数（考虑到回料中水分较高，该系数按照 510-5考虑）；L 为管道的当量长度，m。物料的粒径在 1 mm10 mm 时，颗粒度系数选择20；物料的密度按照炭黑成品密度考虑，取最大值400 kg/m3；物料特性系数为 510-5；管道的当量长度为 250 m。根据上述各物理量的取值，利用式（2）经计算可得物料的悬浮速度为 13 m/s；气流速度按照 2 倍的悬浮速度计算（依据全国化学工程设计技术中心站和全国化工粉体工程设计技术中心站联合出版的 粉粒体气力输送设计手册），故气流速度应满足26m/s。根据式（1），输送风量为 12 000 m3/h，此时，通过计算管道中最大气流流速为 33.5 m/s，满足最低的气流流速要求。在对最大气流流速和最低气流流速核算后，需要进一步对气力输送管道的压力损失进行核算，由于此次优化改进的以炭黑为介质的气力输送管道属于低中压气力输送管道，压力损失计算公式见式（3）：驻P=姿LD籽v122（3）式中：驻P 为压力损失，Pa；姿 为管道粗糙度，mm；D 为管道直径，m；v1为气体流速，m/s。结合现场实际情况，现有的气力输送管道分段与风机连接，每段长度为 56 m，管道粗糙度经查表得0.1 mm，气体流速按照最低气体流速 26 m/s 计算，管道直径为 0.36 m，根据式（3）计算可得该管道的总压力损失为 6 798 Pa。通过上述计算数据，可得新风机的技术参数，工艺优化前后风机的参数对比见表 1。由表 1 可知：1#和 2#风机优化前的风量偏低，不能满足理论计算的最低风速要求；另一方面，由于优化前的风机压头也明显低于优化后的最低压力损失，无法满足物料输送所需要的动能。气力输送管线中，在风速低于悬浮速度、风压不足的情况下，容易造成气力输送管道堵塞。通过表 1 数据得知：原设计的风机不能满足工艺需求，需要进行更换。说明：本章节有关计算公式和参数取值，主要依据来源是全国化学工程设计技术中心站和全国化工粉体工程设计技术中心站联合主编的 粉粒体气力输送系统设计手册，中石化上海工程有限公司主编、化学工业出版社出版的 化工工艺设计手册。1.2管线配置及接驳点不合理现有的硬质炭黑生产线和软质炭黑生产线回料系统管线合并于同一条主气力输送管线，生产线运行时无法实现将包装过程吸入的硬质炭黑和软质炭黑表 1工艺优化前后风机参数对比风机1#风机2#风机压差/Pa优化前50003500优化后70007000风量/(m3 h-1)优化前35505072优化后1200012000王天乐等：炭黑厂气力输送系统问题分析及优化97-2023 年煤 化 工分别回流到各自的生产系统。尤其是在软质炭黑生产线生产高品质产品（低水洗筛余物产品）时，频繁出现水洗筛余物（杂质含量）超出控制范围的情况。此外，回料主管线连接到炭黑收集单元布袋除尘器底部的接驳点位置不合适，由于该接驳点附近设有气力输送管线补风口，回料系统回料量增加时，容易造成系统无负压，最终炭黑在补风口喷料，给现场清洁生产造成了较大的问题。另外，回料主气力输送管线、炭黑收集单元布袋除尘器底部气力输送管线均连接在气流分级研磨系统入口侧，系统经常会因为炭黑物料输送不均匀造成气流分级研磨系统研磨室电流的波动，严重时设备跳停，进而增加了最终产品中水洗筛余物含量控制的难度。1.3管线缺少伴热系统炭黑在管道中的流动性，除了受悬浮速度、空气流速、风机性能影响外，还受气力输送管道中的空气湿度或者物料含水量的影响。根据生产经验，炭黑越干越有利于输送，随着炭黑含水量的增加，输送效率会下降。气力输送管线中混合物料的湿度主要受两方面因素影响，一个是物料自身的含水率，另一个是用于气力输送的空气，空气在进入系统后由于物料温度高、空气温度低，大量的炭黑物料被迅速冷却，导致炭黑中的水分析出，形成冷凝液，冷凝后的液体附着在炭黑表面或管道内壁，增加了摩擦阻力（降低输送效率）。所以除了上文提及的对气力输送系统风机、管道配置及管道接驳点优化改进外，建议对系统中温降大且易堵塞的位置安装蒸汽伴热盘管。1.4气力输送管线缺少监控点炭黑因其粒径小、比表面积大、表面孔隙多，容易在输送的过程中吸附于管道内表面。吸附在管道内表面的物料很难在气力输送空气载体的作用下被吹落。原控制系统仅在气力输送主管线上设置了温度监控、风量流量计、风量调节阀，并未考虑与主管线相连的支路管线的实际使用工况，系统运行过程中，只控制主气力输送管线上的运行参数，很难保证各支路管线的实际运行工况与主气力输送管线匹配，也就造成了一部分小口径支路管线上补风量过大，导致物料通过量过大而堵塞管道；另外一部分支路管线因为口径较大，补风量不足，致使气流速度低于悬浮速度而造成物料沉降堵塞管道。为解决支路管线运行参数无法控制的问题，此次优化在支路管线上增设了压力调节阀、热电偶、压力变送器，最终实现了压力调节阀与压力变送器之间的压力控制联锁，新安装的压力控制联锁实现了各支路管线的独立控制，大大降低了管道堵塞的频次。2气力输送管线优化改进后测试2.1气流分级研磨系统气力输送系统优化改进前，气流分级研磨系统经常因为入口进料不均匀导致研磨室电流频繁波动，严重时跳停；优化改进后气流分级研磨系统研磨室的运行电流较之前平稳且设备工作效率提高，测试数据见表 2。由表 2 可知：优化改进后平均运行电流升高，且在实际运行中电流波动范围变小，大大提高了气流分级研磨系统研磨单元的运行效率；气流分级研磨系统清扫频次也明显降低；PPK 升高，过程稳定性提高。2.2布袋除尘器优化改进前，炭黑收集单元布袋除尘器底部的气力输送管线经常因补风口补风量不足，负压度降低，补风口调节阀开度增加，严重时会引起炭黑粉尘从补风口喷料。优化改进后的气力输送管线，通过将炭黑收集单元布袋除尘器底部气力输送管线和回料单元气力输送管线串联，控制系统增设压力变送器+压力调节阀，控制联锁根据管道中的负压实时调整管道中的运行负压度，运行数据得到优化改进，具体运行数据见表 3。由表 3 可知：改造后的系统实现了炭黑收集单元布袋除尘器底部补风口的完全关闭，杜绝了气力输送管线因负压不足引发炭黑泄漏的现象。2.3产品品质改进2.3.1细粉含量气力输送管线优化改进后，笔者对 N326、N330、N351、N550、N660 等牌号产品的细粉含量进行了一个月的全程跟踪，统计数据见表 4。表 2优化改进前后气流分级研磨系统运行数据对比改进前后改进前改进后平均工作电流/A8.69.9过程性能指数(PPK)0.931.51设备跳停频次/（次 月-1）50设备清扫频次/（次 月-1）41表 3优化改进前后炭黑收集单元底部气力输送管线运行数据对比改进前后改进前改进后流量/(m3 h-1)150030000压力/Pa-1000-3000-2000-4000补风口始终开启完全关闭98-第 51 卷第 3 期Analysis and optimization of pneumatic conveying system problems in carbon black plantWang Tianle1,Zhao Wenya2(1.Shandong OCI-Jianyang Carbon Black Co.,Ltd.,Zaozhuang Shandong 277000,China;2.TiDe Adhesive Co.,Ltd.,Xuzhou Jiangsu 221116,China)AbstractThe pneumatic conveying system using air flow to convey powder granular materials was widely used formaterial conveying in carbon black plants because of its safety,efficiency and cleanliness.Problems of the carbon blackpneumatic conveying pipeline system of Shandong OCI-Jianyang Carbon Black Co.,Ltd.were analyzed,such as fanperformance,pipeline tie-in points,lack of heat tracing system and monitoring points of branch pipelines,etc.,and thecorresponding optimization plan and improvement measures were proposed.The performance test results after improvementshowed that the continuity and stability of the pneumatic conveying system had been greatly improved,and the twoperformance indicators of the product,fine powder content and water washing residue,were better than those before theoptimization.Meanwhile,the optimized system could realize the complete closure of the pneumatic conveying pipeline make-up air outlet,which reduced the risk of carbon black leakage.Key wordscarbon black;granular materials;pneumatic conveying;optimization;performance由表 4 可以发现：改进后除 N351 牌号产品的细粉含量无明显变化外，N326、N330、N550、N660 细粉含量的平均值均呈现较大幅度的下降趋势（下降了0.54 个百分点1.88 个百分点）。为进一步证明气力输送管线优化改进后提高了除细粉的效率，表中追加了细粉去除系统过程性能指数（PPK）来表示这一段时间内系统稳定性，可以看到所有牌号产品的 PPK 数值均有较为明显的提升（提升了 0.26 个百分点1.58 个百分点）。2.3.2水洗筛余物鉴于客户对 N351、N550、N660 三个牌号产品的水洗筛余物要求较高，因此，对这三个牌号产品优化改进前后的水洗筛余物数据进行了整理，具体见表 5。由表 5 可见：N351、N550、N660 三个牌号产品优化改进后水洗筛余物均值、极差值均呈现下降趋势，气力输送管线系统的过程性能指数 PPK 值也有不同程度的提高。3结语与其他气力输送系统相比，炭黑工厂的气力输送管线具有管线长、管线接驳点多等特性，所以在设计时除保证主管线能正常输送外，也需要考虑支路管线，并在设计时优化支路管线。根据优化后测试结果，相比较通过风量控制的逻辑系统，炭黑工厂更适合使用压力控制逻辑系统。此外，从环保角度和产品特性角度来说，炭黑工厂气力输送管线设计时，应最大程度减少补风口数量，操作单元间的气力输送管线应尽量采用串联的方式，这样可以降低物料在输送过程中泄漏的风险。对于因进入气力输送管线的物料的温度不同或输送空气温度的不同造成运行困难的问题，在管道设计时要考虑在温度较低的管段设置蒸汽伴热。参考文献：1 周甲伟，闫翔宇，郑泽冰，等.气力输送关键装置及管内流动特性研究现状及展望J.过程工程学报，2023，23（5）：649-661.表 4气力输送管线优化改进前后产品细粉含量对比N326N330N351N550N660注：X表示细粉含量平均值，通过平均值来体现成品炭黑中的细粉含量变化情况。表 5气力输送管线优化改进前后产品水洗筛余物含量对比N351N550N660注：X忆表示水洗筛余物平均值；R 表示水洗筛余物极差值（样本中最大值减最小值）。王天乐等：炭黑厂气力输送系统问题分析及优化X/%4.053.122.661.732.832.854.283.744.993.11PPK0.691.252.002.611.171.770.580.840.391.97改进前改进后改进前改进后改进前改进后改进前改进后改进前改进后X忆/10-610.98.96.96.323.112.7R/10-64.74.33.42.513.08.7PPK0.421.070.782.120.302.96改进前改进后改进前改进后改进前改进后产品牌号改进前后产品牌号改进前后99-